利用光栅光谱仪测量获取物体表面的色度特性

　　光栅光谱仪是一种灵敏度高,适应性广,分析速度快,使用方便的光谱分析仪器[1,2],无论是吸收光谱、荧光光谱,还是拉曼光谱,它在获得单波长辐射过程中都是不可或缺的手段[3]。许多文献只限于用光栅光谱仪研究物体的反射、透射及吸收特性[4-6],至于物体表面色度特性的研究则很少涉及。本文通过自行搭建的光栅光谱仪测量物体表面的反射特性,然后利用颜色光学计算出物体表面的色度特性。

　　1　光谱仪和光栅方程

　　光栅作为重要的分光器件,它的选择与性能直接影响着整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等,本实验采用的是平面光栅单色器中的反射式衍射光栅。反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽,一系列平行刻槽的间隔与波长相当,光栅表面涂上一层高反射率金属膜,光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长,在大多数方向消失,只在一定的有限方向出现,这些方向确定了衍射级次。

　　如图1所示,光栅刻槽垂直辐射入射平面,辐射与光栅法线入射角为α,衍射角为β,衍射级次的极大值:

　　得到更方便的光栅方程。从该光栅方程可看出,对一给定方向β,可以有几个波长与级次m相对应λ满足光栅方程。

　　2　色度学简介

　　由色度学理论可知,通过红、绿、蓝三原色的相加混合可以得到许多不同的颜色,匹配出某种颜色的三原色刺激量称为此颜色的三刺激值[7,8]。

　　式中:为色刺激函数,φ(λ)=ρ(λ)·s(λ);ρ(λ)为物体表面的光谱反射率;s(λ)为光源的相对光谱功率分布;-x(λ),-y(λ),-z(λ)是CIE标准色度观察者光谱三刺激值,反映人眼视觉灵敏度。

　　由三刺激值得到物体表面颜色的色度坐标为:

　　3　光栅光谱仪实验装置的结构框图及仪器介绍

　　3.1　光栅光谱仪的结构框图

　　本实验所用的多功能光栅光谱仪结构框图如图2所示。

　　该实验仪器的操作由计算机操作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度、出射狭缝宽度和负高压(光电倍增管接收系统)不受计算机控制而用手工设置外,其他的各项参数设置和测量均由计算机来完成。装置的组成:激发光源系统+分光系统+样品检测系统+数据采集及处理系统+软件系统+计算机系统,可同时扫描激发谱的发射谱,对于未知激发谱的材料可提供更有效的分析工具。

　　3.2　实验中所用的仪器

　　(1) SPB300 300mm光栅光谱仪