CN104075806B - 一种基于复合led光源的光电积分式测色仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法，其中，所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪包括：积分球、在积分球的中心水平面上等角度地排列于积分球内壁的LED光源、以及位于积分球内壁且与材料表面法线方向呈8度夹角的探测器。本发明采用LED复合光源作为测量光源，通过调整LED复合光源的光谱分布，改变仪器的光谱响应。由于本光电积分式测色仪的设计中不使用滤光片，可以在一个光电积分式测色仪上对被测样品测量多种标准光源下的颜色数据，并且降低了仪器测量示值误差，保证了良好的测试重复性，具有很好的推广应用前景。

Description

一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及测色仪技术领域，特别涉及一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法。

背景技术

测色仪，广泛应用于塑胶、印刷、油漆油墨、纺织服装等行业的颜色管理领域，可以测量出被测样品的颜色数据。

现有技术手段中，光电积分式测色仪的光谱响应取决于测量光源光谱、探测器的相对光谱灵敏度和滤光片的光谱透射比。在仪器光源和探测器选定了之后，通过匹配滤光片的光谱透过率使仪器的光谱响应满足卢瑟条件。由于通过镀膜实现的滤光片对光线入射的角度要求较高，而颜色测量仪器中滤光片需要测量不同方向入射的光线，所以颜色测量仪器中的滤光片多采用多片有色玻璃匹配的方法实现。光电积分式测色仪，多采用卤钨灯或氙灯作为测量光源、采用硅探测器作为传感器。在实际应用中采用卤钨灯作为光源时，在可见光短波部分卤钨灯的相对光谱分布值较低，而且硅探测器在短波部分的光谱响应也相对较低，所以导致仪器在对颜色三刺激值中的Z值进行测量时，测量结果信噪比低，影响测量重复性；采用氙灯作为光源时，由于氙灯光谱曲线不平滑，导致所需滤光片的光谱透过率也是不平滑的，所以用多片有色玻璃进行匹配得到所需滤光片的难度很大。另外一方面，由于有色玻璃的品种有限、加工复杂、稳定性差，对有色玻璃进行匹配修正时，很难找到匹配精度较好的方案，从而导致仪器测量存在较大示值误差。用多片有色玻璃进行匹配得到所需滤光片通常需要三片以 上的滤光片进行匹配，会导致滤光片透过率偏低，影响仪器测量的重复性。

有鉴于此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法，以解决现有光电积分式测色仪采用卤钨灯或氙灯作为测量光源所存在的滤光片匹配难度大的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪，其中，包括：积分球、在积分球的中心水平面上等角度地排列于积分球内壁的LED光源、以及位于积分球内壁且与材料表面法线方向呈8度夹角的探测器；

其中，有复合LED光源的相对光谱分布应满足如下式所示的关系。

$L_x\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{x}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)$

$L_y\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{y}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)$

$L_z\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{z}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中，L_x(λ)，L_y(λ)，L_z(λ)为分别在测量颜色三刺激值X、Y、Z时LED复合光源的相对光谱分布；γ(λ)为传感器的相对光谱响应度；S_D(λ)为为标准照明体D₆₅的相对光谱功率分布；为CIE1964标准观察者光谱响应；λ为可见光范围内的波长，从380-780nm。

LED光源发出的光首先入射到积分球内壁上，在积分球内壁充分反射，对样品进行漫射照明，最终探测器接收光信号，并将其发送到相应的处理系统中进行数据处理得到相应的结果。

所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪，其中，所述LED光源的个数为31个，通过调整31个LED的驱动电流，获得所需光谱分布。

所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪，其中，所述31个LED光源的峰值波长分别为400nm，412nm，424nm，436nm，448nm，460nm， 472nm，484nm，496nm，508nm，520nm，532nm，544nm，556nm，568nm，580nm，592nm，604nm，616nm，628nm，640nm，654nm，668nm，678nm，692nm，711nm，727nm，740nm，752nm，765nm，780nm。

一种上述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S1、LED光源发出的光首先入射到积分球内壁上，对样品进行漫射照明；

S2、探测器接收光信号，并将其发送到相应的处理系统中进行数据处理得到相应的结果。

所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，其中，所述LED光源的个数为31个，通过调整31个LED的驱动电流，获得所需光谱分布。

所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，其中，包括：

LED复合光源光谱合成的数学模型为

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\Σ}{K}_i\×S_i\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中，K_i(λ)为LED驱动电流系数，S_i(λ)为LED的光谱分布函数。

相较于现有技术，本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法，采用LED复合光源作为测量光源，通过调整LED复合光源的光谱分布，改变仪器的光谱响应。由于仪器设计中不使用滤光片，应用于光电积分式测色仪上，降低了仪器测量示值误差，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1a为现有技术的探测器光谱相应曲线的示意图。

图1b为现有技术中的卤钨灯光谱的示意图。

图1c为现有技术的卤钨灯滤光片的透过率的示意图。

图1d为现有技术的氙灯光谱的示意图。

图2为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪中复合光源光谱的示意图。

图3a为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪中Lx光谱曲线的示意图。

图3b为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪中Ly光谱曲线的示意图。

图3c为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪中Lz光谱曲线的示意图。

图4为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的实施例的示意图。

图5为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的实施例中LED复合光源的排列的示意图。

图6为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法的流程图。

图7a为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪与标准仪器的X值测试结果的对比示意图。

图7b为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪与标准仪器的Y值测试结果的对比示意图。

图7c为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪与标准仪器的Z值测试结果的对比示意图。

图8a为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法中蓝色LED光源采用单高斯拟合的示意图。

图8b为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量 方法中蓝色LED光源采用左高斯右洛仑兹拟合的示意图。

图8c为本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法中蓝色LED光源采用左洛仑兹右高斯拟合的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先，介绍一下光电积分式颜色测量的原理。光电积分式颜色测量是在整个测量波长范围内对被测颜色的光谱能量进行一次积分测量。按国际照明委员会（CIE,International Commission on Illumination）所推荐的测色原理，在D₆₅标准光源下对颜色标准三刺激值进行测量时，仪器的光谱灵敏度（光源、光学系统、探测器三者的综合响应）应符合式（1）

$\left.\begin{array}{c}{k}_1{\∫}_{380}^{780}S\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_x\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}={\∫}_{380}^{780}{S}_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{X}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\\ k_2{\∫}_{380}^{780}S\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}={\∫}_{380}^{780}{S}_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{z}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\\ k_3{\∫}_{380}^{780}S\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_z\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}={\∫}_{380}^{780}{S}_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{z}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，k₁，k₂，k₃为常数；S(λ)为仪器光源的相对光谱功率分布；T_x(λ)，

T_y(λ)，T_z(λ)为仪器中滤光片的光谱透过率；S_D(λ)为为标准照明体D₆₅的相对光谱功率分布；为CIE1964标准观察者光谱响应；γ(λ)为传感器的相对光谱响应度。

通常把满足公式（1）的测色条件称作卢瑟条件。由式1可知，仪器的光谱响应是由测量光源、探测器、滤光片决定的。通常在选定了仪器的测量光源和探测器后，通过匹配滤光片的光谱透过率使仪器光谱响应满足卢瑟条件。由式1可知，X、Y、Z三种滤光片的相对光谱透射比τ_x(λ)，τ_y(λ)， τ_z(λ)应满足式2所示的条件。

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_x\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{x}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)}{S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)}\\ {\mathrm{\τ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{y}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)}{S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)}\\ {\mathrm{\τ}}_z\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{z}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)}{S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

在实际应用中采用卤钨灯作为光源时，在可见光短波部分卤钨灯的相对光谱分布值较低，如图1a所示。而且硅探测器在短波部分的光谱响应也相对较低如图1b所示，所以导致仪器在对颜色三刺激值中的Z值进行测量时，测量结果信噪比低，影响测量重复性；

采用氙灯作为光源时，由于氙灯光谱曲线不平滑，如图1c所示。导致所需滤光片的光谱透过率也是不平滑的，如图1d所示所以用多片有色玻璃进行匹配得到所需滤光片的难度很大。另外一方面，由于有色玻璃的品种有限、加工复杂、稳定性差，对有色玻璃进行匹配修正时，很难找到匹配精度较好的方案，从而导致仪器测量存在较大示值误差。用多片有色玻璃进行匹配得到所需滤光片通常需要三片以上的滤光片进行匹配，会导致滤光片透过率偏低，影响仪器测量的重复性。

因此，本发明提供了一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法。其中，如图4所示，所述基于复合LED光源的光电积分式测色仪包括：积分球、在积分球的中心水平面上等角度地排列于积分球内壁的31颗LED光源，如图5所示、以及位于积分球内壁且与材料表面法线方向呈8度夹角的探测器；

其中，有LED光源和传感器的光谱响应应满足如下式所示的关系。

$L_x\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{x}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)$

$L_y\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{y}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)$

$L_z\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=S_D\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{z}}_{10}\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中，L_x(λ)，L_y(λ)，L_z(λ)为分别在测量三刺激值X、Y、Z时LED复合光源的相对光谱分布；γ(λ)为传感器的相对光谱响应度；S_D(λ)为为标准照明 体D₆₅的相对光谱功率分布；为CIE1964标准观察者光谱响应；

LED光源发出的光首先入射到积分球内壁上，对样品进行漫射照明，最终探测器接收光信号，并将其发送到相应的处理系统中进行数据处理得到相应的结果。

概括来说，采用LED复合光源作为测量光源，通过调整LED复合光源的光谱分布，改变仪器的光谱响应。由于仪器设计中不使用滤光片，所以仪器整体光谱响应有LED光源和传感器的光谱响应决定。采用相对光谱响应度如图1a所示的传感器，计算出在D65光源下测量X、Y、Z所需的复合光源光谱L_x、L_Y、L_Z，如图2所示。

设计LED复合光源的目的是为了通过调整LED复合光源中每个LED的工作电流，使LED复合光源的光谱符合在特定光源下对标准三刺激值进行测量的要求。LED复合光源的光谱应在380至780nm范围内有充足的光谱分布。为了通过调整每个LED的工作电流，匹配出图2所示的三种光谱分布，需要选择峰值波长处于380至780nm间的LED。所选择的LED数量越多，峰值波长的间隔越小，匹配的精度越高。但是，受制于成本、仪器结构和LED的种类限制，LED的数量不能太多。在本实施例中，我们按照峰值波长间隔约10-15nm的标准去在现有的LED种类中选择LED，采用31个LED组成复合光源，其排列方式如图5所示，通过调整不同LED的驱动电流，为测量提供如图2所示3种不同光谱分布的光源，分别在不同光谱分布下测量颜色的三刺激值。所选用的LED为31个，峰值波长间隔为10-15nm，峰值波长分别为400nm，412nm，424nm，436nm，448nm，460nm，472nm，484nm，496nm，508nm，520nm，532nm，544nm，556nm，568nm，580nm，592nm，604nm，616nm，628nm，640nm，654nm，668nm，678nm，692nm，711nm，727nm，740nm，752nm，765nm，780nm。由于峰值波长为400nm的LED半波宽为20nm,所以能保证380nm处的光谱分布，所以在 380nm左右和390nm左右没有添加对应的LED，实验结果也证明对最终的匹配结果影响不大。将上述所有选中的LED应用算法计算其驱动电流。

根据光谱叠加原理，LED复合光源光谱合成的数学模型为

S_c(λ)=∑K_i×S_i(λ)

其中，S_c(λ)为复合LED的光谱分布，K_i为LED驱动电流系数。

S_i(λ)为标号为i的LED的光谱分布函数。典型LED的发光光谱近似于高斯分布，因此，研究中常采用高斯分布函数的数学模型来拟合单个的LED光谱。每个LED对应的高斯分布函数为

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp {\left[\frac{-1}{2}\left(\frac{{\mathrm{\λ}-\mathrm{\λ}}_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\σ}}\right)\right]}^2---\left(1\right)$

其中，λ_peak对应为LED的峰值波长，σ对应其半高宽(Full width at half maximum,FWHM)。

然而，实际的LED光谱分布并不完全轴对称，若直接采用高斯拟合，与实际值之间存在着一定的偏差。针对这种情况，本发明采用非对称高斯模型来进行拟合：采用左边高斯分布右边洛仑兹分布，如式（2）所示；或左边洛伦兹分布右边高斯分布，如式（3）所示。

$S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}\exp {\left[\frac{-1}{2}\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&sigma;}}\right)\right]}^2,\mathrm{\&lambda;}<{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}\\ \frac{1}{\mathrm{\&sigma;}\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{4{\left({\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}\right)}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2},\mathrm{\&lambda;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}\exp {\left[\frac{-1}{2}\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&sigma;}}\right)\right]}^2,\mathrm{\&lambda;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}\\ \frac{1}{\mathrm{\&sigma;}\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{4{\left({\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}\right)}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2},\mathrm{\&lambda;}<{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{peak}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，λ_peak对应为LED的峰值波长，σ对应其半高宽(Full width at half maximum,FWHM)。

对任选的红、绿、蓝三种LED为例，分别采用单高斯拟合、左高斯右洛仑兹拟合、左洛仑兹右高斯拟合进行光谱拟合。最后的拟合误差如下表1 所示，拟合误差越低，代表拟合效果越好。表1LED光谱拟合

由表1可知，蓝光和绿光适合用左高斯右洛仑兹拟合，红光则适合用左洛仑兹右高斯的拟合方式。

如图8a、8b和8c所示，其分别为蓝光LED采用不同方法得出的最佳拟合结果：图8a为单高斯拟合；图8b为左高斯右洛仑兹拟合；图8c为左洛仑兹右高斯拟合：实际光谱用实线表示，拟合光谱用虚线表示。由图可以看出：左高斯右洛仑兹拟合下的蓝光LED曲线更接近其真实光谱功率分布。

以上结果表明，没有一种固定的拟合方式适用于所有的LED光谱，为了精确地对LED光谱进行拟合，需要对每个LED光谱应用多种拟合算法进行分析，得到最佳的拟合方案。

对本实施例中所用到的峰值波长分别为400nm，412nm，424nm，436nm，448nm，460nm，472nm，484nm，496nm，508nm，520nm，532nm，544nm，556nm，568nm，580nm，592nm，604nm，616nm，628nm，640nm，654nm，668nm，678nm，692nm，711nm，727nm，740nm，752nm，765nm，780nm共31种LED，分别测量每种LED的光谱分布。对测量得到的每一个LED光谱分布分别应用单高斯拟合、左高斯右洛仑兹拟合、左洛仑兹右高斯拟合三种方案进行光谱拟合，选取拟合误差最小的一个方案作为拟合确定方案，即每个LED的光谱分布为[S₁(λ),S₂(λ),S₃(λ),…,S₃₁(λ)]。

当式(5)取得最小值时，目标光谱S_T(λ)与拟合光谱S_c(λ)最为接近，计算此时Ki的最优化解。采用类似相对误差的计量方法评价计算结果S_c(λ)和 目标光谱S_T(λ)的一致性，求匹配精度如式（6）所示。

∑|S_T(λ)-S_c(λ)|=min         （5）

$p=\frac{\mathrm{\&Sigma;}|S_T\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-S_c\left(\mathrm{\&lambda;}\right)|}{\mathrm{\&Sigma;}{S}_T\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}---\left(6\right)$

其中，p为匹配精度。p越小，光谱一致性则越高。

根据理论分析，我们知道在目标光谱任意波长λ处，满足以下关系式

S_c(λ)=S₁(λ)×K₁+S₂(λ)×K₂+S₂(λ)×K₂+…+S_n(λ)×K_n

其中，n为选取的LED数。S₁(λ)、S₂(λ)、S₃(λ)、…S_n(λ)代表20mA驱动电流下各个峰值波长不同的LED在波长λ处的光功率分布。K₁、K₂、K₃、…K_n代表上述每个LED对应的非负驱动电流系数。则对于LED复合光源的光谱应用下式进行计算

S_T=S_C=S×K

其中，S_T为目标光源光谱

S_T=[S_T(400)S_T(410)S_T(420)…S_T(780)]^T

K=[K₁K₂K₃…K_n]^T

在本实例的设计中，目标光谱为分别在测量三刺激值X、Y、Z时LED复合光源的相对光谱分布为L_x(λ)，L_y(λ)，L_z(λ)。对下式采用多元线性回归即可得到系数矩阵K的最优解K_X、K_Y、K_Z,分别为构建三种复合光源光谱的每个LED对应驱动电流系数。具体求解时，应用matlab数值分析的工具。

L_x(λ)=[L_x(400)L_x(410)L_x(420)…L_x(780)]^T=S×K_X

L_y(λ)=[L_y(400)L_y(410)L_y(420)…L_y(780)]^T=S×K_Y

L_z(λ)=[L_z(400)L_z(410)L_z(420)…L_z(780)]^T=S×K_Z

概括来说，本发明实施例的31种LED的驱动电流的计算方法如下：

首先，对31种LED均用20mA电流驱动，测量其光谱分布；

然后，对每种LED的光谱分布用分别应用单高斯拟合、左高斯右洛仑兹拟合、左洛仑兹右高斯拟合三种方案进行光谱拟合，选取拟合误差最小的一个方案作为拟合确定方案，得到[S₁(λ),S₂(λ),S₃(λ),…,S₃₁(λ)]；

再对下列公式进行求解：

L_x(λ)=[L_x(400)L_x(410)L_x(420)…L_x(780)]T=S×K_X

L_y(λ)=[L_y(400)L_y(410)L_y(420)…L_y(780)]^T=S×K_Y

L_z(λ)=[L_z(400)L_z(410)L_z(420)…L_z(780)]^T=S×K_Z

求出电流系数K_X、K_Y、K_Z的最优化值； 

即复合LED光源L_x中，每种LED的驱动电流I_i=K_X[i]*20mA

复合LED光源L_Y中，每种LED的驱动电流I_i=K_Y[i]*20mA

复合LED光源L_Z中，每种LED的驱动电流I_i=K_Z[i]*20mA。

应用对应的电流对不同LED进行驱动，在实际实施该方案时，对三种不同光源的实际实验结果如图3a、3b和3c所示，经实际测量得到的匹配精度如下表所示。

本发明还相应提供了一种所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，如图6所示，所述方法包括以下步骤：

S1、LED光源发出的光首先入射到积分球内壁上，对样品进行漫射照明；

S2、探测器接收光信号，并将其发送到相应的处理系统中进行数据处理得到相应的结果。

下面通过一个实验对上述方案进行验证。采用上述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪和标准仪器对样品进行测试。标准仪器为Konica公司生产的分光测色仪CM-700D。CM-700D为D/8测试结构，采用氙灯作为测试光源，可测量被测样品的反射光谱曲线，可以提供被测样品在各种标准光源下的三刺激值。被测样品为224张PATONE-C色卡，比较两种仪器测试所得三刺激值的数据相关性。测试结果如图7a、7b和7c所示，从结果可知，两种仪器对颜色三刺激值X、Y、Z的测试数据均体现出了良好的线性相关性。由于LED复合光源中Y的匹配精度高，所以在测试结果中的数据的线性相关性要好于X和Z。在依照CM-700D的测试数据对图所示的测量结构进行标定后，对BCRA标准色板进行测试，结果如下表所示。按照JJG595-2002检定规程中的规定，已经达到一级测色仪的测试水平。

综上所述，本发明提供的基于复合LED光源的光电积分式测色仪及其测量方法，其中，所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪包括：积分球、在积分球的中心水平面上等角度地排列于积分球内壁的LED光源、以及位于积分球内壁且与材料表面法线方向呈8度夹角的探测器。本发明采用LED复合光源作为测量光源，通过调整LED复合光源的光谱分布，改变仪器的光谱响应。由于仪器设计中不使用滤光片，应用于光电积分式测色仪上，降低了仪器测量示值误差，具有很好的推广应用前景。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于复合LED光源的光电积分式测色仪，其特征在于，包括：积分球、在积分球的中心水平面上等角度地排列于积分球内壁的LED光源、以及位于积分球内壁且与材料表面法线方向呈8度夹角的探测器；

其中， LED光源的光谱分布和传感器的光谱响应应满足如下式所示的关系：

    

其中，，为分别在测量三刺激值X、Y、Z时LED复合光源的相对光谱分布；为传感器的相对光谱响应度；为标准照明体的相对光谱功率分布；，，为CIE 1964标准观察者光谱响应；

LED光源发出的光首先入射到积分球内壁上，对样品进行漫射照明，最终探测器接收光信号，并将其发送到相应的处理系统中进行数据处理得到相应的结果。

2.根据权利要求1所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪，其特征在于，所述LED光源的个数为31个，通过调整31个LED的驱动电流，获得所需光谱分布。

3.根据权利要求1所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪，其特征在于，所述31个LED光源的峰值波长分别为400nm，412nm，424nm，436nm，448nm， 460nm，472nm，484nm，496nm，508nm，520nm，532nm，544nm，556nm，568nm，580nm，592nm，604nm，616nm，628nm，640nm，654nm，668nm，678nm，692nm，711nm，727nm，740nm，752nm，765nm，780nm。

4.根据权利要求1所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、LED光源发出的光首先入射到积分球内壁上，对样品进行漫射照明；

S2、探测器接收光信号，并将其发送到相应的处理系统中进行数据处理得到相应的结果；

LED复合光源光谱合成的数学模型为

  

其中，Ki为LED驱动电流系数，Si(λ)为LED的光谱分布函数。

5.根据权利要求4所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，其特征在于，采用非对称高斯模型来进行拟合单个的LED光谱：采用左边高斯分布右边洛仑兹分布，如下式所示：

     ；

或左边洛伦兹分布右边高斯分布，如下所示：

；

其中，λ_peak对应为LED的峰值波长，σ对应其半高宽。

6.根据权利要求5所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，其特征在于，还包括：

对测量得到的每一个LED光谱分布分别应用单高斯拟合、左高斯右洛仑兹拟合、左洛仑兹右高斯拟合三种方案进行光谱拟合，选取拟合误差最小的一个方案作为拟合确定方案，

即每个LED的光谱分布为；

当取得最小值时，目标光谱与拟合光谱最为接近，计算此时K_i的最优化解；

采用类似相对误差的计量方法评价拟合光谱和目标光谱的一致性，求匹配精度下式所示：

    

其中，p为匹配精度，p越小，光谱一致性则越高。

7.根据权利要求4所述的基于复合LED光源的光电积分式测色仪的测量方法，其特征在于，所述LED光源的个数为31个时，LED的驱动电流的计算方法如下：

首先，对31种LED均用20mA电流驱动，测量其光谱分布；

然后，对每种LED的光谱分布分别应用单高斯拟合、左高斯右洛仑兹拟合、左洛仑兹右高斯拟合三种方案进行光谱拟合，选取拟合误差最小的一个方案作为拟合确定方案，得到；

再对下列公式进行求解：

求出电流系数、、的最优化值；

即复合LED光源中，每种LED的驱动电流I_i = *20mA；

复合LED光源中，每种LED的驱动电流I_i = *20mA；

复合LED光源中，每种LED的驱动电流I_i = *20mA；

所述；

所述、和即为驱动电流I_i 所对应的电流系数、、的最优化值。