基于CCD光谱仪的测色色差计的研究

摘要

现代工业的发展使得颜色测量技术在化工、印染、纺织等行业得到了越来越广泛的应用，测色色差计便是其中非常重要的一种测量仪器。经研究发现，目前通用的测色色差计一般存在两个问题：一是多数采用光电积分式设计，其结构简单但精度较低；二是一般只能在单一标准照明与观测几何条件下进行测量，无法得到不同模式下的样品颜色信息。
　　 有鉴于此，在深入分析与研究了色度学基本理论和颜色测量主要方法的基础上，本文提出了一种以CCD光谱仪作为分光探测组件，采用直流光源照明下的单光束结构，兼容O/d：e和45/O两种标准照明观测条件下的反射样品和O/d条件下的透射样品的测量的测色色差计方案，并完成了前期研发的主体工作。
　　 本文主要包括四部分工作内容：光学系统、机械结构、硬件电路和系统软件。光学系统部分，采用卤钨灯为照明光源，以柯勒照明对出射光进行准直收柬，提供均匀光照；机械结构部分，参照CIE标准照明与观测条件给出整体结构设计，同时计算得到系统各主要组件的详细几何参数；硬件电路部分，设计了以AT80C51芯片为CPU的单片机系统监视光源的强度并控制转镜位置切换；系统软件部分，包括单片机软件和PC机应用软件，单片机软件主要实现了步进电机驱动脉冲的发生与分配以及单片机与PC的串口通信，应用软件则实现了PC机与光谱仪USB接口间的数据通信，完成系统配置、定标、光谱数据读取与处理、结果显示与文件管理等功能模块的设计。最终实验结果表明，设计的测色系统波长不确定度与重复性，O/d和4.5/O反射模式以及O/d透射模式下的各项色度学指标的稳定性、重复性、复现性与示值误差等均达到国家计量检定规程所规定的一级标准，45/O反射模式下的测量指标也达到了二级标准，实现了预定目标。
　　 全文分七章。第一章描述课题背景，国内外研究现状与课题研究内容；第二章介绍了颜色测量相关的理论基础和基本方法；第三章给出了系统的总体方案、光源波动修正以及定标设计，并简要介绍了本系统采用的分光检测模块；第四章主要阐述光学系统、机械结构和硬件电路等硬件模块的相关设计工作，第五章则详细分析了单片机系统软件和PC机应用软件的各功能模块的设计思路与具体实现；第六章给出相关验证性实验得到的数据与结果分析，最后一章对全文进行了总结，并展望未来工作方向。

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致谢

1绪论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本课题主要研究内容

2相关理论基础

2.1颜色与色觉

2.1.1光谱与颜色

2.1.2人眼的色觉特性

2.1.3颜色的三属性

2.2标准照明体与标准光源

2.2.1标准照明体

2.2.2标准光源

2.3标准照明与测量几何条件

2.4 CIE标准色度系统

2.4.1 CIE标准色度系统

2.4.2 CIE1964补充标准色度系统

2.5均匀颜色空间与色差计算

2.5.1 CIE1964均匀颜色空间

2.5.2 CIE1976L *u*v*均匀颜色空间

2.5.3 CIE1976L *a*b*均匀颜色空间

2.6颜色测量方法

2.6.1目视法

2.6.2光电积分法

2.6.3分光光度法

2.7本章小结

3系统方案设计

3.1总体方案

3.2光源波动修正

3.3系统定标

3.3.1波长定标

3.3.2 CCD光谱灵敏度修正

3.3.3光度定标

3.4分光探测模块介绍

3.5本章小结

4系统硬件设计

4.1光学系统设计

4.2机械结构设计

4.2.1准直镜头

4.2.2光路切换结构

4.2.3积分球结构

4.2.4 45/0盒

4.3硬件电路设计

4.3.1降压稳压模块

4.3.2光源监测模块

4.3.3转镜控制模块

4.4本章小结

5系统软件设计

5.1单片机系统软件设计

5.1.1光源光强采样模块

5.1.2电机驱动控制模块

5.1.3串口通信模块

5.2 PC机软件设计

5.2.1软件总体构架

5.2.2系统配置模块

5.2.3数据通信模块

5.2.4定标模块

5.2.5测量与数据处理模块

5.2.6输出与文件管理模块

5.3本章小结

6实验结果与分析

6.1测色色差计检定标准

6.1.1波长不确定度与重复性

6.1.2仪器的稳定性与重复性

6.1.3仪器的复现性

6.1.4示值误差

6.2测试结果与分析

6.2.1 0/d反射模式

6.2.2 45/0反射模式

6.2.3透射模式

6.2.4一般色样测量结果

6.3本章小结

7总结与展望

7.1研究总结

7.2未来展望

参考文献

作者简历