色差儀作為光電積分式測色儀器，是利用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)光源照明被測物體，在整個可見光波長范圍內(nèi)進(jìn)行一次積分測量。因此，其光學(xué)系統(tǒng)是其重要的組成部分，而光源又是光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。本文對色差儀光學(xué)系統(tǒng)的組成及測試光源的要求做了介紹。

色差儀光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成：

一般來說，色差儀的光路系統(tǒng)主要由光源、透鏡、隔熱玻璃、導(dǎo)光筒、積分球和濾色片等幾個部分構(gòu)成，具體如下：

1.光源

光源首先考慮的是穩(wěn)定性，光源定向性，壽命以及最終獲得的光譜曲線的有效性。目前采用的多為鹵素石英鎢絲燈及氙燈兩種光源。

鎢燈是顏色測量儀器最常用的光源，它是一個內(nèi)充惰性氣體或者鹵素（防止鎢絲氧化和熱蒸發(fā)）的白熾燈泡。用鎢作燈絲材料是因為鎢具有足夠的強(qiáng)度，并能經(jīng)受高溫。經(jīng)測試在可見光區(qū)鎢燈的光譜曲線與黑體發(fā)射器光譜曲線幾乎完全重疊。隨著近年穩(wěn)壓電源和脈沖電源的發(fā)展，鎢燈能夠提供重復(fù)穩(wěn)定的，高色溫的光束，完全可以滿足外觀顏色測量對光源的需要。

氙燈是另一種常用于顏色測量儀器的光源。它是一個裝有一對電極的充滿氙氣的密封玻璃管。當(dāng)在電極上加上高電壓時，內(nèi)部氙氣就會受到激發(fā)瞬間產(chǎn)生弧光，這屬于一種充氣放電燈。氙燈的優(yōu)點在于譜線比白熾燈的譜線更接近于日光并且能量較高。但是氙燈光源需要比較復(fù)雜的高壓震蕩激發(fā)電路，維修亦非常復(fù)雜，在更換時，除了要更換燈泡外，還要更換整組電容，所以價格較貴。所以采用鹵素鎢燈（石英外殼）從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均是最適宜的。特別是便攜式儀器，需要輕巧，省電，便于維護(hù)和操作。

2.凸透鏡

作用是把光源發(fā)出的光變成均勻的“平行光”。但是實際上這是不可能的，因為我們的光源不是點光源，所以只能得到近似的平行光。

3.隔熱玻璃

因為光電探測器在紅外和紫外波段仍有響應(yīng)，這是不需要的，也是不希望的。它對實際測量結(jié)果有很大的影響，所以我們選擇在透鏡下方增加一塊隔熱玻璃，用來消除紫外和紅外部分。

4.導(dǎo)光筒

為了保證光線照射到待測樣品上時，光線與透鏡軸線的夾角不超過10°，需要把一些傾斜角較大的光線去處掉，這樣消除去雜散光。

5.積分球

積分球是用金屬做成一個內(nèi)部空心的球，球的內(nèi)表而均勻噴涂一層具有朗伯漫射特性的材料。該涂料還應(yīng)該光譜選擇性小、反射比高。積分球本質(zhì)上在于它具有混光特性。一束光進(jìn)入積分球后，經(jīng)多次漫反射，就形成一個理想的漫射源。

這樣就可以消除被測樣品的不均勻性和探測器件受光的不均勻性帶來的影響。

6.隔板

在積分球上半球和下半球之間安裝一個與積分球相同材質(zhì)的隔板，使光線形成漫反射，在積分球內(nèi)漫反射積分計算，以避免沒有經(jīng)過漫反射積分的光線直接到達(dá)探測器。

色差儀測試光源的要求：

在色差儀中，選擇什么樣的光源，首先考慮的是穩(wěn)定性，光源定向性，壽命以及最終獲得的光譜曲線的有效性。目前采用的多為鹵素石英鎢絲燈及氙燈兩種光源。

鎢燈是顏色測量儀器最常用的光源，它是一個內(nèi)充惰性氣體或者鹵素（防止鎢絲氧化和熱蒸發(fā)）的白熾燈泡。用鎢作燈絲材料是因為鎢具有足夠的強(qiáng)度，并能經(jīng)受高溫。經(jīng)測試在可見光區(qū)鎢燈的光譜曲線與黑體發(fā)射器光譜曲線幾乎完全重疊。隨著近年穩(wěn)壓電源和脈沖電源的發(fā)展，鎢燈能夠提供重復(fù)穩(wěn)定的，高色溫的光束，完全可以滿足外觀顏色測量對光源的需要。

氙燈是另一種常用于顏色測量儀器的光源。它是一個裝有一對電極的充滿氙氣的密封玻璃管。當(dāng)在電極上加上高電壓時，內(nèi)部氙氣就會受到激發(fā)瞬間產(chǎn)生弧光，這屬于一種充氣放電燈。氙燈的優(yōu)點在于譜線比白熾燈的譜線更接近于日光并且能量較高。但是氙燈光源需要比較復(fù)雜的高壓震蕩激發(fā)電路，維修亦非常復(fù)雜，在更換時，除了要更換燈泡外，還要更換整組電容，所以價格較貴。所以采用鹵素鎢燈（石英外殼）從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均是最適宜的。特別是便攜式儀器，需要輕巧，省電，便于維護(hù)和操作。

色差儀測試光源怎么選？

傳統(tǒng)的色差儀多采用鹵鎢燈或氙燈作為測試光源。鹵鎢燈是顏色測量中最常使用的可見光波段的光源。鹵鎢燈的高穩(wěn)定性使其非常適合于作為顏色測量的照明光源或輻射定標(biāo)光源。鹵鎢燈最重要的特點是它的輸出譜線非常平滑，無斷裂、尖峰或凹陷，如下圖所示。但是鹵鎢燈光譜分布在短波和紫外部分能量不足。這種情況會導(dǎo)致兩個問題：1.短波部分的測量信號信噪比較低，影響測量重復(fù)性。2.不能提供對熒光材料進(jìn)行測量時需要的紫外光譜能量。

另外，鹵鎢燈的功耗較高，使得儀器的工作時間相應(yīng)縮短。如果要在色差儀中應(yīng)用鹵鎢燈作為測試光源，應(yīng)針對以上做優(yōu)化考慮。氙燈光源在可見光和紫外的光譜范圍具有很好的光譜能量分布，如下圖所示。很多色差儀器都采用脈沖氙燈作為照明光源。但是，脈沖氙燈的功耗大、壽命相對低。

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，越來越多的儀器生產(chǎn)商采用LED作為便攜式色差儀的測量光源。LED光源壽命長、響應(yīng)快、功耗低，為了保證照明光源在可見光光譜范圍內(nèi)有充足的光譜分布，需要用多個LED光源組合成復(fù)合LED光源。儀器實際采用的LED復(fù)合光源如下圖所示，是采用多個LED組成的復(fù)合光源，保證在可見光范圍內(nèi)有充足的光譜分布。復(fù)合LED光源在實際使用中，由于其結(jié)溫變化，會使單個LED的發(fā)光強(qiáng)度和光譜分布發(fā)生改變。在進(jìn)行儀器設(shè)計時，需要在儀器結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計上進(jìn)行考慮以保證儀器重復(fù)性。

在分光顏色測量儀器的測量原理中，儀器首先測量出被測物體表面的光譜反射率，再通過光譜反射率計算出顏色數(shù)據(jù)。在儀器設(shè)計中，首先要保證照明光源在可見光范圍內(nèi)有充足的光譜分布，照射到被測樣品表面后，反射光進(jìn)入分光光路，之后以一定的光譜分辨率投射到陣列傳感器上。

色差儀光學(xué)系統(tǒng)積分球的作用：

色差儀中積分球作為一個理想的漫反射光源或勻光其來使用，目的是為了消除光源本身原因造成的出射光線不均勻或者帶有偏振方向。均勻的照射光線才能保證色差儀測里數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。積分球之所可以實現(xiàn)這種功能主要是因為入射光線在積分球內(nèi)部經(jīng)過多次均勻漫發(fā)射。

我們暫且把色差儀使用積分球定義為理想積分球，那么其內(nèi)壁的材料為理想漫反射材料，并且不考慮壁上開孔的影響，則積分球內(nèi)壁上每一個面元都有均勻輻照度，這也是為什么積分球可以作為理想漫反射光源或均勻光源器件被使用的原因。

在通常情況下，光學(xué)擴(kuò)散片在小心地使用狀況下，可以降低測里時偵測器因為入射光源分布不均勻或光束稍微偏移所造成誤差，從而提高測里的準(zhǔn)確度。但是對于色差儀這種精密儀器來說僅僅是擴(kuò)散片是完全不能滿足要求的所以積分器作為光學(xué)擴(kuò)散器被使用以使上述誤差變得更小。使用積分球測里光通里時，測里結(jié)果更可靠，因為積分球可以降低并排除因光線形狀、發(fā)射角度、偵測器相應(yīng)位置的不同所帶來的誤差。

在更高級的分光色差儀中積分球與分光器搭配使用，將積分球輸出的孔銜接與分光器的入射光柵前，以確保待測光源射入分光測色儀的角度相同，使測里精度再現(xiàn)性大幅提高。