发布时间：2022-10-11
摘要：分光式色度仪是颜色测量中最基本的仪器，由于它能够给出色源的光谱功率分布，可以使我们获得色源光学特性的详细而全面的基本信息，在色度学的应用中具有重要的意义。本文首先介绍了色度仪的基本原理和分类，然后重点介绍了分光式色度仪需要校准的原因（主要目的是消除四类误差：波长标定误差，光电探测器阵列误差，非线性误差，杂散光导致的误差），为需要精准颜色测量的工业应用提供了重要的参考。
准确的颜色测量在工业应用中是非常重要的，例如在染料和染色工业，摄影摄像，平板显示等多个领域，都需要精准的颜色测量才能让消费者满意。但是颜色是一个心理物理量，人们对于颜色的感知是通过人眼接收物体反射或透射的光信号来认识的。人眼对于物体表面光谱特性相同的物体通常并不一定有相同的颜色主观感觉，这就需要客观的颜色测量设备来实现颜色的精准测量，色度仪就是我们最常见的颜色测量的物理测试设备。
按照测试原理的不同，我们将色度仪主要分为两种： 一种是采用滤光片法的色度仪，即采用光电二极管加上滤光片，把光电二极管的响应曲线修正为与人眼的三刺激值响应曲线接近，用探测器来模拟人眼，基本原理如图一所示。 滤光片法的优点在于测试速度快，但是由于滤光片光谱透过率不可能和CIE标准曲线一致，因此一定会存在不小的误差，而且这种误差会随着待测样品和环境而变化。
图一
另一种方法是采用分光光谱法的色度仪，它是把从色源发射的光首先色散成单色光，然后在可见光光谱范围内均匀选取大量波长点测量一定波长间隔内的光通量，从而得到光谱的能量分布，最后通过计算得到待测色的三刺激值。 基本原理如图二所示。
图二
分光式色度仪是颜色测量中最基本的仪器，由于它能够给出色源的光谱功率分布，可以使我们获得色源光学特性的详细而全面的基本信息，在色度学的应用中具有重要的意义。要实现高精度的颜色测量，或对采用滤光片法的色度仪进行定标，或建立色度标准，都必须借助于分光光谱法的色度仪。另外，通过分光色度仪获得的光源光谱功率分布也可以求得光源的色温或者显示指数，这是一部分应用需要获得的重要参数。
分光式色度仪的结构主要由两部分功能组成，一个是单色仪，主要是将光源发出的复色光色散成单色光，另一个是探测器，对单色光进行定量测量。按照扫描方式的不同可以分为机械扫描式分光色度仪和电子扫描式分光色度仪。机械扫描式是通过单色仪的机械扫描来完成光谱测量，测量速度慢，工作效率低，目前已不适合在工业生产中使用。电子扫描式采用光电探测器阵列来实现多通道快速测量，是目前主流分光色度仪采用的技术方法。光电探测器阵列的发展是随着光电探测半导体技术的不断发展而产生的，目前主要是三种传感器件，包括CCD（电荷耦合器件）；SPD（自扫描光电二极管阵列）；CID（电荷注入器件）。其中CCD 和 SPD 在电子扫描式分光色度仪中均有使用，而SPD（Self-scanning Photodiode Array ）是使用的最普遍的分光色度仪光电探测器阵列。
SPD（自扫描光电二极管阵列）可以直接安装在分光色散系统的出射狭缝处，如图三所示。全部单色光谱辐射都同时从出射狭缝射出，射到自扫描光电二极管阵列上，光电探测器阵列同时获得了整个光谱能量的分布信息，实现了对样品颜色的快速精准测量。
图三
分光式色度仪对颜色的精准测量是基于可靠有效的校准之上的，校准消除了分光式色度仪中的多种误差，保证了颜色测量的精度，这里主要对分光式色度仪中的波长标定误差，光电探测器阵列误差，非线性误差和杂散光导致的误差做进一步详细的探讨。
1） 波长标定误差
经分光系统分出的单色光在光谱面上呈线性位置排列，自扫描光电二极管阵列就用来接受各个单色光。我们以16位自扫描硅光二极管阵列为例，简要介绍其工作原理和波长标定的概念。
自扫描硅光二极管的结构层次如图四所示，在一块厚度在1/3毫米的单晶硅片上，通过掺杂质形成p+ 和 n+ 区，中间是n 区，在介面形成PN结，又在p+区上面热生成一层二氧化硅的透明绝缘薄膜作为保护膜。当光线射到PN结，光子激发电子-空穴对，在电路上产生光电流。
图四（引自马志栋. 动态分光测色仪硬件系统的研制[D]）
光电探测器阵列对光辐射的反应都会存在波长的选择性，光谱响应度就是指光电探测器阵列对不同波长光的响应度。光谱响应度的大小直接关系到输出电流的大小，进而影响测量值的大小。所以使用线阵的光电探测器阵列来采集单色光信号存在一个波长标定问题。即如何确定哪个象元所采集得到的光信号对应于哪个波长的单色光。一般来说，分光色度仪校准的第一步就是将光电探测器阵列位置映射到绝对波长。我们经常使用氦源作为波长的校准基准，因为氦源以非常精确的众所周知的波长可以为我们提供可靠的波长定标。
2） 光电探测器阵列误差
光电探测器阵列都存在一定的噪声，这是一种杂乱无章，无规则起伏的输出。一般来说，噪声信号对时间的平均值为0，但是其均方根的值却不为0 ，因此我们将这个信号的均方根值称为光电探测器阵列的噪声信号。 这就需要我们在校准的时候，为光电探测器阵列建立光谱校正因子。通过将已知光谱强度与测量值进行比较，为探测器阵列建立光谱校正因子，用于确保在测量未知样品时，测量后返回的光谱是经过了校正因子后的准确测量值。 校准时要使用可追溯的标准计量局认可的标准光谱辐射源（比如NIST 校准源），进行多次测量并取平均值，以确保最佳信噪比。
3） 非线性误差
光度的线性是指仪器的光度测量系统对于照射到探测器上的光辐射功率与系统的测定值之间符合线性关系的程度。光度的线性越好，表示光度的测量准确性越高，也就是表明仪器能按准确的比例反应入射辐射的变化。由于分光光度计中探测器阵列，电子线路等硬件系统非线性因素的影响，整个系统的光度线性必须加以校准，才能获得准确的测量值。
我们以光电探测器存在的暗电流为例，解释线性校正对精确测量的重要作用。光电探测器普遍存在暗电流，即没有光照射时，测色系统仍旧有信号输出。通过消除暗电流的影响，可以将系统输出曲线逼近我们需要的直线。如图五所示：将原本的非线性响应曲线L通过校准修正得到线性的响应曲线OA。显著提升系统的测量精度。
图五（引自马志栋. 动态分光测色仪硬件系统的研制[D]）
4） 杂散光导致的误差
杂散光是指被掺杂到被测主光束中的其他光束或者掺杂到测量谱带内其他波长的辐射。杂散光的出现主要是由于光路中的光学元件以及光路侧旁的障碍物引起的光的反射或者折射造成的。分光器件中不同干涉级光谱的重叠也是杂散光的重要起因。为了减少杂散光的影响，我们一般可以采用以下几种方法：a）设置光阑，合理设置光阑的结构可以避免光阑散射，有效减少主光束的杂散光的影响。b）仪器内部空间涂黑，黑色围蔽吸收光的能力强，反射比很低，杂散越小。c）加载截止滤光片。光栅等分光元件由于存在不同级次光谱的重叠，造成在测光带内可能存在杂散光。可以采用加载截止滤光片的方法滤去残余光谱。
控制杂散光的影响是分光式色度仪校准的重要内容，通过校准中的杂散光测试来确定被测波长以外的杂散光的能量贡献。
分光式色度仪是颜色测量中最基本的仪器，可以给大量的工业应用提供高精度的颜色测量。同时因为需要消除各种误差（本文重点探讨了波长标定误差，光电探测器阵列误差，非线性误差，杂散光导致的误差），就必须要有定期的校准才能保证设备达到颜色测量的高精度。长时间未校准的色度仪有可能存在测量精度的下降，测试结果偏移的问题，给我们的各种工业应用造成显著影响。
一般来说，正常使用分光式色度仪需要一年左右时间校准一次，如果发现测量结果有明显偏移或者异常，就需要立即给色度仪进行年度的校准。分光式色度仪的校准是专业化很强的技术工作，不仅需要符合标准计量局认可的校准环境（例如NIST 认可的校准光源和仪器），同时需要受过专业训练的技术人员按照标准校准规则和利用校准软件来实现有效的校准。
美国Photo Research 是Novanta集团中Jadak公司旗下的著名分光光谱式色度仪厂商，有着悠久的历史和雄厚的技术实力。Photo Research专注于分光式色度仪的研发和生产，拥有PR-6系列色度仪（如图六），PR-7系列色度仪（如图七）和V-7HS系列色度仪（如图八）。为全球大量的工业，商业，科学研究部门的客户提供了可靠精准的颜色测量设备，是分光光谱式色度仪的全球标杆性企业。
图七： PR788分光式光谱色度仪 图八：V-7HS分光式光谱色度仪
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