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色度计(四)测色仪器的重要参数

发布时间:2020-10-16 16:53:46 浏览量:56 作者:Grin

摘要

选择一款合适的测色仪器,需要考量仪器的使用环境和各项性能指标。这些指标直接决定了设备能否满足测试需要。这些指标包括:色

坐标精度、亮度精度、重复性、稳定性等,这些指标直观的反映了设备各器件的性能。


如何挑选一款合适的测色设备,除需要考虑设备能否适应测试场景,通过考量一些仪器普遍标注的,可以作为比较和参照依据的重要参

数,对购得合适的实验设备也非常重要。了解一台测设设备有哪些重要参数,表示什么样的含义,由什么影响,对挑选一款合适的测色

设备显得非常重要。


一、色坐标精度

光电积分测色仪器的色坐标准确度,主要受卢瑟条件限制。在CIE-XYZ色度系统中,样品色坐标X,Y,Z值的获得可以由下式表示。式

中,S(λ)为光源的光谱能量分布,β(λ)表示物体的光谱幅亮度因数,x(λ)、y(λ)、z(λ)表示CIE标准观察者光谱三刺激值谱

线。



图 1 左:XYZ值的与标准CIE-XYZ系统谱线的关系

                                                                      右:Hyperion色度计三刺激值谱线


根据卢瑟条件,光电积分测色设备,要想获得准确的XYZ坐标,就必须要有跟CIE-XYZ标准色度系统高度吻合的三刺激值曲线,这将直

接反映在设备的色度精度上。


二、亮度精度

在XYZ色度系统中,Y值符合人眼光谱灵敏度曲线,故可用Y值表示样品的亮度。如前所述,设备测得亮度值的精确度可能受卢瑟条件

限制。

此外,分光器件、探测器和信号放大电路的线性度也会影响设备的亮度精度。这类系统中常用反射式光栅作为分光器件,受入射角和波

长影响,经光栅衍射后的光在各个方向上的能量分布不均匀,最终呈现为入射光强和实际探测光强之间的非线性。同时,探测器对不同

强度入射光的响应的线性度,信号放大电路的线性度也会影响设备的亮度精度。这些在仪器测试阶段可以明确的系统误差,生产商可以

通过硬件上或软件上的补偿来消除。

 

图 2 某款探测器的波长灵敏度曲线


三、数据重复性

各器件性能可靠性:

仪器中,各器件对环境的敏感程度影响着测试数据的稳定性,这些影响可能来自机械震动、环境温度变化等。


噪声水平:

各类光电二极管、ccd都存在暗电流,且暗电流大小会受探测器温度影响较大,仪器内部产生的热量能否及时从设备中排出,对设备

测试数据的稳定性影响明显。


四、光谱分辨率(仅针对光谱仪

光栅刻划线密度:光栅的刻划线密度,影响光栅的分光能力。在一定范围内,光栅刻划线密度大,则光栅可以将样品光谱分散到更大的

角度上,可以将波长分的更细,增加线阵CCD的像元个数,则可以提高光谱分辨率。但同时,在样品光强不变的情况下,单个传感器

上的分得的信号强度变弱。这往往需要厂商在设备成本、探测精度和光谱分辨率之间做一个权衡。


五、单次测试时间

仪器的测试时间,一方面取决于探测器需要多长时间获得足够强度的信号,另一方面设备对数据的处理速度,一次测试结束到下一次测

试开始,设备所需的稳定时间也会影响仪器测试速度。

同类仪器的单次测试时间,在低亮度下,差距较为明显。在保证满足测试精度要求的情况下,设备的测试速度,直接影响工厂产线的检

测效率。


六、光强范围

设备标称的可以探测的光强范围,影响设备可以应用的场景。对低亮度,需要验证设备在该亮度下的实际测试的精确度是否能满足需

求。

 

图 3  Hyperion的部分数据单


补充: 产品手册中标注的数据能直观的表征设备的性能,但却隐藏了很多测试过程中的条件。测试条件的改变,引起设备测试能力的

变化,有时只有在实际测试中才能体现出来。在实际测试中,需要考虑以下因素对测试的影响。

1. 样品亮度:

各类测色仪器,在信号强度较低时,各类测试结果、测试精度都会出现变化。这很好理解,根据前面的描述,信号强度变弱后,随着增

益系数的增大,噪声水平显著提升,信噪比降低,测试数据准确度下降。因此设备在低亮度下性能也是设备品质的重要指标。


2. 环境光影响:

在仪器的测试环节,往往将仪器置于暗室之中完成测试和标定,但在实际的产线上,可能有部分环境光或其他设备的光源存在,可能会

对仪器的精确度产生影响。


3. 测试距离,面积:

仪器的测试面积变化,对于已知均匀性很好的样品,对测试结果的影响并不明显。但对于均匀度未知的样品,测试面积的变化,会引起

采样区域的变化,对测试结果影响明显。

测试距离比较长的系统,可能会对环境光敏感,较长的焦距,让杂散光,环境光可以进入设备,但这也不是绝对的,取决于设备的光学

系统设计。