【反射颜色测量】典型配置、硬件说明、软件操作

海洋光学反射颜色测量包括以下两种方式：

1) QR 探头反射颜色测量的典型系统配置包括谱仪操作软件、光谱仪、光源、光纤、待测物。

图 1 QR 探头反射颜色测量系统配置图

2) ISP 积分球反射颜色测量的典型系统配置包括光谱仪操作软件、光谱仪、光源、积分球、 光纤、待测物。

图 2 ISP 积分球反射颜色测量系统配置图 

表1 典型系统配置▼

光源的基本操作步骤：

• 启动光源，预热 10 分钟，以达到稳定状态；

• 光纤与光源连接后，可通过转动调节光阑旋钮控制光强；

• 如果用户在实验操作中对光源的输出光谱有特殊要求，可在插片凹槽处放置滤光片、衰减片等光学器件。

图 3 HL-2000-FHSA 光源实物图

【STAGE 反射探头支架介绍】

STAGE 反射探头支架适用于光学介质或其他材料反射率的测量，可配置直径 6.35 mm的光纤探头，与其他采样光学器件一起使用。探头到样品的高度调节范围约为 60 mm。使 用 STAGE 反射探头支架时，需注意以下两点：

1）在基板上放置样品时，以不同直径的同心圆为参照；

图 4 STAGE 反射探头支架图

表2  STAGE 反射探头支架规格▼

  (A) RPH-1

  (B) RPH-2

表3 RPH 反射探头支架规格▼

注意：当使用反射探头进行暗测量时，Z好挡住灯光或将发光探头伸到光线弱的地方进行暗测量。若直接将灯关闭后再打开，将扰乱灯的热平衡，这需要额外的预热时间和新的标准测定。

图 6 QR400-7-UV-VIS 反射探头图

图 7 反射探头端口示意图

（说明：光纤连接口“S”用于测量样品表面的反射率或颜色；光纤连接口“R”用于收光或监测积分球的内置卤钨光源。）

ISP-R 积分球有两个 SMA-905 接口，光输入端有一个用在光纤接入积分球之前校正光 纤的 8°角接口，光输出端口与输入端口成 90°角（用于连接光谱仪）。ISP-R 积分球配置有两种圆柱形衬垫，一种用于吸收镜面反射光（涂有黑色的吸光材料），另一种用于使镜面反射光进入积分球（与积分球内部材料相同）。两种圆柱形衬垫刚好能够放入与积分球顶部成-8°角的接入孔中。

【QR 探头反射颜色测量硬件操作】

搭建 QR 探头反射颜色测量系统，具体操作步骤如下：

1）将 QR 探头的光纤一端与光谱仪连接，另一端与 HL-2000-FHSA 光源相连；

2）将 QR 探头插入 RPH-1 支架的 45°端口，调整探头尖到样品的距离；

3）通过 USB 数据线连接光谱仪至 PC 端；

4）用电源线连接光源和市电插座（注意选择带地线的国标电源线和市电插座）； 

图 10 QR 探头反射颜色测量系统实物图

【ISP 积分球反射颜色测量硬件操作】

搭建 ISP 积分球反射颜色测量系统，具体操作步骤如下：

1）将光纤一端连接光谱仪，另一端连接 ISP 积分球的“S”端接口；

2）通过 USB 数据线连接光谱仪至 PC 端；

3）用电源线连接积分球和市电插座（注意选择带地线的国标电源线和市电插座）； 

图 11 ISP 积分球反射颜色测量系统实物图

图 12 Flame 光谱仪

注意：对待测物进行反射颜色测量时，测试条件与参照物的测试条件应保持一致。

1. 从欢迎界面或者点击图标创建新的光谱应用，在光谱应用向导中点击颜色测量向导图标；

• 辐射颜色测量：需要进行（绝对或相对）辐射校正。请根据具体需求，在下列窗口选择绝对辐射测量或相对辐射测量。

• 反射颜色测量：不需要辐射校正，但需要参考光谱。在相同的光学系统配置下，完成对参考样品的测量，替换测试样品时需保持同一测量位置。本文以反射颜色测量为例。

3. 调整好硬件配置后，在软件中设置数据采集参数，包括积分时间(integration time)、平均次数(average)和滑动平均(boxcar)。用户可根据光源的强度，调节积分时间和平均次数等参数，勾选 “暗噪声校准”和“非线性校准”功能。注意参考光谱测量和样品测量时的参数设置应相同。设置完成，光谱将显示在右侧谱图界面，点击“下一步”按钮。 

• 积分时间：积分时间是检测器在将累积的电荷通过A/D转换器加工之前，被允许收集光子的时间长度。Z小积分时间是设备支持的Z短积分时间，它取决于检测器读出所有像素信息的快慢，积分时间与数据传输速度是不同的概念。
• 平均次数：光谱被显示到软件里之前会采集多次，然后取平均。
• 滑动平均：平滑是一种可以应用于光谱的空间平均。该过程通过平均相邻像素点的值来消除噪声，因此它会以牺牲光学分辨率为代价来提高信噪比。空间平均在光谱相对平坦以及相近像元变化较小的情 况下使用是非常有效的，但由此产生是分辨率的损失会使得尖锐的光谱特征峰难以分辨。当应用空间平均时，信噪比会以像元平均的平方根为基数进行提高。请注意，在海洋光学软件中，平滑宽度的值 是指所有像元以中间为基准靠左或靠右的像元和的平均数。平滑值是4实际上是将9个像元一起平均（4个靠左像元+1个中心像元+4个靠右像元），信噪比将以3为倍数增加。同样的，平滑值是2（5个像元）将使信噪比以2.2为倍数增加，平滑值是0（1个像元），信噪比以1为倍数增加（因此光谱不改 变）。
• 暗噪声校准：海洋光学的大部分光谱仪都有自带的遮光像元。暗噪声校准会用当前光谱读数减去遮光像元的读书，以排除温飘等系统性影响。

• 非线性校准：光谱仪出厂前已完成。如无特殊需求，请默认勾选。

• 触发模式：请参考海洋网站的相关文档。如无特殊需求，可保持默认设置不变。 

4.出现“保存参考光谱”窗口，此时在反射探头支架或积分球下放置参考样品，并点击图标记录参考光谱，再点击“下一步”。 

5.出现“保存背景光谱”窗口，使用光源自带的快门功能切断光路，或在光路中插 入挡片遮光，并点击图标记录背景光谱，再点击“下一步”。

• CIE XYZ、CIE L*a*b*、CIE uv、CIE u'v'w'或 Hunter Lab 色彩空间。

• 相关色温（CCT）：当某一种光源的色品与某一温度下的黑体的色品Z接近，或者说在均匀色品图上的色差距离Z小时黑体的温度。
• 显色指数（CRI）：光源显色性的度量。以被测光源下与参考光源下物体颜色的相符程度表示。
• 白度和色彩：基于目视感知而判断反射物体所能“显白的程度”，术语上称之为白度。与其他颜色一样，白色也是三维空间的量，大多数色觉正常的观察者可以将一定范围内的光反射比、色饱和度和主波长不同的白色，按其白度的高低排成一维的白度序列，从而进行定量的评价。
• 主波长和纯度：颜色的色品除用色品坐标表示外，CIE还推荐用主波长和纯度来表示。一种颜色S的主波长，指一种单色光刺激的波长，这种单色光刺激按一定比例与一种规定的无彩色刺激相加混合，能匹配出颜色S。这种无彩色刺激在色 品图上的位置称为白点。色纯度是指样品的颜色同主波长光谱色接近的程度。色 纯度有兴奋纯度和色度纯度两种表示法。

• 色品图：一个单位颜色的色品只决定于三原色的刺激值各自在R+G+B总量中的 相对比例，即色品坐标，以色品坐标表示的平面图称为色品图。

• 观测者视场的选择。2°和10°视场角：在色度学的研究中，CIE 1931 标准色度观察者的数据适用于2°视场的中央视觉观察条件(视场在 1°~4°范围内)，主要是中央凹锥状细胞起作用。10°视场角是为了适应大视场颜色测量的需要。1964 年，CIE 规定了一组 10°视场的“CIE 1964 补充标准色度观察者数据”。现有研究表明，人眼用于小视场观察颜色时，辨别颜色差异的能力较低。当观察视场从2°增大至10°时，颜色匹配的精度随之提高。但视场再进一步增大，颜色匹配精度就难以再提高了。

• 发光体的选择。物体的颜色与照明光源有密切关系，同一物体在不同的光源照明下会得到不同结果，为了统一颜色的评价标准和进行色度计算，CIE 推荐了标准照明体—由相对光谱功率分布来定义。包括：标准照明体 A、C、D65、D55、D75。自然光下，请选择 D65 发光体。下图分别以 10°视场角时，发光体A与发光体C为例。

1）移走参考样品，将被测样品置于相同的位置，保持软件的参数设置不变，开始数据测量。 

2）放置被测样品之后，用户可在上侧视图窗口查看被测样品光谱的实时测量曲线，而下侧视图窗口为反射率实时测量曲线。图谱窗口右侧为色品图。点击“以 表格形式查看结果”，即可查看全谱数据表，表中的数据可复制后粘贴到 Excel 或 txt。

3）点击“反射表”，可查看您在“Color Setup”窗口中勾选的颜色参数。表中的数据可复制后粘贴到 Excel 或txt。 

8. 数据保存

 : 单步采集光谱数据，单次采集后停止，点击运行，可继续采集。

: 暂停采集光谱数据，终结采集过程。 

2） 点击图标进行数据保存的设置，包括数据保存格式、路径、保存方式等。点击“应用”按钮确认配置，之后点击“退出”按钮关闭对话框。

3）点击启动设置，该按钮变红，表明保存工作正在进行。如果需要停止保存，请再次点击该按钮；

4）也可以点击按钮，将全谱数据保存到电脑剪贴板，然后将数据直接粘贴到Excel 或 txt。