Например, Бобцов

ЛАБОРАТОРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 681. 785. 5:536.62

Н. П. БЕЛОВ, А. Д. ЯСЬКОВ, В. Н. ГРИСИМОВ
ЛАБОРАТОРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЦВЕТНОСТИ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

Рассматриваются конструктивные особенности и основные технические характеристики лабораторного спектрометра на основе полихроматора для измерения коэффициента отражения и определения параметров цветности диффузно отражающих объектов. Приводятся результаты экспериментальной апробации прибора.

Ключевые слова: интегрирующая сфера, колориметрия, спектр отражения.

Спектроколориметрические методы и средства исследований в настоящее время широ-

ко используются в различных областях науки и техники (см., например, работу [1]). Совре-

менные технологии колориметрии, как правило, предполагают измерение спектров отраже-

ния или пропускания объекта и последующее вычисление на основе спектральных данных

его параметров цвета (цветности) в любой из принятых цветовых систем. В большинстве

приборов для исследования объектов с диффузным отражением (пропусканием) используется

интегрирующая сфера [2].

В настоящей статье рассматривается лабораторный спектрометр для измерения коэф-

фициента диффузного отражения различных объектов и определения их колориметрических

параметров в соответствии с действующими стан-

дартами (МКО 1931 г., МКО 1964 г.); приводятся

также результаты экспериментальной апробации

этого прибора.

Внешний вид разработанного лабораторного

спектрометра представлен на рис. 1, его структур-

ная схема приведена на рис. 2. В состав прибора

входят осветитель на базе интегрирующей сферы,

блок спектрометра, электронная система сбора и

обработки данных, а также компьютер с про-

Рис. 1

граммным обеспечением для обработки, вывода и хранения результатов измерений.

В осветителе прибора использована интегрирующая сфера диаметром 70 мм. В качестве

источника излучения используется малогабаритная галогенная лампа накаливания. Лампа ус-

тановлена внутри интегрирующей сферы, что повышает эффективность светоотдачи. Прямое

попадание излучения от лампы на образец (эталон) экранируется заслонкой. Интегрирующая

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

Лабораторный спектрометр для исследования диффузно отражающих объектов

75

сфера имеет многослойное „белое“ покрытие с коэффициентом отражения во всем рабочем спектральном диапазоне прибора на уровне R=0,95. Отраженное от образца (эталона) излучение передается в блок спектрометра по волоконно-оптическому жгуту, что упрощает конструкцию осветителя. Волоконно-оптический жгут принимает излучение, отраженное центральной зоной образца диаметром 2,5 мм.

Вогнутая дифракционная решетка (600 штр./мм, R=62,5 мм)

ОСВЕТИТЕЛЬ
Галогенная лампа Заслонка
Образец (эталон)

Круг Роуланда (D=125 мм)
БЛОК СПЕКТРОМЕТРА

Электронная

система

сбора

и обработки данных

Компьютер

Плоское Линейка ПЗС зеркало

Конусный имитатор

(абсолютно черное тело)

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЖГУТ

Рис. 2

Блок спектрометра построен на основе полихроматора с классической трехсекционной

нарезной вогнутой дифракционной решеткой с постоянной 600 штр./мм, с радиусом кривиз-

ны подложки 62,5 мм. Спектр отраженного излучения формируется на круге Роуланда (диа-

метр круга составляет 125 мм) и регистрируется ПЗС-линейкой SONY ILX511. Калибровка

шкалы длин волн спектрометра производилась по линиям излучения лампы ДРГС-12, а также

положению характерных особенностей в оптических спектрах цветных стекол [3]; погреш-

ность калибровки не хуже 0,5 нм.

Выходной сигнал ПЗС-линейки обрабатывался электронной системой сбора и обработ-

ки данных.

Используемое программное обеспечение позволяет получать и выводить данные измере-

ний в виде графиков и/или числовых массивов, определять расчетным путем параметры цвета x,

y, z для стандартных излучателей А, В, С или D65 и стандартных наблюдателей с углом поля

зрения 10° (МКО 1931 г.) или 30° (МКО 1964 г.), а также осуществлять распечатку и хранение

данных. На рис. 3 и 4 представлены рабочее окно и структура меню программы пользователя.

R, %
0

1
λ, нм
Рис. 3
Для примера в рабочем окне программы приведены графики коэффициента отражения эталона 0 (стекло МС22) и стандарта „серого“ 1 (Standart 85).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

76 Н. П. Белов, А. Д. Яськов, В. Н. Грисимов

Измерения производятся по однолучевой схеме, которая предполагает предварительную

калибровку измерительного тракта. Процедура калибровки предусматривает выполнение

двух операций: определение нулевого уровня сигнала, для чего используется конический

имитатор абсолютно черного тела, и определение уровня максимального сигнала при помощи

эталона на основе молочного стекла МС22, аттестованного в ФГУ „Тест — С.-Петербург“.

Основные технико-эксплуатационные параметры прибора

Рабочий спектральный диапазон, нм ....................................................... 380—760

Предел спектрального разрешения, нм, не хуже.....................................

5

Погрешность калибровки шкалы длин волн, нм, не хуже......................

0,5

Погрешность измерения коэффициента отражения, не хуже ................

0,01

Питание от сети.......................................................................................... 220 В, 50 Гц

Передача данных........................................................................................ Через USB порт

Существенной особенностью рассматриваемого спектрометра является использование в

осветителе лампы-излучателя, помещенной в полость интегрирующей сферы, тогда как в

большинстве распространенных аналогов применяется внешнее (вынесенное за пределы сфе-

ры) расположение источника света [2, 4, 5].

D65
Число спектров Редактор названий спектров
Вывод графика на печать Калибровка по нижнему уровню Калибровка по эталону

Процесс измерения Номер СОМ порта
Источник излучения

Измерение Чтение файла

Рис. 4

Оптогеометрическая конфигурация интегрирующей сферы, использованной в данном

приборе, схематически изображена на рис. 5. Для определения возможной систематической

погрешности измерений, связанной с расположением источника света в полости интегри-

рующей сферы, были измерены спектры отражения эталонов „серого“ с коэффициентами от-

ражения в пределах 0,50—0,85. Эти же эталоны независимо аттестовывались по отражению

на лабораторном спектрометре, использующем фотометрическую интегрирующую сферу

диаметром 180 мм с внешним излучателем в геометрии 8 °/d. В результате было установлено,

что среднеквадратичное расхождение результатов проведенных измерений с поверочными

данными составило примерно 0,01.

Волоконно-оптический жгут

Отметим очевидные, по мнению авторов, пре-

имущества предложенной конфигурации интегри-

Лампа накаливания с Хе-наполнением

рующей сферы (см. рис. 5) по сравнению с аналогичными приборами, представленными, например, в

стандартах [4, 5]. В интегрирующих сферах приборов-

аналогов могут использоваться два внешних излуча-

Заслонка

теля; для исследования объектов с индикатрисой отражения, отличной от ламбертовской (имеющих зер-

кальный лоск), применяется черное матовое покрытие

Образец (эталон)

(фильтр), которое наносится в области расположения

Рис. 5

детектора и охватывает угол с апертурой 15,5° [4]. Предложенная конфигурация интегрирующей

сферы (см. рис.5), помимо упомянутых выше большей эффективности светоотдачи излучате-

ля и относительной простоты конструкции в целом (за счет ее более высокой по сравнению с

[4, 5] осевой симметрии), позволяет обеспечить более равномерную засветку поверхности

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

Лабораторный спектрометр для исследования диффузно отражающих объектов

77

исследуемого образца. При необходимости использования черного фильтра для подавления влияния лоска образца на результаты измерений (как и в [4, 5]) в предлагаемой конфигурации интегрирующей сферы может быть существенно уменьшен апертурный угол фильтра (покрытия).
Экспериментальная апробация прибора производилась на традиционных для такого рода исследований объектах, в том числе лакокрасочных покрытиях, образцах целлюлозы и бумаги, полиграфических материалах и пр. За исключением экспериментов на образцах бумаги с фотооптическим отбеливателем, где требуется специальная калибровка прибора, и образцах с зеркальным компонентом отражения, во всех остальных экспериментах наблюдалась удовлетворительная сходимость (на уровне 0,02) результатов, полученных в ходе исследований, и независимых результатов измерений спектров отражения.
Относительно новую и перспективную область применения спектроколориметрических методов представляют собой медико-биологические исследования. Так, в последние два десятилетия эти методы стали весьма востребованными в области стоматологического материаловедения. Это связано с широким применением новых реставрационных (пломбировочных) материалов, удовлетворяющих современным эстетическим требованиям и позволяющих восстанавливать как анатомическую форму, так и цвет зуба.

R, % 20 15

1 2
3

10 4

5 0
380 430

Ch

1 — до полимеризации 2 — после полимеризации

Es

3 — до полимеризации 4 — после полимеризации

480 530 580 630 680

λ, нм

Рис. 6
При воспроизведении цвета реставрируемого зуба следует учитывать не только цвет материала, указанный в его паспорте, но и степень полупрозрачности, толщину накладываемого слоя, а также возможное изменение цвета в процессе полимеризации. Последний фактор обусловлен структурными изменениями большинства реставрационных материалов из-за полимеризационной усадки их органической матрицы [6]. Иллюстрацией вышесказанного может служить рис. 6, на котором представлены графики спектров отражения двух реставрационных материалов до и после полимеризации. Образцы имели одинаковую толщину (1,1 мм) и располагались на подложке черного цвета. Из представленных графиков следует, что в процессе полимеризации цвет материала Ch изменился цвет, а параметры цвета материала Es остались практически без изменений. Кроме того, графики демонстрируют цветовое отличие материа-

лов в полимеризованном состоянии, тогда как по паспорту они относятся к одной цветовой группе с аналогичными степенями полупрозрачности (цвет A3 VITA, эмалевые оттенки).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике / Пер. с англ.; Под ред. Л. Ф. Артюшина. М.: Мир, 1978.
2. Оптические свойства лакокрасочных покрытий / М. М. Гуревич, Э. Ф. Ицко, М. М. Середенко. Л.: Химия, 1984.
3. Цветное оптическое стекло и особые стекла: каталог / Сост.: К. И. Арефьева и др.; Под ред. Г. Т. Петровского. М.: Дом оптики, 1990.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

78 П. С. Андреев, Т. Н. Шабалина, О. Ю. Пикуль, В. И. Строганов

4. ISO 2469:2007 Бумага, картон и целлюлоза. Измерение коэффициента диффузного отражения [Электронный ресурс]: .

5. ISO 2470:1999 Бумага, картон и целлюлоза. Измерение коэффициента диффузного отражения в синей области спектра (степень белизны по ISO) [Электронный ресурс]: .

6. Характер изменения цвета микрогибридных композитов в процессе полимеризации / В. Н. Грисимов, А. Д. Яськов, Н. П. Белов // Институт стоматологии. 2004. № 4 (25). С. 97—100.

Николай Павлович Белов Андрей Дмитриевич Яськов Владимир Николаевич Грисимов

Сведения об авторах — Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники; ст. науч. сотрудник; E-mail: belof@imail.ru — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники; E-mail: belof@imail.ru — д-р мед. наук; Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. И. П. Павлова, лаборатория оптических технологий

Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники СПбГУ ИТМО

Поступила в редакцию 16.01.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7