精确测定颜色的小型光谱计的制作方法
专利名称：精确测定颜色的小型光谱计的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及光谱测量系统。更具体地，本发明的实施方案可以用于构造一种新型的小型光谱测量设备，例如手持式颜色测量设备。
背景技术：
在生产、使用和销售染料、墨水、涂料和其他颜色制品的许多工业或者商业中需要光谱(或者颜色)测量。颜色测量也越来越多地涉及消费产品。例如，许多用在实验室或者家庭中进行化学或者生物化学分析的测试产品利用颜色显示测试结果，通过肉眼或者颜色测量设备进行评估。许多应用都期待小型化(例如手持)、测定精确并且成本低的光谱(或者颜色)测量设备。
传统的光谱测量设备使用衍射光栅和相关的光学部件来检测被测试对象的频谱响应(或者颜色)。因此，这样的设备特别昂贵并体积较大，使得其不适宜作为消费产品。虽然近些年来已经可以获得相对便宜且重量较轻的颜色测量设备，这种颜色测量设备利用发光二极管(LED)作为光源并使用光学传感器进行检测，但是这些设备有许多局限性，最突出的是其颜色测定的精确性并不能令人满意。
鉴于前面所述，本领域因此需要能够克服前述局限性的光谱测量设备。
发明内容
本发明的实施方案涉及光谱测量系统。
在一个实施方案中，一种光谱测量设备包括至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个线性独立光源，其特征是在预定波长范围内的M(M≥2)个波长通道内；包含至少一个光学传感器的传感器单元，用于与至少一个发射源和测试对象光学连通；储存光源特征矩阵的存储器，光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和处理器，其至少部分基于光源特征矩阵，提供测试对象在M个波长通道上的频谱响应。
上述及其他的实施方案不是限制或者限定本发明，而是提供本发明实施方案的实施例来帮助理解本发明。在具体实施方式
中将详述实施方案并进一步描述本发明。通过查阅说明书，将进一步理解本发明各种实施方案的优点。
附图简要说明当结合附图阅读下面的具体实施方式
时，会更好地理解本发明的这些和其他的特征、方面和优点。
图1A-1B是根据本发明的一个实施方案的光谱计的两个透视图；图2A-2B是根据本发明的一个实施方案的反射构造中的一个光学组件的两个透视图；图3是根据本发明的一个实施方案的透射构造中的光学组件的透视图；图4是根据本发明的一个实施方案，测量由8个LED构成的8个光源得到的发射光谱曲线；图5是用本发明的光谱计测量出的几个颜色试样的反射光谱曲线；和图6是用本发明的光谱计测量出的几个颜色试样的光谱曲线的分离。
具体实施例方式
下述的实施方案和附图是通过举例说明本发明的一些基本原理，不应以任何方式被用来限制本发明的范围。本领域技术人员还会认识到，可以据此做出各种变化和变型而不脱离本发明的原理和范围。
图1A-1B描述了根据本发明的一个实施方案的光谱测量设备(在此称作“光谱计”)100的两个透视图。如图1A的侧视图所示，光谱计100包括光学组件110、包含处理器122和存储器124的电路板120、电源130(例如一或多个电池)、电源开关135、光圈140和任选的紧邻光圈140的试样托架150。如图1B的顶视图所示，光谱计100还可以包括显示板160；和多个用户界面元件170，包含一或多个定位键172和执行键174。
在图1A-1B的实施方案中，光圈140与光学组件110光学连通(如下进一步的说明)。试样托架150被设计为能够安置一个测试对象(或者试样)，并使其通过光圈140与光学组件110保持必要的光学连通。作为举例，图1A中所示的试样托架150具有“开放”结构。在其它实施方案中，试样托架150也可以形成“封闭”结构，例如为其中包含的试样提供一个暗箱。此外，可以设计成使试样托架150可移除或者可拆卸。在某些情形下，测量也可以在没有试样托架的帮助下进行，例如，将试样直接接触光圈140。
图2A-2B示出了根据本发明一个实施方案的反射构造中的光学组件200的侧视图和顶视图。光学组件200可以用作图1A的光学组件110的一个实施方案。光学组件200包括包含多个LED 220的光源；多个LED通道230，每一个通道与一个或者多个LED相连；包含一个或者多个光学传感器的传感器单元240；传感器通道250；光圈260(可做为图1A的光圈140)；和试样口270。作为举例说明不同构件如何配置的实施例，还示出了试样280。在一个实施方案中，光学组件200可以置于容纳其组成元件的注塑件210上，如图2A所示。注塑件210例如可由例如塑料或者其他具有足够低的热膨胀系数的合适材料制成。在另一个实施方案中，LED通道230和/或传感器通道250可由例如一个或者多个由合适材料(例如铝、铬、塑料等)制成的圆柱形结构(例如管子)来实现。
在一个实施方案中，每一个LED通道230相对于试样口270的法线方向272成45度角。每一个LED 220被设置于一个LED通道230中并对准试样280。试样280与试样口270紧密接触，这样周围光线极少能够进入光圈260。LED通道230可以具有反射性的内表面，以便提高通道内的漫反射系数。在一个实施方案中，例如可以化学活化LED通道的内表面以允许沉积金属层(例如铬)。所述金属层的沉积可用电化学过程(例如电镀)完成。同样的，LED220的发射光被限定于各自的LED通道230中并投射到试样280上。LED发射光的部分在经过LED通道230中的一次或者多次表面反射之后到达试样280。这样的反射有助于提高LED的照明效率并在试样上提供均匀照明。
传感器通道250设置为与光圈260对齐。传感器单元240可设置在传感器通道250之内并通过光圈260与试样280直接光学连通。传感器通道250的表面和光圈260的周围可以被处理得使光反射成最小(例如通过施加一种抗反射涂层)。
LED 220可包括多种不同类型和/或不同频谱特性的LED。在一些实施方案中，不同LED可通过以适当的方式改变一或多种LED的频谱特性而得到，例如应用一或多个光学滤波器，和/或通过改变工作电流。这样，能够由至少一种LED有效地构造出多种LED。如下进一步描述，可以选择LED 220以使LED 220的组合发射光谱覆盖特定的相关波长范围。在一个实施方案中，LED 220与传感器单元240一起，可与图1A中的电路板120连通并被其控制。
在测量过程中，试样280被LED 220照亮。试样280反射的光被传感器单元240检测。传感器单元240将其所检测到光学信号转换成相应的电信号，所述相应的电信号在一个实施例中可以与试样280在LED 220的照明下反射的光线的强度相关。传感器单元240输出电信号到例如图1A的电路板120。测量结果可通过一个或者多个数字读数和/或图表显示来表示，例如，显示在图1B的显示板160上。
图3描述的是根据本发明一个实施方案的透射构造中的光学组件300的侧透视图。光学组件300可以用于选择实现例如图1A-1B中的光学组件110。光学组件300同样地构造在一个注塑件310之上。在这个实施方案中，多个LED320可被以与例如图2A-2B中所示的相同方式分别设置于LED通道330内。LED320发射的光被透镜340变为平行光，随后通过光圈350，然后入射到试样托架370上的试样360上。包括一个或者多个光学传感器的传感器单元380被设置于试样托架370的透射侧，以检测试样360透射的光线。在一个实施方案中，LED320与传感器单元380一起，可与图1A的电路板120连通并被其控制。
作为举例来说明本发明的某些基本原理，下面的描述是关于以反射构造(例如具有如图2A-2B中所示的光学组件)工作的光谱计。可以理解，本发明的原理和因此获得的结果也可被应用到其他以透射构造(例如具有如图3中所示的光学组件)工作的光谱计上。
LED的发射强度可以示作以特征中心波长为峰值的光谱曲线。当试样被单个LED照明时，收集了来自试样的反射(或者透射)光的传感器的输出包含三个主要部分1)试样的频谱特性；2)LED的发射光谱曲线；和3)传感器的频谱响应函数。
当试样被多个LED照明时，一个完整的试样测量可由在LED构成的多个线性独立光源下完成的测量序列组成。在一个实施方案中，例如，N(例如，N≥2)个线性独立光源由N个LED(可以使用市售产品)的多种组合构成。试样被如此产生的N个线性独立光源有效地照明，一个完整的试样测量则会收集到N个测量值。将相关波长范围划分为N个波长通道(例如，每一个波长通道对应一个特定的颜色)，试样在N个波长通道上的反射值(或者透射值)可以从N个测量中被确定，如下进一步的描述。
在一个实施方案中，本发明的光谱计的特征化可以通过使用参照物进行(例如在工厂进行)，由此得到N个光源的发射光谱曲线。例如，特征化可以使用白标定色样(或者积光球，例如具有足够高的漫反射系数的内表面的中空球)作为参照物、用具有适当分辨率的外部光谱分析仪(例如光谱仪或分光计)和外部计算设备(例如计算机)来进行。
在特征化过程的一个实施方案中，白标定色样依次被N个线性独立光源照明，所述线性独立光源由用在相关光谱计中的N个LED组成。从白标定色样表面反射的光被外部光谱分析仪测量，并且每一个光源的发射光谱曲线都被记录。作为示例，图4示出了测量含8个独立光源的系统得到的发射光谱曲线，覆盖了大约从400nm到700nm的波长范围。在这个实施例中，8个线性独立光源由8个LED(例如，通过使用从中选出的一或者多种LED的各种组合)组成。为了说明和清楚起见，图4中的发射光谱曲线由交替的实线和虚线示出。
被测量出的独立光源的发射光谱曲线可被用于构建“发光体特征矩阵”(或者“光源特征矩阵”)，所述“光源特征矩阵”可被储存在光谱计中(例如，在图1A的存储器124中)。下面将提供一个关于光源特征矩阵如何计算的实施方案。
假设有N个LED使用于光谱计中。将这些LED所覆盖的波长范围分成N个波长通道，每一个波长通道占据一个从λj-1到λj(λj＞λj-1，j＝1，2，...，N)的波长范围。波长通道可以具有不等的宽度。
在第j个波长通道上的第i个光源的平均强度可表示为
Iij=1λj-λj-1·∫λj-1λjIi(λ)dλ;i=1,2,···,N;j=1,2,···,N.---Eq.(1)]]>其中，Ii(λ)是通过外部光谱分析仪测量出的第i个光源的反射光谱曲线。对N个波长通道和N个光源完成上面的计算可构成一个N×N的矩阵 此矩阵的逆矩阵，在此称为“发光体特征矩阵”(或者“光源特征矩阵”)，可被表示为J↔=I↔-1=[Iij]-1---Eq.(2)]]>上面的计算可以由外部计算机实现。由此所得的光源特征矩阵 被储存在光谱计中。
为了得到一个试样在N个相关波长通道上的反射值(或者透射值)，需要标定光谱计，例如，通过使用一个或者多个“标定试样”。在一个实施方案中，基本白(或者“亮”)标定色样和基本黑(或者“暗”)标定色样可作为标定试样。在可选择的实施方案中，单一的白(或者“亮”)标定色样也可用于标定。标定程序可在工厂里完成，由此获得标定数据被储存在光谱计中。标定程序也可以由用户完成，例如，在作测量之前或者任何需要的时候。
下面考虑涉及白和黑标定试样的标定程序。光谱计在每一个标定试样上完成了一系列的测量。可以包括例如N个“黑色标定读数”和N个“白色标定读数”的测量数据可由下面公式表示V→B=VB1VB2···VBN]]>和V→W=VW1VW2···VWN,---Eq.(3)]]>其中，下标“B”和“W”分别代表黑试样和白试样。公式(3)的标定数据，结合公式(2)的光源特征矩阵，被用于确定在各自相关波长通道上的试样的反射值，如下所进一步描述。
在随后的测量中(例如，用户实施的测量)，在第i个光源下的传感器单元的读数可表示为
Vi=A·Σj=1NIij·Rj·Gj+VBi;i=1,2,···,N,---Eq.(4)]]>其中A代表一个与设备相关的常数，Rj代表试样在第j个波长通道上的平均反射值(或者透射值)，Gj是在第j个波长通道上传感器单元的平均敏感度，VBi是在第i个光源(其中还可包括周围环境的贡献)下的黑色标定读数，Iij是在第j个波长通道上第i个光源的平均强度。
公式(4)能够用一个N×N的线性系统表示V→=F→·I↔+V→B---Eq.(5)]]>其中V→=V1V2...VN,F→=AG1R1AG2R2...AGNRN,]]>和 公式(5)可进一步表示为F→=I↔-1·(V→-V→B)=J↔·(V→-V→B)---Eq.(7)]]>其中 是公式(2)中的光源特征矩阵 公式(7)可以写作AGiRi=Σj=1NJij·(Vj-VBj);i=1,2,···,N.---Eq.(9)]]>在通常的实践中，试样的反射值可根据白标定试样的反射值被归一化。为了简化，在每一个相关波长通道上白标定试样的反射值被定义为一个单位(或者“1”)。这样，当被测量的试样是白标定色样时，公式(9)变成AGi=Σj=1NJij·(VWj-VBj);i=1,2,···,N,---Eq.(10)]]>
其中VWj在上面的公式(3)中示出。
合并上面的公式(9)和公式(10)，在每一个波长通道上试样的反射值可表示为Ri=Σj=1NJij·(Vj-VBj)Σj=1NJij·(VWj-VBj),i=1,2,···,N.---Eq.(11)]]>上面所示是关于一个实施方案的描述，在所述实施方案中构建了N个线性独立光源和N个波长通道。在可选实施方案中，也可以使用N个光源和M(M≥2)个波长通道。在这样的情况下，例如，可以在M≤N时使用标准最小二乘法而在M≥N时使用单值矩阵分解(SVD)法来计算公式(2)或者公式(8)中的光源特征矩阵，并将获得M×N的维数。因此，公式(11)中反射率将具有M个组成部分。但是，本领域技术人员可以认识到，这些计算方法基本对等。
作为示例，图5示出了由本发明的光谱计测量出的四个测试试样的反射光谱曲线，所述光谱计使用了如图4中所示的8个光源(也就是，N＝8)和16个波长通道(也就是M＝16)。四个检测试样是从本技术领域中已知的PANTON标准试样中选出，分别是331U、332U、333U和PANTON Green。本领域技术人员可以鉴定图5中显示的反射光谱曲线的质量。
本发明的光谱计可以进一步通过其频谱特性区分颜色。作为示例，图6表示测量7个已知的PANTON褐色标准试样得到的反射光谱曲线，所述7个已知的PANTON褐色标准试样分别是462U、463U、464U、465U、466U、467U、468U。众所周知，这些颜色之间的差别极小以至于在视觉上难以区分。但是，在使用本发明的光谱计测量出的这些颜色的反射曲线中它们被清楚地区分开来。
上面的描述和分析是关于以反射构造工作的光谱计。当光谱计以透射构造工作时，它需要用一个透明试样来标定。根据上面以反射构造工作的情形得到的公式，公式(3)中的组成部分 和 应该分别由零和透明标定试样得到的读数来替换。用上述的新值替换公式(11)中的 和 Ri，i＝1，2，...，N，即成为试样在N个波长通道上的透射光谱值。
在一个实施方案中，本发明的光谱计可被预载(例如在工厂内或者由用户)各种标准数据表(例如在图1A的存储器124中)，例如本技术领域已知的CIE 1964标准观察者数值表和D65光源表。这样，光谱计还可以从测量的光谱曲线中提供三基色值，或者任何标准颜色坐标(例如CIELab)。
在一个实施方案中，光谱计可用于测量、确定、和记录作为“目标”的一个试样的颜色坐标。当在另一个试样上做新的测量时，基于新计算的颜色坐标和目标的颜色坐标，光谱计可以提供色差，例如CIELab或者CMC颜色坐标的色差。
在一个实施方案中，光谱计可用于执行和记录一个或者多个“参照”试样的测量，每个测量根据预定方案(例如通过构建一个合适的模型)对应一个数字值(或者其他非数字表示)。当测量一个新(或者未知)试样时，光谱计就能够基于储存的参照数据求出新测量所对应的值，例如，基于模型得出未知试样的数字值或者非数字表示。
在一个实施方案中，光谱计还可以包括一个内部时钟(或者计时器)，例如，在进行测量时提供时间和日期。本发明的光谱计可以不同形式显示和储存其测量，所述不同形式指反射值(或者透射值)、光谱三基色值、标准颜色坐标、标准色差、数字测试值或者其他非数字测试表示法。本发明的光谱计还进一步允许用户选择显示测量结果的特定形式，或者以不同的形式观察测量结果，包括(但不限于)时间顺序形式。
返回到图1A-1B。处理器122可以包括，例如数字逻辑处理器，特定用途集成电路(ASIC)，或者任何其他的能够处理输入数据、执行算法并且按照需要的形式产生输出数据的设备。存储器124可以是处理器122中内含的(或者内置的)存储器，储存(例如在固件中)公式(8)的光源特征矩阵、公式(3)的标定数据以及实现各种测量和计算的指令和算法。存储器124也可以在处理器122的外部，提供附加的内存(例如用于存储预载数据和其他相关信息)。电路板120可进一步配备有数据传输功能，以便用户可以下载或者上载信息，将测量结果保存到其他设备上，例如用户的家庭电脑，和/或对收集到数据进行附加分析。传感器单元240可包括一个或者多个具有不同频谱响应函数的传感器。传感器单元240还可以由图像传感器阵列(例如CCD，)提供。
本领域技术人员可以理解，如上所述，通过使用LED并构建光源特征矩阵，本发明的光谱计提供了精确的颜色确定和小型化结构，因此适用于各种消费者的和工业应用。例如，本发明的光谱计可被设计成手持式检测器，用于做各种实验室以及消费者家中的生物化学分析。这些应用包括(但不限于)核酸、蛋白和抗体的定量分析，常规健康诊断和监测比如尿检和其他体液检测，食物添加剂和杂质及污染物分析，法检等等。本发明的光谱计还可以设计成手持式颜色测量设备，例如为涂料、墨水、染料、化妆品和其他颜色相关产品(例如pH试纸和SND棒)提供定量和方便的测量。
上面给出的实施例是在可见波长范围内。但是，这不应该以任何方式解释为对本发明范围的限制。本发明的原理也可以用于构建在其他波长范围内工作的光谱计，例如红外线波长范围或者紫外线波长范围。在一个实施方案中，多个发射源(例如LED)可以具有重叠的光谱，并且因而形成的波长通道可以在一个特定的波长范围内是连续的。在其他的实施方案中，发射源(例如LED)可以具有不连续的光谱，并且因而形成的波长通道也可以在一个特定的波长范围内是不连续的。本发明的原理和结果(例如上面的公式(1)-(11))依然适用于这些情形。
前面描述了本发明的实施方案，其目的仅在于举例说明和描述，不应该理解为是穷举或将本发明限制为公开的严格形式。本领域技术人员可以对其进行多种变型和改进而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种仪器，包括至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个独立光源，其特征是在预定波长范围内的M(M≥2)个波长通道内；包含至少一个光学传感器的传感器单元，所述传感器单元用于与至少一个发射源和试样光学连通；储存光源特征矩阵的存储器，所述光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和与传感器单元和存储器连通的处理器，所述处理器至少部分基于光源特征矩阵，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
2.如权利要求1所述的仪器，其中存储器还包括与在预定波长范围内的基本白标定色样相关的标定数据，处理器至少部分基于光源特征矩阵和标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
3.如权利要求1所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的反射值。
4.如权利要求1所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的透射值。
5.如权利要求1所述的仪器，其中M等于N。
6.如权利要求1所述的仪器，其中存储器还包括执行标定的程序代码，所述标定与至少一个在预定波长范围内的标定试样相关。
7.如权利要求1所述的仪器，其中所述至少一个发射源包括至少一个发光二极管(LED)。
8.如权利要求1所述的仪器，其中传感器单元包括至少一个光电二极管。
9.如权利要求1所述的仪器，其中传感器单元包括电荷耦合器件(CCD)阵列。
10.如权利要求1所述的仪器，其中处理器还用于使与试样的频谱响应相关的图像显示在显示板上。
11.如权利要求1所述的仪器，还包括至少一个用户界面部件。
12.如权利要求1所述的仪器，还包括与处理器连通的数据传输装置。
13.一种仪器，包括试样；至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个独立光源，其特征是在预定波长范围内的M(M≥2)个波长通道内；包含至少一个光学传感器的传感器单元，所述传感器单元用于与发射源和试样光学连通；储存光源特征矩阵的存储器，所述光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和与传感器单元和存储器连通的处理器，其至少部分基于光源特征矩阵，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
14.如权利要求13所述的仪器，其中存储器还包括与在预定波长范围内的基本白标定色样相关的标定数据，以及处理器，其至少部分基于光源特征矩阵和标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
15.如权利要求14所述的仪器，其中存储器还包括与在预定波长范围内的基本黑标定色样相关的标定数据，以及处理器，其至少部分基于光源特征矩阵、与基本白标定色样相关的标定数据和与基本黑标定色样相关的标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
16.如权利要求13所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的反射值。
17.如权利要求13所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的透射值。
18.如权利要求13所述的仪器，其中存储器还包括执行标定的程序代码，所述标定与至少一个在预定波长范围内的标定试样相关。
19.如权利要求13所述的仪器，还包括参考数据表，参考数据表包含多个参考试样的频谱响应以及与参考试样相关的颜色特性。
20.如权利要求19所述的仪器，其中处理器至少部分基于试样的频谱响应和参考数据表，按预定方案提供试样的颜色特性。
21.如权利要求13所述的仪器，其中至少一个发射源包括至少一个发光二极管(LED)。
22.如权利要求13所述的仪器，其中处理器还用于将与试样的频谱响应相关的图像显示在显示板上。
23.如权利要求13所述的仪器，还包括至少一个用户界面部件。
24.如权利要求13所述的仪器，其中存储器还包括至少一个用于确定颜色坐标的标准数据表。
25.如权利要求24所述的仪器，其中处理器还用于提供试样的标准颜色坐标。
26.如权利要求13所述的仪器，还包括与处理器连通的数据传输装置。
27.一种方法，包括设计至少一个发射源，来提供N(N≥2)个独立光源，其特征在预定波长范围内的M(M≥N)个波长通道内被确定；提供包括至少一个光学传感器的传感器单元，所述传感器单元与发射源和试样光学连通；将光源特征矩阵储存在存储器中，所述光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和提供与传感器单元和存储器连通的处理器，所述处理器至少部分基于光源特征矩阵，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
28.如权利要求27所述的方法，还包括将与预定波长范围内的基本白标定色样相关的标定数据储存在存储器中，处理器至少部分基于光源特征矩阵和标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
29.如权利要求27所述的方法，还包括提供与处理器连通的显示板。
30.如权利要求27所述的方法，还包括提供至少一个用户界面部件。
全文摘要
本发明提供了光谱测量系统和方法。在一个实施方案中，光谱测量设备(100)包括至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个线性独立光源(220)，其特征是在预定波长范围内的M(M≥N)个波长通道内；包含至少一个传感器的传感器单元(240)，用于与发射源(220)和测试对象(280)光学连通；用于储存光源特征矩阵的存储器(124)，光源特征矩阵包括N个光源(220)在M个波长通道上的频谱特性；以及处理器(122)，其至少部分基于光源特征矩阵，提供在M个波长通道上测量对象的频谱响应。本发明的实施方案可用于构建一种新型的小型化光谱测量设备，例如手持式颜色测量设备。
文档编号G01J3/02GK1886640SQ200480034089
公开日2006年12月27日 申请日期2004年11月9日 优先权日2003年11月18日
发明者何帆, 之浩林, 约姚 申请人:傲得安姆技术有限公司
技术领域：
本发明总体涉及光谱测量系统。更具体地，本发明的实施方案可以用于构造一种新型的小型光谱测量设备，例如手持式颜色测量设备。
背景技术：
在生产、使用和销售染料、墨水、涂料和其他颜色制品的许多工业或者商业中需要光谱(或者颜色)测量。颜色测量也越来越多地涉及消费产品。例如，许多用在实验室或者家庭中进行化学或者生物化学分析的测试产品利用颜色显示测试结果，通过肉眼或者颜色测量设备进行评估。许多应用都期待小型化(例如手持)、测定精确并且成本低的光谱(或者颜色)测量设备。
传统的光谱测量设备使用衍射光栅和相关的光学部件来检测被测试对象的频谱响应(或者颜色)。因此，这样的设备特别昂贵并体积较大，使得其不适宜作为消费产品。虽然近些年来已经可以获得相对便宜且重量较轻的颜色测量设备，这种颜色测量设备利用发光二极管(LED)作为光源并使用光学传感器进行检测，但是这些设备有许多局限性，最突出的是其颜色测定的精确性并不能令人满意。
鉴于前面所述，本领域因此需要能够克服前述局限性的光谱测量设备。
发明内容
本发明的实施方案涉及光谱测量系统。
在一个实施方案中，一种光谱测量设备包括至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个线性独立光源，其特征是在预定波长范围内的M(M≥2)个波长通道内；包含至少一个光学传感器的传感器单元，用于与至少一个发射源和测试对象光学连通；储存光源特征矩阵的存储器，光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和处理器，其至少部分基于光源特征矩阵，提供测试对象在M个波长通道上的频谱响应。
上述及其他的实施方案不是限制或者限定本发明，而是提供本发明实施方案的实施例来帮助理解本发明。在具体实施方式
中将详述实施方案并进一步描述本发明。通过查阅说明书，将进一步理解本发明各种实施方案的优点。
附图简要说明当结合附图阅读下面的具体实施方式
时，会更好地理解本发明的这些和其他的特征、方面和优点。
图1A-1B是根据本发明的一个实施方案的光谱计的两个透视图；图2A-2B是根据本发明的一个实施方案的反射构造中的一个光学组件的两个透视图；图3是根据本发明的一个实施方案的透射构造中的光学组件的透视图；图4是根据本发明的一个实施方案，测量由8个LED构成的8个光源得到的发射光谱曲线；图5是用本发明的光谱计测量出的几个颜色试样的反射光谱曲线；和图6是用本发明的光谱计测量出的几个颜色试样的光谱曲线的分离。
具体实施例方式
下述的实施方案和附图是通过举例说明本发明的一些基本原理，不应以任何方式被用来限制本发明的范围。本领域技术人员还会认识到，可以据此做出各种变化和变型而不脱离本发明的原理和范围。
图1A-1B描述了根据本发明的一个实施方案的光谱测量设备(在此称作“光谱计”)100的两个透视图。如图1A的侧视图所示，光谱计100包括光学组件110、包含处理器122和存储器124的电路板120、电源130(例如一或多个电池)、电源开关135、光圈140和任选的紧邻光圈140的试样托架150。如图1B的顶视图所示，光谱计100还可以包括显示板160；和多个用户界面元件170，包含一或多个定位键172和执行键174。
在图1A-1B的实施方案中，光圈140与光学组件110光学连通(如下进一步的说明)。试样托架150被设计为能够安置一个测试对象(或者试样)，并使其通过光圈140与光学组件110保持必要的光学连通。作为举例，图1A中所示的试样托架150具有“开放”结构。在其它实施方案中，试样托架150也可以形成“封闭”结构，例如为其中包含的试样提供一个暗箱。此外，可以设计成使试样托架150可移除或者可拆卸。在某些情形下，测量也可以在没有试样托架的帮助下进行，例如，将试样直接接触光圈140。
图2A-2B示出了根据本发明一个实施方案的反射构造中的光学组件200的侧视图和顶视图。光学组件200可以用作图1A的光学组件110的一个实施方案。光学组件200包括包含多个LED 220的光源；多个LED通道230，每一个通道与一个或者多个LED相连；包含一个或者多个光学传感器的传感器单元240；传感器通道250；光圈260(可做为图1A的光圈140)；和试样口270。作为举例说明不同构件如何配置的实施例，还示出了试样280。在一个实施方案中，光学组件200可以置于容纳其组成元件的注塑件210上，如图2A所示。注塑件210例如可由例如塑料或者其他具有足够低的热膨胀系数的合适材料制成。在另一个实施方案中，LED通道230和/或传感器通道250可由例如一个或者多个由合适材料(例如铝、铬、塑料等)制成的圆柱形结构(例如管子)来实现。
在一个实施方案中，每一个LED通道230相对于试样口270的法线方向272成45度角。每一个LED 220被设置于一个LED通道230中并对准试样280。试样280与试样口270紧密接触，这样周围光线极少能够进入光圈260。LED通道230可以具有反射性的内表面，以便提高通道内的漫反射系数。在一个实施方案中，例如可以化学活化LED通道的内表面以允许沉积金属层(例如铬)。所述金属层的沉积可用电化学过程(例如电镀)完成。同样的，LED220的发射光被限定于各自的LED通道230中并投射到试样280上。LED发射光的部分在经过LED通道230中的一次或者多次表面反射之后到达试样280。这样的反射有助于提高LED的照明效率并在试样上提供均匀照明。
传感器通道250设置为与光圈260对齐。传感器单元240可设置在传感器通道250之内并通过光圈260与试样280直接光学连通。传感器通道250的表面和光圈260的周围可以被处理得使光反射成最小(例如通过施加一种抗反射涂层)。
LED 220可包括多种不同类型和/或不同频谱特性的LED。在一些实施方案中，不同LED可通过以适当的方式改变一或多种LED的频谱特性而得到，例如应用一或多个光学滤波器，和/或通过改变工作电流。这样，能够由至少一种LED有效地构造出多种LED。如下进一步描述，可以选择LED 220以使LED 220的组合发射光谱覆盖特定的相关波长范围。在一个实施方案中，LED 220与传感器单元240一起，可与图1A中的电路板120连通并被其控制。
在测量过程中，试样280被LED 220照亮。试样280反射的光被传感器单元240检测。传感器单元240将其所检测到光学信号转换成相应的电信号，所述相应的电信号在一个实施例中可以与试样280在LED 220的照明下反射的光线的强度相关。传感器单元240输出电信号到例如图1A的电路板120。测量结果可通过一个或者多个数字读数和/或图表显示来表示，例如，显示在图1B的显示板160上。
图3描述的是根据本发明一个实施方案的透射构造中的光学组件300的侧透视图。光学组件300可以用于选择实现例如图1A-1B中的光学组件110。光学组件300同样地构造在一个注塑件310之上。在这个实施方案中，多个LED320可被以与例如图2A-2B中所示的相同方式分别设置于LED通道330内。LED320发射的光被透镜340变为平行光，随后通过光圈350，然后入射到试样托架370上的试样360上。包括一个或者多个光学传感器的传感器单元380被设置于试样托架370的透射侧，以检测试样360透射的光线。在一个实施方案中，LED320与传感器单元380一起，可与图1A的电路板120连通并被其控制。
作为举例来说明本发明的某些基本原理，下面的描述是关于以反射构造(例如具有如图2A-2B中所示的光学组件)工作的光谱计。可以理解，本发明的原理和因此获得的结果也可被应用到其他以透射构造(例如具有如图3中所示的光学组件)工作的光谱计上。
LED的发射强度可以示作以特征中心波长为峰值的光谱曲线。当试样被单个LED照明时，收集了来自试样的反射(或者透射)光的传感器的输出包含三个主要部分1)试样的频谱特性；2)LED的发射光谱曲线；和3)传感器的频谱响应函数。
当试样被多个LED照明时，一个完整的试样测量可由在LED构成的多个线性独立光源下完成的测量序列组成。在一个实施方案中，例如，N(例如，N≥2)个线性独立光源由N个LED(可以使用市售产品)的多种组合构成。试样被如此产生的N个线性独立光源有效地照明，一个完整的试样测量则会收集到N个测量值。将相关波长范围划分为N个波长通道(例如，每一个波长通道对应一个特定的颜色)，试样在N个波长通道上的反射值(或者透射值)可以从N个测量中被确定，如下进一步的描述。
在一个实施方案中，本发明的光谱计的特征化可以通过使用参照物进行(例如在工厂进行)，由此得到N个光源的发射光谱曲线。例如，特征化可以使用白标定色样(或者积光球，例如具有足够高的漫反射系数的内表面的中空球)作为参照物、用具有适当分辨率的外部光谱分析仪(例如光谱仪或分光计)和外部计算设备(例如计算机)来进行。
在特征化过程的一个实施方案中，白标定色样依次被N个线性独立光源照明，所述线性独立光源由用在相关光谱计中的N个LED组成。从白标定色样表面反射的光被外部光谱分析仪测量，并且每一个光源的发射光谱曲线都被记录。作为示例，图4示出了测量含8个独立光源的系统得到的发射光谱曲线，覆盖了大约从400nm到700nm的波长范围。在这个实施例中，8个线性独立光源由8个LED(例如，通过使用从中选出的一或者多种LED的各种组合)组成。为了说明和清楚起见，图4中的发射光谱曲线由交替的实线和虚线示出。
被测量出的独立光源的发射光谱曲线可被用于构建“发光体特征矩阵”(或者“光源特征矩阵”)，所述“光源特征矩阵”可被储存在光谱计中(例如，在图1A的存储器124中)。下面将提供一个关于光源特征矩阵如何计算的实施方案。
假设有N个LED使用于光谱计中。将这些LED所覆盖的波长范围分成N个波长通道，每一个波长通道占据一个从λj-1到λj(λj＞λj-1，j＝1，2，...，N)的波长范围。波长通道可以具有不等的宽度。
在第j个波长通道上的第i个光源的平均强度可表示为
Iij=1λj-λj-1·∫λj-1λjIi(λ)dλ;i=1,2,···,N;j=1,2,···,N.---Eq.(1)]]>其中，Ii(λ)是通过外部光谱分析仪测量出的第i个光源的反射光谱曲线。对N个波长通道和N个光源完成上面的计算可构成一个N×N的矩阵 此矩阵的逆矩阵，在此称为“发光体特征矩阵”(或者“光源特征矩阵”)，可被表示为J↔=I↔-1=[Iij]-1---Eq.(2)]]>上面的计算可以由外部计算机实现。由此所得的光源特征矩阵 被储存在光谱计中。
为了得到一个试样在N个相关波长通道上的反射值(或者透射值)，需要标定光谱计，例如，通过使用一个或者多个“标定试样”。在一个实施方案中，基本白(或者“亮”)标定色样和基本黑(或者“暗”)标定色样可作为标定试样。在可选择的实施方案中，单一的白(或者“亮”)标定色样也可用于标定。标定程序可在工厂里完成，由此获得标定数据被储存在光谱计中。标定程序也可以由用户完成，例如，在作测量之前或者任何需要的时候。
下面考虑涉及白和黑标定试样的标定程序。光谱计在每一个标定试样上完成了一系列的测量。可以包括例如N个“黑色标定读数”和N个“白色标定读数”的测量数据可由下面公式表示V→B=VB1VB2···VBN]]>和V→W=VW1VW2···VWN,---Eq.(3)]]>其中，下标“B”和“W”分别代表黑试样和白试样。公式(3)的标定数据，结合公式(2)的光源特征矩阵，被用于确定在各自相关波长通道上的试样的反射值，如下所进一步描述。
在随后的测量中(例如，用户实施的测量)，在第i个光源下的传感器单元的读数可表示为
Vi=A·Σj=1NIij·Rj·Gj+VBi;i=1,2,···,N,---Eq.(4)]]>其中A代表一个与设备相关的常数，Rj代表试样在第j个波长通道上的平均反射值(或者透射值)，Gj是在第j个波长通道上传感器单元的平均敏感度，VBi是在第i个光源(其中还可包括周围环境的贡献)下的黑色标定读数，Iij是在第j个波长通道上第i个光源的平均强度。
公式(4)能够用一个N×N的线性系统表示V→=F→·I↔+V→B---Eq.(5)]]>其中V→=V1V2...VN,F→=AG1R1AG2R2...AGNRN,]]>和 公式(5)可进一步表示为F→=I↔-1·(V→-V→B)=J↔·(V→-V→B)---Eq.(7)]]>其中 是公式(2)中的光源特征矩阵 公式(7)可以写作AGiRi=Σj=1NJij·(Vj-VBj);i=1,2,···,N.---Eq.(9)]]>在通常的实践中，试样的反射值可根据白标定试样的反射值被归一化。为了简化，在每一个相关波长通道上白标定试样的反射值被定义为一个单位(或者“1”)。这样，当被测量的试样是白标定色样时，公式(9)变成AGi=Σj=1NJij·(VWj-VBj);i=1,2,···,N,---Eq.(10)]]>
其中VWj在上面的公式(3)中示出。
合并上面的公式(9)和公式(10)，在每一个波长通道上试样的反射值可表示为Ri=Σj=1NJij·(Vj-VBj)Σj=1NJij·(VWj-VBj),i=1,2,···,N.---Eq.(11)]]>上面所示是关于一个实施方案的描述，在所述实施方案中构建了N个线性独立光源和N个波长通道。在可选实施方案中，也可以使用N个光源和M(M≥2)个波长通道。在这样的情况下，例如，可以在M≤N时使用标准最小二乘法而在M≥N时使用单值矩阵分解(SVD)法来计算公式(2)或者公式(8)中的光源特征矩阵，并将获得M×N的维数。因此，公式(11)中反射率将具有M个组成部分。但是，本领域技术人员可以认识到，这些计算方法基本对等。
作为示例，图5示出了由本发明的光谱计测量出的四个测试试样的反射光谱曲线，所述光谱计使用了如图4中所示的8个光源(也就是，N＝8)和16个波长通道(也就是M＝16)。四个检测试样是从本技术领域中已知的PANTON标准试样中选出，分别是331U、332U、333U和PANTON Green。本领域技术人员可以鉴定图5中显示的反射光谱曲线的质量。
本发明的光谱计可以进一步通过其频谱特性区分颜色。作为示例，图6表示测量7个已知的PANTON褐色标准试样得到的反射光谱曲线，所述7个已知的PANTON褐色标准试样分别是462U、463U、464U、465U、466U、467U、468U。众所周知，这些颜色之间的差别极小以至于在视觉上难以区分。但是，在使用本发明的光谱计测量出的这些颜色的反射曲线中它们被清楚地区分开来。
上面的描述和分析是关于以反射构造工作的光谱计。当光谱计以透射构造工作时，它需要用一个透明试样来标定。根据上面以反射构造工作的情形得到的公式，公式(3)中的组成部分 和 应该分别由零和透明标定试样得到的读数来替换。用上述的新值替换公式(11)中的 和 Ri，i＝1，2，...，N，即成为试样在N个波长通道上的透射光谱值。
在一个实施方案中，本发明的光谱计可被预载(例如在工厂内或者由用户)各种标准数据表(例如在图1A的存储器124中)，例如本技术领域已知的CIE 1964标准观察者数值表和D65光源表。这样，光谱计还可以从测量的光谱曲线中提供三基色值，或者任何标准颜色坐标(例如CIELab)。
在一个实施方案中，光谱计可用于测量、确定、和记录作为“目标”的一个试样的颜色坐标。当在另一个试样上做新的测量时，基于新计算的颜色坐标和目标的颜色坐标，光谱计可以提供色差，例如CIELab或者CMC颜色坐标的色差。
在一个实施方案中，光谱计可用于执行和记录一个或者多个“参照”试样的测量，每个测量根据预定方案(例如通过构建一个合适的模型)对应一个数字值(或者其他非数字表示)。当测量一个新(或者未知)试样时，光谱计就能够基于储存的参照数据求出新测量所对应的值，例如，基于模型得出未知试样的数字值或者非数字表示。
在一个实施方案中，光谱计还可以包括一个内部时钟(或者计时器)，例如，在进行测量时提供时间和日期。本发明的光谱计可以不同形式显示和储存其测量，所述不同形式指反射值(或者透射值)、光谱三基色值、标准颜色坐标、标准色差、数字测试值或者其他非数字测试表示法。本发明的光谱计还进一步允许用户选择显示测量结果的特定形式，或者以不同的形式观察测量结果，包括(但不限于)时间顺序形式。
返回到图1A-1B。处理器122可以包括，例如数字逻辑处理器，特定用途集成电路(ASIC)，或者任何其他的能够处理输入数据、执行算法并且按照需要的形式产生输出数据的设备。存储器124可以是处理器122中内含的(或者内置的)存储器，储存(例如在固件中)公式(8)的光源特征矩阵、公式(3)的标定数据以及实现各种测量和计算的指令和算法。存储器124也可以在处理器122的外部，提供附加的内存(例如用于存储预载数据和其他相关信息)。电路板120可进一步配备有数据传输功能，以便用户可以下载或者上载信息，将测量结果保存到其他设备上，例如用户的家庭电脑，和/或对收集到数据进行附加分析。传感器单元240可包括一个或者多个具有不同频谱响应函数的传感器。传感器单元240还可以由图像传感器阵列(例如CCD，)提供。
本领域技术人员可以理解，如上所述，通过使用LED并构建光源特征矩阵，本发明的光谱计提供了精确的颜色确定和小型化结构，因此适用于各种消费者的和工业应用。例如，本发明的光谱计可被设计成手持式检测器，用于做各种实验室以及消费者家中的生物化学分析。这些应用包括(但不限于)核酸、蛋白和抗体的定量分析，常规健康诊断和监测比如尿检和其他体液检测，食物添加剂和杂质及污染物分析，法检等等。本发明的光谱计还可以设计成手持式颜色测量设备，例如为涂料、墨水、染料、化妆品和其他颜色相关产品(例如pH试纸和SND棒)提供定量和方便的测量。
上面给出的实施例是在可见波长范围内。但是，这不应该以任何方式解释为对本发明范围的限制。本发明的原理也可以用于构建在其他波长范围内工作的光谱计，例如红外线波长范围或者紫外线波长范围。在一个实施方案中，多个发射源(例如LED)可以具有重叠的光谱，并且因而形成的波长通道可以在一个特定的波长范围内是连续的。在其他的实施方案中，发射源(例如LED)可以具有不连续的光谱，并且因而形成的波长通道也可以在一个特定的波长范围内是不连续的。本发明的原理和结果(例如上面的公式(1)-(11))依然适用于这些情形。
前面描述了本发明的实施方案，其目的仅在于举例说明和描述，不应该理解为是穷举或将本发明限制为公开的严格形式。本领域技术人员可以对其进行多种变型和改进而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种仪器，包括至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个独立光源，其特征是在预定波长范围内的M(M≥2)个波长通道内；包含至少一个光学传感器的传感器单元，所述传感器单元用于与至少一个发射源和试样光学连通；储存光源特征矩阵的存储器，所述光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和与传感器单元和存储器连通的处理器，所述处理器至少部分基于光源特征矩阵，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
2.如权利要求1所述的仪器，其中存储器还包括与在预定波长范围内的基本白标定色样相关的标定数据，处理器至少部分基于光源特征矩阵和标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
3.如权利要求1所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的反射值。
4.如权利要求1所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的透射值。
5.如权利要求1所述的仪器，其中M等于N。
6.如权利要求1所述的仪器，其中存储器还包括执行标定的程序代码，所述标定与至少一个在预定波长范围内的标定试样相关。
7.如权利要求1所述的仪器，其中所述至少一个发射源包括至少一个发光二极管(LED)。
8.如权利要求1所述的仪器，其中传感器单元包括至少一个光电二极管。
9.如权利要求1所述的仪器，其中传感器单元包括电荷耦合器件(CCD)阵列。
10.如权利要求1所述的仪器，其中处理器还用于使与试样的频谱响应相关的图像显示在显示板上。
11.如权利要求1所述的仪器，还包括至少一个用户界面部件。
12.如权利要求1所述的仪器，还包括与处理器连通的数据传输装置。
13.一种仪器，包括试样；至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个独立光源，其特征是在预定波长范围内的M(M≥2)个波长通道内；包含至少一个光学传感器的传感器单元，所述传感器单元用于与发射源和试样光学连通；储存光源特征矩阵的存储器，所述光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和与传感器单元和存储器连通的处理器，其至少部分基于光源特征矩阵，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
14.如权利要求13所述的仪器，其中存储器还包括与在预定波长范围内的基本白标定色样相关的标定数据，以及处理器，其至少部分基于光源特征矩阵和标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
15.如权利要求14所述的仪器，其中存储器还包括与在预定波长范围内的基本黑标定色样相关的标定数据，以及处理器，其至少部分基于光源特征矩阵、与基本白标定色样相关的标定数据和与基本黑标定色样相关的标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
16.如权利要求13所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的反射值。
17.如权利要求13所述的仪器，其中试样的频谱响应包括试样在M个波长通道上的透射值。
18.如权利要求13所述的仪器，其中存储器还包括执行标定的程序代码，所述标定与至少一个在预定波长范围内的标定试样相关。
19.如权利要求13所述的仪器，还包括参考数据表，参考数据表包含多个参考试样的频谱响应以及与参考试样相关的颜色特性。
20.如权利要求19所述的仪器，其中处理器至少部分基于试样的频谱响应和参考数据表，按预定方案提供试样的颜色特性。
21.如权利要求13所述的仪器，其中至少一个发射源包括至少一个发光二极管(LED)。
22.如权利要求13所述的仪器，其中处理器还用于将与试样的频谱响应相关的图像显示在显示板上。
23.如权利要求13所述的仪器，还包括至少一个用户界面部件。
24.如权利要求13所述的仪器，其中存储器还包括至少一个用于确定颜色坐标的标准数据表。
25.如权利要求24所述的仪器，其中处理器还用于提供试样的标准颜色坐标。
26.如权利要求13所述的仪器，还包括与处理器连通的数据传输装置。
27.一种方法，包括设计至少一个发射源，来提供N(N≥2)个独立光源，其特征在预定波长范围内的M(M≥N)个波长通道内被确定；提供包括至少一个光学传感器的传感器单元，所述传感器单元与发射源和试样光学连通；将光源特征矩阵储存在存储器中，所述光源特征矩阵具有N个光源在M个波长通道上的频谱特性；和提供与传感器单元和存储器连通的处理器，所述处理器至少部分基于光源特征矩阵，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
28.如权利要求27所述的方法，还包括将与预定波长范围内的基本白标定色样相关的标定数据储存在存储器中，处理器至少部分基于光源特征矩阵和标定数据，提供试样在M个波长通道上的频谱响应。
29.如权利要求27所述的方法，还包括提供与处理器连通的显示板。
30.如权利要求27所述的方法，还包括提供至少一个用户界面部件。
全文摘要
本发明提供了光谱测量系统和方法。在一个实施方案中，光谱测量设备(100)包括至少一个发射源，用于提供N(N≥2)个线性独立光源(220)，其特征是在预定波长范围内的M(M≥N)个波长通道内；包含至少一个传感器的传感器单元(240)，用于与发射源(220)和测试对象(280)光学连通；用于储存光源特征矩阵的存储器(124)，光源特征矩阵包括N个光源(220)在M个波长通道上的频谱特性；以及处理器(122)，其至少部分基于光源特征矩阵，提供在M个波长通道上测量对象的频谱响应。本发明的实施方案可用于构建一种新型的小型化光谱测量设备，例如手持式颜色测量设备。
文档编号G01J3/02GK1886640SQ200480034089
公开日2006年12月27日 申请日期2004年11月9日 优先权日2003年11月18日
发明者何帆, 之浩林, 约姚 申请人:傲得安姆技术有限公司
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