方案推荐|光纤光谱仪在颜色测量的应用

前言：为什么物质有颜色？

物质在光源 （如大阳光）提供的能量作用下，构成物质元素的原子中的电子，发生了以基态到激发态，又以激发态回到基态的跃迁，导致物质选择性地吸收或发射相应特定的光波，从而显示其特有的颜色。

例如：大多数金属显银白色，是因为金属的能带上部存在大量的空轨道，并且相邻轨道之间的能量差值非常小。因此，任何波长的光子进入金属表面时，都能将金属内部的自由电子激发到能带上部的空轨道上，但电子很快便跳回到较低能态并放出光子（少数光子的能量会转化为热能），所以绝大多数的光子进入反射波中；而由于所反射的光一般都包括所有可见波长的光，故大多数金属显银白色。然而少数金属有些特殊，如纯金为赤黄色，纯铜为紫红色。其主要原因在于它们晶体中的金属离子外层的d电子吸收蓝紫色等短波长光后，会跃迁到s能带的空能级上，因而它们表面的反射光中蓝紫色光的成分较少，从而显现出不同程度的黄色、红色。

光谱测色技术

传统的测色方法直接用人眼观察，一般人眼可感知的波段为380~780nm。这种方法简单灵活，但是结果受人员、环境的影响太大，使得测量结果不够准确，也难有公正性。为了客观地测量物体的颜色，国际照明委员会（CIE）制定了标准色度系统，即CIE1931系统：通过颜色三刺激值XYZ来对颜色进行定量描述。这为颜色测量奠定了基础。

颜色三刺激值公式为：

X = ∫x(λ)φ（λ）dλ，

Y = ∫y(λ)φ（λ）dλ，

Z = ∫z(λ)φ（λ）dλ

其中，x(λ)、y(λ)、z(λ)是CIE标准色度系统中的三种色度学匹配函数。φ（λ）为颜色刺激函数：对于自发光体，φ（λ）=S（λ），S（λ）为发光体的相对光谱分布；对于透射物体，φ（λ）=T（λ）S（λ），T（λ）为待测物体的光谱透过率；对于反射物体，φ（λ）= R（λ）S（λ），R（λ）为待测物体的光谱反射率。

应用案例：ATP2400测量不同颜色纸张

在该测量中，我们使用波长范围在200到1100nm，分辨率（FWHM）为3nm的光纤光谱仪ATP2400。如下图：通过Y型光纤连接白光连续光源，光纤光谱仪ATP2400。另一端连接反射型光纤探头。另外，将ATP2400连接上电脑，打开测试软件。

图2 ATP2400测量不同颜色纸张的连接图示

测试方法流程

关闭光源，遮挡探头，处于暗室条件，采集暗底

打开光源，根据空白强度，设置光谱仪积分时间为2500ms，扫描次数为1

更换探头位置，测试不同颜色的纸张，分别得到光谱信息。

测试结果和分析