申请/专利权人：邬伟

申请日：2019-07-18

公开（公告）日：2024-04-05

公开（公告）号：CN110243476B

主分类号：G01J3/46

分类号：G01J3/46;G01J3/10;G01N21/25

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.05#授权;2019.10.15#实质审查的生效;2019.09.17#公开

摘要：本发明公开了一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，解决了现有技术中照明装置光路设计复杂、测量不高的问题。本发明包括全密封壳体，全密封壳体内部自上而下依次设有第一反射板、透镜组件和第二反射板，全密封壳体下部设有通光孔，第二反射板活动覆盖在通光孔上，第二反射板与设置在平台上的第三放射板相对应，第一反射板、透镜组件和第二反射板位于同一中心轴线上；所述全密封壳体的内壁上设有环形设置的LED灯，LED灯分别与第一反射板、第二反射板相对应。本发明采用准对称式双光路测量系统进行内部光谱定标、外部光谱定标和测量，可有效降低使用成本和生产线上的特殊环境因素对颜色测量结果的影响提高测量精度。

主权项：1.一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：包括全密封壳体（1），全密封壳体（1）内部自上而下依次设有第一反射板（6）、透镜组件（23）和第二反射板（13），全密封壳体（1）下部设有通光孔（20），第二反射板（13）活动覆盖在通光孔（20）上，第二反射板（13）与设置在平台（22）上的第三反射板（12）相对应，第一反射板（6）、透镜组件（23）和第二反射板（13）位于同一中心轴线上；所述全密封壳体（1）的内壁上设有环形设置的LED灯（4），LED灯（4）分别与第一反射板（6）、第二反射板（13）相对应；第一反射板（6）和第二反射板（13）分别位于透镜组件（23）的上下位置时，第二反射板（13）覆盖在通光孔上，此时起到密封全密封壳体，第一反射板（6）和第二反射板（13）与透镜组件（23）形成自动定标结构；所述透镜组件（23）包括透镜筒（16），透镜筒（16）通过透镜连接板（19）与全密封壳体（1）相连接，透镜筒（16）的中心部设有与水平面成45°倾斜设置的双面反射镜（9），透镜筒（16）的上部设有第一光阑（8）和第一透镜（7），第一透镜（7）位于第一光阑（8）的下部；透镜筒（16）的下部设有第二光阑（18）和第二透镜（17），第二透镜（17）位于第二光阑（18）的下部；透镜筒（16）的左侧设有监测支路光纤（10），透镜筒（16）的左侧设有样品支路光纤（11），监测支路光纤（10）、第一透镜（7）与双面反射镜（9）之间设有光路通道，样品支路光纤（11）、第二透镜（17）与双面反射镜（9）之间设有光路通道；所述透镜筒（16）的下方设有毛玻璃（2）；所述全密封壳体（1）的内壁上设有环形散热器（5），环形散热器（5）上设有LED基板（3），LED灯（4）设置在LED基板（3）上；所述LED灯（4）光源与第一反射板（6）法线成45°±5°设置，LED灯（4）光源与第二反射板（13）法线成38°±5°设置；所述环形散热器（5）和LED基板（3）上均设有黑色涂层。

全文数据：在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置技术领域本发明涉及颜色测量仪中照明装置技术领域，特别是指一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置。背景技术由于人们对产品颜色的选择已经成为重要参考之一，随着科学技术的高速发展，工业产品对颜色的要求越来越高，产品的颜色色差将直接影响产品的质量指标，产品的色差过高甚至将产生很多的废品或者不良品，造成了很大的浪费，给企业带来严重的经济损失，为了代替人眼对在线式产品颜色的分辨能力，目前在线光谱分析已经以惊人的速度应用于多个领域的企业生产的多个环节，并已使得过程分析仪器领域发生了深刻变革。这种变革与在线光谱分析的独特优点是分不开的，比如:在线光谱分析可以连续测量，且速度快；在线光谱分析多采用环形光源照明技术和光纤传输技术，适合环境恶劣的场合；在线光谱分析仪器结构相对简单，并适合多种样品（如液体，涂层，粉末和固体等）这些优点对于企业原料和生产的中间环节进行快速质量控制、优化操作、稳定生产和节能降耗非常有价值。分光测色仪是光谱分析仪器中最基本的一种，利用通过测量物体的反射率或透射率，计算出物体的三刺激值，从而计算出所需要的各种颜色数据，获得各种物体的颜色数据方便。国际照明委员会（CIE）规定的四种测量反射色度的标准照明和观测条件中，积分球照明的条件在这里将不在适用。通常分光测色仪分为两类，一种为实验室用分光测色仪，优点为测量精度高，由于采用D8度照明观测条件，物体必须紧贴测量窗口进行测量；另一种则为在线式分光测色仪，它的最大优点为不需要接触产品表面，即可获得物品的光谱信息。045度或450度照明和观测条件更适合在线式颜色测量。450度测色时通常选用环形光源以45度照射在被测物上，这种测量方法最大程度把被测物表面痕迹或纹理充分均匀照明，可以最大程度降低测量误差，将具有很高测量数值重复性。在线生产机器上，测量环境复杂，需要应对被测物高速运动，通过机械方式严格控制仪器或者被测物难免控制的会出现上下抖动误差，被测物反射光强和测色仪由于距离的因素发生变化会直接影响测量数值的变化，这将需要更匀化的照明方案来尽最大可能消除距离产生的误差，从而保证测量的精度。在申请号为201310675904.X、专利名称为用于在线式分光测色仪的45度环形照明装置的专利中，是在线式分光测色仪选用脉冲氙灯作为照明光源，优点在于脉冲氙灯的光谱最近似于自然光，闪光强度高。闪光速度快。但是缺点是脉冲氙灯很难生产出纯环形的光源，需要用光学折射方法来模拟成环形照明，使被测物不充分的环形照明，由于被测物表面纹理或不平整度影响，如被测物抖动或平行运动时测量，则会增加测量误差。且控制电路复杂，灯和控制电路寿命短。脉冲氙灯由于寿命的因素存在。如应用到在线式颜色测量中，仪器测量次数或测量频率将受到严格的局限性，脉冲氙闪光灯特点为高压放电原理，需要高电压储能释放控制电路。如脉冲氙灯被高频率的点亮后，脉冲氙灯控制电路和脉冲氙灯自身的寿命将快速下降，从而成为一种自然损耗品，仪器将增加使用成本或高昂的维修费用。另一个问题是脉冲氙灯的特性使每次点亮的光强度无法严格控制，这将几乎依靠双光路光谱运算而得到相对正确的修正数据，如果应用到复杂环境的机器上在线式测量，被测物的抖动或者运动带来的误差正好和脉冲氙灯自身的误差相结合，这将不可避免的出现较大的测量误差。发明内容针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，解决了现有技术中照明装置光路设计复杂、测量不高的问题。本发明的技术方案是这样实现的：一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，包括全密封壳体，全密封壳体内部自上而下依次设有第一反射板、透镜组件和第二反射板，全密封壳体下部设有通光孔，第二反射板活动覆盖在通光孔上，第二反射板与设置在平台上的第三放射板相对应，第一反射板、透镜组件和第二反射板位于同一中心轴线上；所述全密封壳体的内壁上设有环形设置的LED灯，LED灯分别与第一反射板、第二反射板相对应。所述透镜组件包括透镜筒，透镜筒通过透镜连接板与全密封壳体相连接，透镜筒的中心部设有与水平面成45°倾斜设置的双面反射镜，透镜筒的上部设有第一光阑和第一透镜，第一透镜位于第一光阑的下部；透镜筒的下部设有第二光阑和第二透镜，第二透镜位于第二光阑的下部；透镜筒的左侧设有监测支路光纤，透镜筒的左侧设有样品支路光纤，监测支路光纤、第一透镜与双面反射镜之间设有光路通道，样品支路光纤、第二透镜与双面反射镜之间设有光路通道；所述透镜筒的下方设有毛玻璃。所述双面反射镜表面镀有反射膜；透镜筒的内壁、全密封壳体的内壁和透镜连接板上均设有黑色涂层。所述全密封壳体的内壁上设有环形散热器，环形散热器上设有LED基板，LED灯设置在LED基板上。所述LED灯光源与第一反射板法线成45°±5°设置，LED灯光源与第二反射板法线成38°±5°设置；所述环形散热器和LED基板上均设有黑色涂层。所述通光孔上覆盖有连接板，第二反射板安装在连接板上，连接板通过传动机构与设置在全密封壳体内部的位移电机相连接。所述传动机构包括蜗轮和蜗杆，蜗轮设置在位移电机的输出轴上，蜗杆设置在连接板上，蜗轮与蜗杆相配合。所述传动机构包括大齿盘和小齿轮，小齿轮设置在位移电机的输出轴上，大齿盘设置在连接板上，大齿盘和小齿轮啮合。所述全密封壳体上部设有光纤引出孔。本发明采用准对称式双光路测量系统进行内部光谱定标、外部光谱定标和测量，可有效降低使用成本和生产线上的特殊环境因素对颜色测量结果的影响，如产品抖动、产品高速运动、或高粉尘、高温度、及高湿度恶劣环境所对颜色数据的影响，该装置可以满足在线式颜色测量中均匀照明和对被测物抖动或运动引起的测量误差要求，提高测量精度。本发明设计巧妙，对称光路设计，简化测量结构，测量时与被测物体保持为固定的距离，属于非接触式测量，45度环形照明在整个圆周上以45度对被测物进行照明，这种照明方式将被测物表面的不均匀性对测量的结果显著降低，以补偿被测物微小抖动所带来的距离误差，测量被测物的同时对LED光源的光谱监测，去除LED闪光自身的微小光谱变化，使测量误差最小化，本照明装置模块化设计，方便于传统光谱仪连接。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明整体结构示意图。图2为本发明光学原理示意图。图3为实施例3中本发明整体结构示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1，如图1和2所示，一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，包括全密封壳体1，全密封壳体1内部自上而下依次设有第一反射板6、透镜组件23和第二反射板13，全密封壳体1下部设有通光孔20，第二反射板13活动覆盖在通光孔20上，第二反射板13与设置在平台22上的第三放射板12平行设置，使用时，样品放置在第三反射板上，第二反射板13从通光孔20上移开。第一反射板6、透镜组件23和第二反射板13位于同一中心轴线上，第一反射板6和第二反射板13分被位于透镜组件23的上下位置时，第二反射板13覆盖在通光孔上，此时起到密封全密封壳体，第一反射板6和第二反射板13与透镜组件23形成自动定标结构，即关上通光口20，光源闪光时，同时采集两个定标反射板光束，通过双光路光谱运算后既完成双光路光谱定标校准。所述全密封壳体1的内壁上设有环形设置的LED灯4，LED灯4分别与第一反射板6、第二反射板13相对应；本装置中使用的可见光全谱LED灯，此LED灯不包含有紫外光谱，因此不需要额外的紫外滤光片，使光学结构进一步简化。使用128颗全谱LED灯珠均匀的排列在环形全密封壳体内壁上，以45度环形均匀的照射在被测物表面，使被测物充分的实现漫反射，经实际测试即使被测物±3mm抖动仍能满足测试要求，且此装置符合CIE规定450度几何照明观察条件。所述全密封壳体1上部设有光纤引出孔21，用于光纤的引出。本LED照明装置一共分为三个工作状态，即内部光谱定标、外部光谱定标、测量，通过三个状态实现对样品的高精度测量。通过第一反射板、第二反射板（或第三反射板）和透镜组件组成准对称式双光路测量系统，准对称式双光路测量系统是指光源监测支路和测量支路使用基本一致的光学结构及完全一样的光学元件构成的双光路系统。光学颜色测量系统采用准对称式双光路设计时，光源闪光的同时，光源监测支路和测量支路以相同的光学结构完成采集，对后续光谱数据处理带来很大的优点，如系统长时间运行或受温度影响后光源光谱难免会发生变化，由于双光路光学结构基本相同，光谱即使较大的变化也不影响双光路系统对光源能量波动的分辨率，进而提高长期测量光谱的重复性，准对称式双光路光学系统结构简单，容易安装和调试，一般不需要调就能实现双光路能量的一致性。进一步，所述透镜组件23包括透镜筒16，透镜筒16通过透镜连接板19与全密封壳体1相连接，透镜筒16的中心部设有与水平面成45°倾斜设置的双面反射镜9，双面反射镜9表面镀有反射膜，可进行双面反射。透镜筒16的上部设有第一光阑8和第一透镜7，第一透镜7位于第一光阑8的下部；透镜筒16的下部设有第二光阑18和第二透镜17，第二透镜17位于第二光阑18的下部；透镜筒16的左侧设有监测支路光纤10，透镜筒16的左侧设有样品支路光纤11，监测支路光纤10、第一透镜7与双面反射镜9之间设有光路通道，即监测光路通道。样品支路光纤11、第二透镜17与双面反射镜9之间设有光路通道，即样品测量光路通道。监测支路光纤和样品支路光纤采用连接器固定，所述透镜筒16的下方设有毛玻璃2；透镜筒16的内壁、全密封壳体1的内壁和透镜连接板19上均设有黑色涂层。使用时可进行内部光谱定标、外部光谱定标、测量三个工作状态。内部光谱定标时，第二反射板遮盖在通光孔上，全谱LED环形光源发出角度为120度接近自然光可见光谱，出射光分为两路，其中第一路出射光和第一反射板6法线为45度反射后，通过第一光阑8限制入射光的尺寸后，进入第一透镜7聚焦，最后经双面反射镜9反射后，由光源监测支路光纤采集，同时第二路出射光经毛玻璃2漫辐射分布透射后，以近似于和第二反射板13法线为45度角反射后经过第二光阑18进入第二透镜17聚焦，最后经双面反射镜9反射后，由样品监测支路光纤采集，既同步得到双路光谱信息，经过光谱运算既完成测量支路和光源监测支路内部光谱定标。外部定标时，根据被测物设定的±5mm距离间隔将第三反射板12放置固定在该平行距离，第二反射板从通光孔上移开，打开通光口20，接着全谱LED环形光源发出角度为120度接近自然光可见光谱，出射光分为两路，其中第一路出射光和第一反射板6法线为45度反射后，通过第一光阑8限制入射光的尺寸后，进入第一透镜7聚焦，最后经双面反射镜9反射后，经光源监测支路光纤采集，同时第二路出射光经毛玻璃2漫辐射分布透射后，以近似于和第三反射板12法线为45度角反射后经过第二光阑18进入第二透镜17聚焦，最后经双面反射镜9反射后，经样品监测支路光纤采集，通过第三反射板12和第二反射板13及第一反射板6的光谱收集后，然后由光谱定标算法完成测量距离的光谱定标。长时间测量时，受到光谱仪及多种因素的影响及环境湿度及温度的变化，测量到的光谱将不可避免的会发生变化，这将需要重新定标样品支路光谱和光源监测支路所对应的关系，这时可根据目标环境来设定自动内部光谱定标间隔，通过光谱运算后既完成实时双光路光谱定标。实施例2，一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，所述全密封壳体1的内壁上设有环形散热器5，环形散热器5采用铝块加工而成，环形散热器5上设有LED基板3，LED灯4设置在LED基板3上，LED灯4采用韩国首尔（SEOUL）Sunlike全谱自然光灯珠。使用128颗全谱LED灯珠均匀的排列在LED基板3上，以45度环形均匀的照射在被测物表面，使被测物充分的实现漫反射。所述LED灯4光源与第一反射板6法线成45°±5°设置，LED灯4光源与第二反射板13法线成38°±5°设置，便于光源在第一反射板和第二反射板上更好反射，LED灯4在整个圆周上以45度对被测物进行照明，这种照明方式将被测物表面的不均匀性对测量的结果显著降低，所述环形散热器5和LED基板3上均设有黑色涂层，减少光传播过程中的损耗。进一步，所述通光孔20上覆盖有连接板15，第二反射板13安装在连接板15上，连接板15通过传动机构与设置在全密封壳体1内部的位移电机14相连接，实现第二反射板活动覆盖在通过孔上。所述传动机构包括蜗轮24和蜗杆25，蜗轮24设置在位移电机14的输出轴上，蜗杆25设置在连接板15上，蜗轮24与蜗杆25相配合。位移电机14与后台控制器相连接，位移电机转动带动蜗轮转动，蜗轮带动蜗杆左右移动，进而实现连接板带动第二反射板的左右移动，实现通光口的开闭。通光口的开合有以下两个功能：一是关闭通光口20时减少外部环境对光学系统的污染，二是关闭通光口时第二反射板处于定标位置，可随时定标。具体实现方法为其中第二反射板安装在连接板上方，自动定标时可驱动位移电机带动连接板移位至第二反射板和通光口20在一条中心轴线上，既关上通光口20，光源闪光时，同时采集两个定标反射板光束，通过双光路光谱运算后既完成双光路光谱定标校准，提高测量精度。其他结构与实施例1相同。实施例3，如图3所示，一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，所述传动机构包括大齿盘24a和小齿轮25a，小齿轮25a设置在位移电机14的输出轴上，大齿盘24a固定在连接板15上，大齿盘24a的下部通过转轴与全密封壳体转动连接，便于连接板的摆动，大齿盘24a和小齿轮25a啮合。即位移电机通过小齿轮带动大齿盘转动，连接板在大齿盘进行前后摆动，实现通光口的开闭；对于在线式颜色测量仪器来讲，安装有在线非接触式分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置。将会使测量周期的灵活性显著提高，颜色测量仪器如应用在良好的环境下，测量时打开通光口后，可使用0.5秒的频率重复点亮全谱LED环形光源，而不影响本装置自身的温度，测量完成后再关闭通光口。其他结构与实施例2相同。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：包括全密封壳体（1），全密封壳体（1）内部自上而下依次设有第一反射板（6）、透镜组件（23）和第二反射板（13），全密封壳体（1）下部设有通光孔（20），第二反射板（13）活动覆盖在通光孔（20）上，第二反射板（13）与设置在平台（22）上的第三放射板（12）相对应，第一反射板（6）、透镜组件（23）和第二反射板（13）位于同一中心轴线上；所述全密封壳体（1）的内壁上设有环形设置的LED灯（4），LED灯（4）分别与第一反射板（6）、第二反射板（13）相对应。2.根据权利要求1所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述透镜组件（23）包括透镜筒（16），透镜筒（16）通过透镜连接板（19）与全密封壳体（1）相连接，透镜筒（16）的中心部设有与水平面成45°倾斜设置的双面反射镜（9），透镜筒（16）的上部设有第一光阑（8）和第一透镜（7），第一透镜（7）位于第一光阑（8）的下部；透镜筒（16）的下部设有第二光阑（18）和第二透镜（17），第二透镜（17）位于第二光阑（18）的下部；透镜筒（16）的左侧设有监测支路光纤（10），透镜筒（16）的左侧设有样品支路光纤（11），监测支路光纤（10）、第一透镜（7）与双面反射镜（9）之间设有光路通道，样品支路光纤（11）、第二透镜（17）与双面反射镜（9）之间设有光路通道；所述透镜筒（16）的下方设有毛玻璃（2）。3.根据权利要求2所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述双面反射镜（9）表面镀有反射膜；透镜筒（16）的内壁、全密封壳体（1）的内壁和透镜连接板（19）上均设有黑色涂层。4.根据权利要求1或2或3所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述全密封壳体（1）的内壁上设有环形散热器（5），环形散热器（5）上设有LED基板（3），LED灯（4）设置在LED基板（3）上。5.根据权利要求4所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述LED灯（4）光源与第一反射板（6）法线成45°±5°设置，LED灯（4）光源与第二反射板（13）法线成38°±5°设置；所述环形散热器（5）和LED基板（3）上均设有黑色涂层。6.根据权利要求1或5所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述通光孔（20）上覆盖有连接板（15），第二反射板（13）安装在连接板（15）上，连接板（15）通过传动机构与设置在全密封壳体（1）内部的位移电机（14）相连接。7.根据权利要求6所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述传动机构包括蜗轮（24）和蜗杆（25），蜗轮（24）设置在位移电机（14）的输出轴上，蜗杆（25）设置在连接板（15）上，蜗轮（24）与蜗杆（25）相配合。8.根据权利要求6所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述传动机构包括大齿盘（24a）和小齿轮（25a），小齿轮（25a）设置在位移电机（14）的输出轴上，大齿盘（24a）设置在连接板（15）上，大齿盘（24a）和小齿轮（25a）啮合。9.根据权利要求1或7或8所述的在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱LED照明装置，其特征在于：所述全密封壳体（1）上部设有光纤引出孔（21）。

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