[发明专利]面向染色工业过程的在线测色仪

说明书

技术领域

本发明涉及LED光源、光学技术、嵌入式系统以及机器视觉技术在色度测量方面的应用，尤其是一种工业生产染色过程中在线色彩的测量。

背景技术

色彩在工业上的用途相当广泛，除了油墨印刷、纸张染色之外，还有皮革、纺织品、金属烤漆等工业生产。既然各种基于色彩的商品希望以华丽的颜色吸引人们购买，为了保证标准样品的色彩与正在生产的商品色彩的一致性，在色彩测量方面自然就需要有一种科学的、在线的颜色测量方法。

颜色的测量方法主要有目视测色法、光电积分测色法和分光光度测色法三种方法。在国外目视测色法已逐渐被淘汰，目前主要是采用仪器的物理测色方法，但是这种仪器测量颜色的方法仍局限在离线的状态下进行颜色测量。

目前我国在油墨印刷、纸张染色、皮革、纺织品、金属烤漆等工业生产领域中普遍采用的是目视测色法，即通过操作人员的眼睛来区分染色物的色彩与标准样品的色彩的差别。这种目视测色法虽然测量方法简单，由于受到测色光和人对色彩的感知等方面的差异，使得被测物的色彩测量精度不高。为了提高测色精度，人们开发了一种比较测色仪，即罗维朋比色计，它是一种目视颜色测量仪器，利用减色法原理设计的目视色度计。它利用一系列的滤色片对白光加以吸收，通过滤色片后的光色与待测颜色进行比较测量。这种测量方法不适合于工业生产现场的在线色彩测量。

色彩的测量是被测物体受到光源照明后，经过自身的反射而形成人眼的色觉。物体表面的反射光度特性对照明光源的光谱功率分布进行调制而产生的，因此物体表面色的测量主要是测定物体色的光谱反射比。

光电积分法通过把探测器的光谱响应匹配成CIE标准色度观察者光谱三刺激值曲线，从而对探测器所接收到的来自被测颜色的光谱能量进行积分测量。该方法测量速度很快，并具有适当的测量精度。光电积分型测色仪器已广泛应用于颜色工业生产和控制过程中。

分光光度法通过测定物体的反射光谱功率分布，并由此计算出被测颜色在各种标准照明体下的三刺激值。这是一种精密的颜色测量方法，由此制成的仪器即为光谱光度计或分光光谱仪，成本较高。在纺织印染应用自动配色时，必须获得颜色样品的光谱分布或其本身的光度特性，因此应该采用分光光度法进行颜色测量。

利用分光光度法进行颜色测量的光谱光度计包括机械扫描和电子扫描两大类。机械扫描式分光光度仪一般采用卤钨灯照明。光电倍增管接收从单色仪射出的各波长辐射能量，精度高，但速度慢。比较典型的有美国的HardySpectrophotometer及其发展型Diano MatchScan等。随着半导体技术的进步，高性能的图像传感器不断开发，出现了采用闪光氖灯和自扫描光电二极管阵列为照明光源和探测器的电子扫描式光谱光度计，测量速度很快。其代表是美国MacBeth的MS系列和CE(Color Eye)系列。因工业的需求，近年来出现了基于半导体集成和光纤技术的最新产品，其代表是瑞土和美国的Datacolor SF系列光谱光度仪，它采用MC-90光电单元，将光栅和双128像元列阵传感器集成在一起，配合光纤使用.使其光谱测量通道由通常的40个增加到128个，显著提高了波长分辨率，并具有很高的测色精度。

以下我们将上述几种颜色测量仪器特性整理如下：1)色度计：用于量测光刺激的CIE三刺激值的仪器；2)分光计：用于测量以波长为函数的特定光学性能的仪器；3)光谱光度计：用于测量光谱反射率或穿透率的光度计；4)光谱辐射计：用于测量光谱辐亮度或辐辐照度的辐射计。面向工业生产染色过程中在线色彩的测量属于色度计的范畴。

实现面向工业生产染色过程中在线色彩的测量需要解决几个关键技术：1)超长寿命、性价比高的标准照明光源；2)性价比高的摄像设备；3)进行颜色测量和配色计算的嵌入式系统软硬件。

LEDs其发光效率高、环保、易驱动的特点使其已成为新一代固态照明系统最有潜力的光源之一，采用白光LEDs为原始光源，以D65标准光为目标，设计与其相对应的滤光片并镀膜，为颜色测量提供一个更真实、更值得信赖的标准照明光源。

目前市场上销售的CCD和CMOS摄像头平均寿命已经达到10万小时以上，而且CMOS的摄像头的价格非常低廉、能耗极低，完全满足在线色彩的测量所需性价比高的摄像设备要求。

嵌入式系统技术在近年来得到了飞速的发展，由于其可靠性高、体积小、能耗低、功能强，特别适用于计算机在线测量与控制领域。

发明内容