阅读说明：本技术 一种降低杂散光的方法及装置 (Method and device for reducing stray light ) 是由 袁琨 贡双虎 王坚 陈涛 曾亚澜 方欣宇 张宇梁 章晓寅 龚晓煜 闫卓 于 2020-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种降低杂散光的方法及装置,方法包括如下步骤：S1,将测量范围分段；S2,根据测量范围的分段,选取一组相应工作范围的滤光片,所述的滤光片具有截止范围,用于过滤其他测量范围的光谱能量；S3,光线通过各滤光片的过滤传输至传感器,传感器依次测量每段测量范围,计算得到测量范围的反射率；装置包括光源、滤光片、传感器,根据测量范围的分段,配合设置有一组相应工作范围的滤光片,所述的滤光片具有截止范围,用于过滤其他测量范围的光谱能量,滤光片设置在光源和传感器之间。(The invention discloses a method and a device for reducing stray light, wherein the method comprises the following steps: s1, segmenting the measuring range; s2, selecting a group of optical filters in corresponding working ranges according to the segmentation of the measuring ranges, wherein the optical filters have cut-off ranges and are used for filtering the spectral energy in other measuring ranges; s3, transmitting light to the sensor through the filtering of each optical filter, sequentially measuring each section of measuring range by the sensor, and calculating to obtain the reflectivity of the measuring range; the device comprises a light source, an optical filter and a sensor, wherein a group of optical filters corresponding to working ranges are arranged in a matched mode according to the segmentation of the measuring ranges, the optical filters are provided with cut-off ranges and used for filtering spectral energy of other measuring ranges, and the optical filters are arranged between the light source and the sensor.)

一种降低杂散光的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学颜色测量技术领域，尤其是涉及了一种降低杂散光的方法及装置。

背景技术

在光学测量过程中会产生杂散光，杂散光的产生原因主要有三种：成像光路产生的杂散光，非成像光路产生的杂散光和仪器本身产生的杂散光。

不同光谱传感器的杂散光程度是不同的，导致每台测量的颜色数据也有差别，称为台间差，需要对每台传感器杂散光情况进行测量和修正。

同一光谱传感器从被测样品表面测得的颜色值和被测样品表面真实颜色值之间也存在差别，称为示值误差，而影响示值误差的关键因素就是分光光路中的杂散光，杂散光具体表现为一个特定波长的光并没有聚焦在该特定波长正常成像时所聚焦在阵列传感器的位置，进而影响了对该特定波长能量的检测精度，也影响了其它波长处能量的检测精度。

发明内容

为解决现有技术的不足，实现减少杂散光、提高检测精度的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种降低杂散光的方法，包括如下步骤：

S1，将测量范围分段；

S2，根据测量范围的分段，选取一组相应工作范围的滤光片，所述的滤光片具有截止范围，用于过滤其他测量范围的光谱能量；

S3，光线通过各滤光片的过滤传输至传感器，传感器依次测量每段测量范围，计算得到测量范围的反射率。

通过不同工作范围的滤光片分别过滤其他测量范围的光谱能量，减少了未分段测量过程中杂散光的形成，降低了示值误差；同时，无需多台传感器即可完成分段测量，节省成本的同时，降低了不同传感器之间的台间差。

根据测量范围的分段，选取一组相应工作范围的分段光源，在分段光源与被测物体之间分别设置与分段光源工作范围匹配的滤光片，依次点亮分段光源，分段光源的光线经相应工作范围的滤光片，通过被测物体的反射进入传感器，传感器依次测量每段测量范围的反射信号，组合反射信号并计算测量范围的反射率。分段光源输出的即为分段后的光谱能量，再经对应分段的过滤片的过滤，提高了分段过滤的效果。

所述的光源是测量范围内的全光谱光源，在全光谱光源与传感器之间设置一组所述的滤光片，全光谱光源的光线经依次切换的滤光片进入传感器，传感器依次测量，计算每段测量范围的反射率并组合得到测量范围的反射率。只需一个光源，通过滤光片的切换即可完成分段测量，节约成本的同时提高了测量的效率。

各相邻分段测量范围的边缘相互重叠。由于边界值易收到干扰，留有余量，有助于后续计算的准确性。

一种降低杂散光的装置，包括光源、滤光片、传感器，根据测量范围的分段，配合设置有一组相应工作范围的滤光片，所述的滤光片具有截止范围，用于过滤其他测量范围的光谱能量，滤光片设置在光源和传感器之间。通过不同工作范围的滤光片分别过滤其他测量范围的光谱能量，减少了未分段测量过程中杂散光的形成，降低了示值误差；同时，无需多台传感器即可完成分段测量，节省成本的同时，降低了不同传感器之间的台间差。

根据测量范围的分段，配合设置有一组相应工作范围的分段光源，分段光源与被测物体之间分别设置与分段光源工作范围匹配的滤光片，依次点亮分段光源，分段光源的光线经相应工作范围的滤光片，通过被测物体的反射进入传感器，传感器对每段测量范围进行依次测量。分段光源输出的即为分段后的光谱能量，再经对应分段的过滤片的过滤，提高了分段过滤的效果。

所述的光源是测量范围内的全光谱光源，全光谱光源与传感器之间配合设置有滤光片切换装置，所述的滤光片切换装置包括滤光片，用于依次切换不同工作范围的滤光片，全光谱光源的光线通过依次切换的滤光片进入传感器，传感器对每段测量范围进行依次测量。只需一个全光谱光源，通过滤光片的切换即可完成分段测量，节约成本的同时提高了测量的效率。

所述的滤光片切换装置是与滤光片相应的一组设有透光口的快门，通过快门的切换，使透光口形成全透状态和覆盖滤光片的过滤状态。

两块不同工作范围的滤光片与所述的快门配合设置，通过快门的切换，轮流覆盖所述的透光口。一个快门就能有两种滤光片的切换状态，当测量范围二分段时，只需一个快门即可切换两个分段的滤光片，当涉及多分段时，也能减少了快门的数量，提高效率。

所述的滤光片切换装置是滤光片旋转轮，所述的滤光片旋转轮上配合设置多个滤光片，通过旋转使滤光片依次切换至全光谱光源与传感器之间。

本发明的优势和有益效果在于：

通过不同工作范围的滤光片分别过滤其他测量范围的光谱能量，减少了未分段测量过程中杂散光的形成，降低了示值误差；同时，无需多台传感器即可完成分段测量，节省成本的同时，降低了不同传感器之间的台间差。

附图说明

图1是本发明中实施例一装置的俯视剖面图。

图2是本发明中三种滤光片透过率曲线图。

图3是本发明中添加滤光片分段测量反射率数据与真实反射率数据对比图。

图4是本发明中实施例二装置的剖面图。

图5a是本发明中实施例二的快门结构示意图。

图5b是本发明中实施例二的快门第一状态图。

图5c是本发明中实施例二的快门第二状态图。

图6a是五个光谱传感器（C12666MA）在杂散光检测装置上测量到的信号曲线图。

图6b是五个光谱传感器（C12666MA）在杂散光检测装置上测量到的信号(X轴放大)图。

图7是测量反射率数据与真实反射率数据对比图。

图中：1、滤光片，2、分段光源，3、积分球，4、测量口，5、快门，6、传感器，7、全光谱光源，8、透光口，9、第一滤光片，10、第二滤光片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一：

将照明光源在测量范围内分为多段进行测量(≥2段)，在分段光源2前端添加不同的滤光片1，分段进行测量。

以三段测量范围为例，如图1-3所示，选取3组照明LED灯作为分段光源2（该光源全谱LED、组合LED、卤素灯、氙灯均可），其中，第一组分段光源2满足光谱范围360-510nm有足够的光谱能量，第二组分段光源2满足光谱范围490-610nm有足够的光谱能量，第三组分段光源2满足590-790nm有足够的光谱能量。

在第一组分段光源2前端添加一个短波通滤光片1，该滤光片1工作范围360-510nm，截止范围510-800nm；分段光源2发出光后，先透过滤光片1，再照射到被测样品上面（或经积分球3匀光后通过测量口4照射到被测样品上），确保照射到样品的光为360-510nm的光，没有510nm以后的光源。

在第二组分段光源2前端添加一个带通滤光片1，该滤光片1工作范围490-610nm，截止范围360-490nm及610-800nm；分段光源2发出光后，先透过滤光片1，再照射到被测样品上面（或经积分球3匀光后通过测量口4照射到被测样品上），确保照射到样品的光为490-610nm的光，没有490nm之前及510nm之后的光源。

在第三组分段光源2前端添加一个长波通滤光片1，该滤光片1工作范围590-800nm，截止范围360-590nm；分段光源2发出光后，先透过滤光片1，再照射到被测样品上面（或经积分球3匀光后通过测量口4照射到被测样品上），确保照射到样品的光为590-800nm的光，没有590nm以前的光源。

测量过程中，三组分段光源2依次点亮，使用光谱传感器6测量三次。其中第1组分段光源2点亮时，光谱传感器6测量样品360-490nm的反射信号；第2组分段光源2点亮时，光谱传感器6测量样品500-600nm的反射信号；第3组分段光源2点亮时候，光谱传感器6测量样品610-780nm的反射信号；三组分段光源2依次测量完成后将三组反射信号组合为360-780nm的反射信号，并通过计算为360-780nm反射率。

由于分为三段进行测量，每段波长所测量的反射率不受其他波长光谱能量的杂散光影响，测量的反射率与真实反射率数据非常接近。

实施例二：

照明光源使用测量范围内的全光谱光源7（全光谱LED、组合LED、卤素灯、氙灯等），全光谱光源7照射到被测样品（或经积分球3匀光后通过测量口4照射到被测样品）并反射到光谱传感器6，在光谱传感器6前端添加多个滤光片1（≥2种），滤光片1安装在快门5上，通过快门5的运动来切换光谱传感器6入射孔前端的滤光片1（也可以是滤光片旋转轮来切换光谱传感器6前端的滤光片）。

以三种滤光片为例，如图2-4所示，1、短波通滤光片1，工作范围360-510nm，截止范围510-800nm；2、带通滤光片1，工作范围490-610nm，截止范围360-490nm以及610-800nm；3、长波通滤光片1，工作范围590-800nm，截止范围360-590nm。

三种滤光片1安装在三个快门5上，快门5有全透（空）和有滤光片两种状态，快门5之间前后叠加，安装在光谱传感器6的前端，被测物体中心（或积分球3测量口4中心）、快门中心、光谱传感器中心三者同心。

在测量过程中，光谱传感器6对同一全光谱光源7测量三次：

第一次：将第一个快门5切换出短波通滤光片1，其余两个快门5切换为全透状态。此时被测物体的反射光通过短波通滤光片1，进入光谱传感器6的信号为360-510nm的反射光，其余波长的光被短波通滤光片1截止，本次测量计算出360-490nm反射率；

第二次：将第二个快门5切换出带通滤光片1，其余两个快门5切换为全透状态。此时被测物体的反射光通过带通滤光片1，进入光谱传感器6的信号为490-610nm的反射光，其余波长光被带通滤光片1截止，本次测量计算出500-600nm反射率；

第三次：将第三个快门5切换出长波通滤光片1，其余两个快门5切换为全透状态。此时被测物体的反射光通过长波通滤光片1，进入光谱传感器6的信号为590-800nm的反射光，其余波长光被长波通滤光片1截止，本次测量计算出610-780nm反射率；

三次测量完成后，将三组反射率数据进行组合，得到被测样品需要的测量范围（360-780nm）的反射率。

可以通过一个快门5实现两种滤光片的切换，如图5a所示，快门5上设有透光口8，透光口8内部嵌有可上下滑动的滤光片组，滤光片组上下绑定了两块滤光片，当快门5切换时，如图5b所示，滤光片组上滑，第一滤光片9向上滑入快门5内部，透光口8露出第二滤光片10，再次切换快门5，如图5c所示，滤光片组下滑，第二滤光片10向下滑入快门5内部，透光口8露出第一滤光片9。在测量范围分为两段时，只需一个快门5即可完成两端测量范围对应的滤光片的切换，当涉及多段测量范围的滤光片切换时，也可以节省快门5的数量，提高效率。

数据验证：

传统方法，通过在光谱传感器前端添加一个工作范围为在500nm-2000nm、截止范围在300nm-490nm的滤光片，理论上透过滤光片进入光谱传感器300nm-490nm的光能量为0，转换出来的信号也应该是0，但实际并非如此，当一定波长的光能量进入光谱传感器时，由于光谱传感器杂散光的存在导致没有信号输出的波长处有信号输出，选取五个不同序列号的光谱传感器（C12666MA）放到杂散光检测装置上测量的信号，其中300nm-490nm检测出来的信号为300-1000(AD count)不等，且不同序列号之前存在信号大小的差异，如图6所示，点亮一个测量范围的全光谱灯（全谱LED、组合led、卤素灯、氙灯等），照射到被测样品上（可按照一定角度直接照射或通过积分球匀光后照射等多种方式），被测样品吸收部分光信号及部分透射后，剩余的光反射进入光谱传感器，光谱传感器将接收到的信号进行输出，并计算出样品反射率数据。由于光谱传感器存在杂散光，光谱传感器转换出来的波长数据除了该波长的数据以外，还存在其他波长的一些数据，导致测量的反射率有误差。如图7所示，当测红色样品时，测量范围内的全光谱光源照射在红色样品上的反射光进入光谱传感器，光谱传感器转换输出后计算反射率与真实反射率存在误差，短波部分（400nm-580nm）由于受到590-700nm反射光所带来的杂散光的影响，反射率明显大于真实反射率，导致测量误差很大。

传统的全光谱一次照明测量的方法与添加滤光片的方法进行对比，测量12块彩色的色砖。分别选了五个光谱传感器，使用全光谱一次照明测量的方案进行反射率测量并计算为颜色数据(CIE-LAB)，以及添加滤光片后的方案进行反射率测量并计算为颜色数据（CIE-LAB）。对比五个光谱传感器相互之间的台间差（数据一致性）以及与示值误差（标准数据之间的误差），使用CIE-1976色差公式来描述。

12块彩色色砖标准数据如下：

台间差比较（五个光谱传感器之间相互比较）：

五个光谱传感器组装为五台机器，分别测量12块色砖样品的反射率，并将反射率数据计算为CIE-LAB数据，使用CIE1976色差公式计算每台机器测量同一块色砖相互之间的色差值（台间差）。

通过验证，使用滤光片分段测量方案，机器台间差明显改善。该方案消除了每个光谱传感器相互之间杂散光不一致带来的影响。

传统全光谱一次测量的台间差

使用分段测量的台间差

示值误差比较（五个光谱传感器与标准数据进行比较）：

五个光谱传感器组装为五台机器，分别测量12块色砖样品的反射率，并将反射率数据计算为CIE-LAB数据，使用CIE1976色差公式计算机器与色砖标准数据之间色差值（示值误差）。

通过验证，使用滤光片分段测量方案，机器示值误差明显改善，该方案提高了光谱传感器杂散光对测量数据准确性的影响。

传统全光谱一次测量的示值误差

使用分段测量的示值误差

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。