线阵CCD在颜色测试中的应用

　　引　言

　　线阵CCD灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作与维护方便、成本低廉,在工业生产线上,已广泛用于产品外部尺寸非接触检测、控制和分类、自动化及机器人视觉中的精确定位等技术领域。随着多通道快速颜色测量技术的发展,CCD传感器在颜色测量领域有着愈来愈广泛应用前景,而对物体的颜色特性进行快速而精确的测量,已经成为测色领域一个重要发展方向[1],但目前国内在这方面还无实用化的产品。

　　我们从颜色的分光光度法测量理论出发,与CIE制定的标准相衔接、以线阵CCD-TCD142D作为多通道探测器,采用多色仪颜色分光系统及计算机控制技术、实现对光源颜色参数的高精度实时快速测量。

　　1　多通道颜色测量原理

　　分光光度法是目前科学研究和工业生产中应用最广泛的颜色测量的方法之一,是实现多通道快速精确测量颜色的基本方法,它包括两个过程,首先用分光光度法测量物体本身发出或反射的色刺激函数(λ),测量光源时,就是测量光源的相对光谱功率分布Pe(λ)。然后,根据CIE不同色度系统下的标准观察者光谱三刺激值,得到相应系统下颜色的三刺激值,计算所用色度学方程为

　　利用得到的CIE色度系统的光谱三刺激值X,Y,Z值,可以进一步求得色品坐标,相关色温、显色指数等颜色参数。整个测量过程均由电子计算机进行控制。

　　根据获得光谱信息方式的不同,分光光度法测色仪分为单通道扫描测色仪和多通道快速测色仪。传统的单通道扫描测量仪器采用单色仪色散系统,测试时间较长,对光源稳定性要求较高,对以满足在线快速测量和对瞬态光谱测量的需要。多通道快速颜色测量仪器采用多通道光电探测器,通过多色仪分光系统,获得待测物体的整个空间光谱能量分布信息,然后通过电扫描过程,将光谱信息产生的时序视频信号送入电子计算机系统,进行数据处理,因此具有测量时间极短、信噪比较高、对光源稳定性要求低并可实现对瞬态光谱测量的特点。

　　2　系统的组成

　　本系统的总体结构框图如图1所示,主要由光学系统、CCD探测器系统、信号处理和微机控制系统等部分构成。

　　2.1　光学系统

　　本系统采用单光路形式,分别测量被测信号与参考标准信号,待测光源的光能经积分球收集,积分球的入射光孔位于与多色仪光轴成90度的球壁上[2]。以消除偏振和入射方向偏离对色散的影响,再经光学耦合系统聚集到多色仪的入射狭缝上,经多色仪中平场凹面光栅成平面象于CCD传感器的接收平面上,采用平场凹面光栅作为分光器件,既满足了CCD传感器平面工作的需要,又简化了结构,提高了系统的稳定性与可靠性。多色仪中平场凹面衍射光栅工作原理如图2所示,其光栅常数为500线对/mm。