光纤探头式测色系统设计

　　引　言

　　测色仪器在纺织、印染、照明、军事、冶金、材料、医药等领域都有十分重要的应用。随着社会的发展,测色仪器在人们生产、生活中的应用也越来越广泛[1~3],而对颜色测量的准确性要求也越来越高。传统的测量是将光源直接照射物体,然后经物体反射后使光进入分光系统。该测量系统容易受外界干扰,使测色的准确性严重下降,并很难实现微小区域的测量。

　　作为传感器的光纤探头具有可以屏蔽外界杂散光,减少电磁干扰、充分聚集信号并能进行微区测量,高灵敏度并能进行远距离遥控测试,还适于高温高压等非接触测量[4]。但是,当光信号在光纤中传输时,由于吸收、色散和波导缺陷等原因产生传输信号的畸变[5],所以对产生能量损失的信号需要进行补偿[6]。笔者设计的测色系统集光部分采用自行设计的光纤探头,从而使测色更方便、测量精度大大提高。

　　1　原　理

　　1·1　色度计算

　　物体反射的可见光进入人眼形成颜色。国际照明委员会(CIE)为颜色的度量建立了XYZ表色系统,引用三刺激值X, Y,Z及色品坐标x,y,z表征,而用色差表示颜色的差别。三刺激值的计算式为[7]

　　式(1)中:S(λ)为光源的光谱分布;β(λ)为物体的光谱辐亮度因数;-x(λ),-y(λ),-z(λ)为标准观察者的光谱三刺激值。在实际计算中用求和代替积分。K是颜色调整因子,它的选择应满足所有的波长,K的取值一般满足使Y=100。

　　对于选定的溴钨灯光源,在一定的工作电流下,S(λ)的形式是确定的,在反射色的测量中,光谱辐亮度因数β(λ)是被测物体测得的光谱反射率

　　其中ρst(λ)是标准白板测得的光谱反射率,ρsp(λ)是对被测物体测量得到的光谱反射率,修正值α(λ)由更精密的测色仪器测量标准白板来决定。由式(2)可计算出被测物体的三刺激值X, Y,Z。CIE定义色品坐标x,y,z,由式(3)计算

　　1·2　光纤色度校正

　　当光源光直接照射物体时,有

　　其中,Ii(λ)是物体入射光的辐通量,Io(λ)是反射光的辐通量。

　　当光源光经过光纤照射物体表面时,光纤光强响应特性曲线是光纤探头设计的关键。该特性调制函数可借助于光纤输出端光场的场强分布函数给出[8〗

　　其中,(r,x)为光纤输出端光场中位置;(r,x)为(r,x)处的光通量密度;σ为表征光纤折射率分布的相关参数,对于阶跃折射率光纤,σ=1;α0为光纤芯半径;ξ为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。如果将同种光纤作为探测接收器时,所接收到的光强可表示为