专利名称：多功能颜色测量和观察系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种颜色测量和观察系统，尤其是一种适用于表面不规则物体颜色测量和 观察的系统。
背景技术：
国际照明委员会(Commission International d，Eclairage，简称CIE)和美国材料 与试验学会(Araercan Society for Testing and Materials,简称ASTM)推荐的用于颜 色测量的几何条件主要有如下几种 漫射照明，垂直观察。 垂直照明，漫射观察。 45°照明，垂直观察。 垂直照明，45°观察。 漫射照明，8°观察，包含镜面成分。 漫射照明，8°观察，不包含镜面成分。 漫射照明，漫射观察，包含镜面成分。 45°环形照明，垂直观察。 垂直照明，45°环形观察。 垂直照明，垂直观察。另外，对于具有珍珠色(pearlescent)或金属色(metallic)的材料，ASTM推荐多 角度几何条件逆定向反射角(aspecular angle) 15° 、 45° 、 110°测量。以上的几何条件，结合适当的照明体，即光源，以及测量器件，如光谱仪、光电二极 管、光电倍增管等，或观察器件，如目镜、摄像头等，就可以构成一个完整的颜色测量和 观察硬件系统。依据上述几何条件构造的颜色测量和观察系统，可以测量和观察平面或者接近平面的 物体表面的颜色。但是对于表面不规则的物体，特别是，不规则表面上的微小区域，很难 给出稳定的可以重复的测量和观察。其技术上的困难主要在于，由于物体表明不规则，从 而难于找到法线位置。同时测量和观察角度也是依据法线位置确定的，所以测量和观察角度也无法确定。这样，测量和观察的几何条件不能控制，颜色测量的稳定性和可重复性都 会非常差。其测量结果只能作为参考，不能作为定量分析的依据。更无法实现对同一物体 的长期跟踪测量和观察。在某些领域，如文物保护行业，需要对表面不规则的物体测量和观察颜色，如古陶瓷、 漆器、岩洞壁画等，并且需要对文物进行长期跟踪测量和观察。有鉴于此，需要一种能够实现不规则表面颜色测量和观察的技术。发明内容本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种能够实现不规则表面颜色测量和观察的 装置。本发明的技术方案概述如下一种多功能颜色测量和观察系统，其特征在于包括一个带刻度的弧形悬臂，弧形悬臂 通过一个连接轴固定在一个支架上，弧形悬臂上装有物镜系统，物镜系统连接光源或测量 或观察装置，物镜系统通过滑动装置在弧形悬臂上滑动并固定。所述连接轴包括固定块和旋转轴，所述固定块上有角度刻度，弧形悬臂相对于固定块 通过旋转轴旋转，旋转角度按照固定块上的角度刻度设定，其中旋转角度的设定可以采用 手动也可以采用电机来控制。所述滑动装置釆用滑动块并用紧丝固定，或者采用强磁铁材料的滑动连接装置。所述物镜系统有一个或多个，每个物镜系统至少连接一个光源或一个测量装置或一个 观察装置，或者每个物镜系统连接一个光源和一个测量装置，或者每个物镜系统连接一个 光源和一个观察装置。所述物镜系统包括物镜筒、光学镜片、滑轨、可调的旋丝、顶丝；所述物镜筒安装在 滑轨上并采用顶丝固定；所述可调的旋丝用于对光学镜片的聚焦点进行左右、前后移动调 节，其中物镜筒沿滑轨滑动及物镜聚焦点的调节可以手动也可以利用电机来控制。所述测量装置可以是光谱仪、颜色传感器，或者是其他的测量装置，观察装置可以是 监视器或与计算机相连接的摄像头，或者是显微镜，或者是投影屏，或者是其他的观察装 置。所述物镜系统与光源或者测量装置或者观察装置的连接方式为光纤，或者未采用任何 光学器件的直接连接，或者经过透镜、反射镜、半透半反镜、滤光片连接、或者各类镜片 的组合连接，或者其他光学器件连接方式。所述光谱仪或其他测量装置和计算机相连，由计算机控制测量和收集数据。 所述物镜系统在弧形悬臂上的滑动，可以手动也可以利用电机来控制。 测量或观察的几何条件是通过物镜系统在悬臂上的滑动实现的，微小区域的测量或观察是通过调整聚焦点实现的。与现有技术相比，本发明的有益效果是能够以非接触方式测量和观察规则和不规则表面。对于某个测量点，可以得到不同几何条件的测量数据。
图1A是近似垂直照明/45°测量方案结构视图。图1B-1是物镜系统与弧形悬臂系统相连接的正面视图。图1B-2是物镜系统与弧形悬臂系统相连接的左视图。图1C是近似垂直照明/45。测量方案物镜系统40滑动到(X+40) °位置的结构视图。图1D是近似45°照明/45°测量方案物镜系统40置于0。位置结构视图。图1E是近似45°照明/45°测量方案物镜系统40置于(X+40) °结构视图。图lF是珍珠色(pearlescent)和金属色(metallic)测量方案逆定向反射角(aspecular angle) 15°位置结构试图。图1G是珍珠色(pearlescent)和金属色(metallic)测量方案逆定向反射角(aspecular angle) 45°位置结构视图。图1H是说明珍珠色(pearlescent)和金属色(metallic)测量方案逆定向反射角 (aspecular angle) 110°结构视图。图2A是顶部连接轴截面图。图2B是固定块上的角度刻度的视图。图3A是物镜系统结构主视图。图3B是物镜系统结构俯视图。其中IOO指完整的方案系统，IO指顶部连接轴，20指弧形悬臂系统，30和40指物镜 系统，50和60指光源，70指光谱仪，80指计算机，90指支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述-如图1A所示，弧形悬臂21通过顶部连接轴10与支架90连接。弧形悬臂21上有两个可通过滑动块滑动的物镜系统30、 40。物镜系统30经由光纤39与光源50连接，物镜 系统40经由光纤49与光谱仪70、光源60连接。光谱仪70与PC机80，经由RS232串口 或USB或其他方式相连。该方案中，利用PC机80控制光谱仪70并采集处理数据。被测 物体99放置于弧形悬臂21下方。顶部连接轴10,主要包括一个固定块12和一个旋转轴13。固定块12上，有角度刻 度ll，旋转轴13的旋转角度可以依角度刻度11准确设定，并由顶丝17加以固定。旋转 轴13经由连接件14和弧形悬臂21连接。固定块12上面由一个过孔18，与支架90连接， 由顶丝15、 16加以固定。如图2A、 2B所示。物镜系统30连接一个滑动块46，该滑动块46连接一个紧丝35。当旋松紧丝35时， 物镜系统30可以利用滑动块46，在悬臂21上滑动。当旋紧紧丝35时，可使物镜系统30 稳定地固定在悬臂21上。利用物镜系统30这一特点，可以使物镜系统30依据悬臂21的 刻度准确定位。如图1B-l所示是物镜系统与弧形悬臂系统相连接的正面视图，图lB-2所 示是物镜系统与弧形悬臂系统相连接的左视图。物镜系统40具有与物镜系统30相同的滑 动定位装置。物镜系统30有一个汇聚透镜片36，可以对光线聚焦。透镜片36的位置位于物镜筒 38的末端，如图3A、 3B所示。物镜筒38可以沿着燕尾滑轨37滑动，并由顶丝34固定。 光学镜片的聚焦点位置，可以通过旋丝32、 33进行左右、前后调节。物镜系统40具有与 物镜系统30相同的物镜筒、透镜片和调节装置。该实施方案的具体操作如下首先将被测物体99的测量区域，置于悬臂21下方。设定顶部连接轴10的角度位置。 具体的测量模式，可以依据被测物体的性质特点而选择。这里以3种模式为例说明。但是， 本系统的工作模式不仅仅限于这3种。本领域的专业人士可以根据需要设计并实现各种不 同的测量模式。第一种模式近似垂直照明/45°测量。因为物体99表面不规则，其法线位置很难确定，同时45°的测量位置也是近似的， 因此称为近似垂直照明/45。测量。为了得到比较好的测量效果，在测量之前，先寻找接 近法线的位置。然后，在接近45°位置，多点测量。最后，可以使用统计方法或者列表作 图的方法，对多点测量结果进行统计分析，以描述被测点的颜色性质。 具体实施步骤如下。1. 1物镜系统30利用Y型光纤39与光源50、光谱仪70连接。物镜系统30定位于悬臂的 0°位置。如图1C所示。1. 2打开光源50，调整物镜系统30上的透镜片的聚焦点与测量区域重叠，(可用放大镜 或者目测或者其他方式观察聚焦点与测量区域重叠的情况)。利用光谱仪70和PC机80 采集光谱数据，并计算颜色参数L、 a*， b*。1. 3稍微改变物镜系统30的角度位置或者物体99的摆放位置，并按照1. 2的步骤操作。 1.4多次重复1.3的操作，找到1>最大值(或接近最大值)对应的物镜系统30的位置。 假设该角度为X。
(X<5)。1.5将另一个物镜系统40滑动到(X+40) °位置。如图1C所示。1. 6物镜系统40由Y型光纤49连接到光谱仪70和光源60。物镜系统30由光纤39连接 到光源50。如图1A所示。1.7打开光源50和60。通过上下滑动物镜系统40的物镜筒，及其左右和俯仰角度，调节 物镜筒上透镜片的聚焦点的位置和大小，使之与被测区域重叠。关闭光源60，利用光谱仪 测量被测区域的颜色。1. 8改变物镜系统40的位置至(X+41) ° ， (X+42) ° ， (X+43) 。 , (X+44) ° ， (X+45) ° ， (X+46) ° ， (X+47) ° ， (X+48) ° ， (X+49) ° ， (X+50) ° ，然后按照步骤1.7， 分别测量颜色。1.9对测量得到的数据列表统计。 第二种模式近似45°照明/45°测量。2. 1如图1D所示，物镜系统40由Y型光纤41连接到光源60和光谱仪70。2. 2将物镜系统40置于0°位置。如图1D所示。按照如1. 3和1. 4中所述的操作(将物 镜系统30换成物镜系统40)，寻找L^的最大值对应的物镜系统40的角度位置X° (X<5)。 2.3打开光源60。将物镜系统40置于(X+40) ° ，如图1E所示。调整物镜筒上透镜片的 聚焦点与测量区域重叠，(可用放大镜或者目测或者其他方式观察聚焦点与测量区域重叠 的情况)然后测量颜色。2.4将物镜系统40分别置于(X+41) 0 ， (X+42) 0 ， (X+43) 。 ， (X+44) ° ， (X+45) ° ， (X+46) ° ， (X+47) ° , (X+48) ° ， (X+49) ° ， (X+50) °位置，然后按照步 骤2.3，分别测量颜色。 2.5列表统计测量数据。第三种模式珍珠色(pearlescent)或金属(metallic)色物体颜色测量。按照ASTM推荐的测量几何条件，需要在至少三个位置进行测量，即逆定向反射角为 15° ， 45° , 110° 。这3种几何条件只能适用于表面规则的物体。如图1F、 1G、 1H所示，具体实施方案如下。3. 1将物镜系统30由Y型光纤42与光源60和光谱仪70连接。物镜系统40由光纤43与 光源50连接。将物镜系统30置于0。位置。打开光源60。利用量角器或者丁字尺或其他 工具，确定物镜系统30的物镜筒与被测物体表面垂直。调整被测物体的位置，使物镜系 统30上的透镜片的聚焦点与测量区域重叠(可用放大镜或者目测或者其他方式观察聚焦 点与测量区域重叠的情况)。将物镜系统40置于45。位置。将物镜系统30置于物镜系统 40对侧的30°位置，即逆定向反射角15。位置，如图1F所示。3.2打开光源50和60。调节两个物镜系统30和40，使它们的聚焦点都与被测区域重叠。 3.3关闭与物镜系统30所连接的光源60。 3.4利用光谱仪70，测量颜色。3.5将物镜系统30置于(T位置，即逆定向反射角45。位置，如图1G所示。 3.6按照3.2， 3.3， 3.4中步骤操作。3.7将物镜系统30置于与物镜系统40同侧的65。位置，即逆定向反射角110°位置，如 图1H所示。3.8按照3.6的步骤操作，列表统计测量数据。在以上各个方案中，如果在连接光谱仪的位置，改为直接连接目镜，则可以直接通过 肉眼对测量区域的颜色做观察。如果在连接目镜的位置，改为连接摄像头，再连接到监视 器或者计算机，则可以通过显示器或者计算机的显示屏观察或者拍照记录测量区域的颜 色。以上列举的实施方案和操作方法，不是对本发明的穷举，也不应以任何理由视为对本 发明的范围的限制。例如上述实施方式中对透镜片聚焦点的调节、物镜系统在悬臂上的调节，顶部连接轴 旋转角度的调节可采用手动也可以连接一电机，利用电机调节。这样做可以更快速、更准 确的实现各种定位和调节，同时可以利用控制软件实现自动控制和测量。再例如，上述实 施方式中将物镜系统40置于(X+30) °位置，每隔r连续测量20个点。再例如，上述实施方式中所使用的测量装置光谱仪，也可以替换为能测量红、绿、蓝三种颜色的三个光 电二极管，同样可以测量颜色。其优点是成本远远低于光谱仪。使用光电二极管测量时，可以省略光纤，而采用直接连接或者透镜连接的光路类型。再例如，滑动块46可以选用强磁铁材料，而悬臂21同时选用铁磁体不锈钢材料，此时可以简化滑动装置，还可以改 进滑动装置的稳定性。此处叙述的示例方案仅仅是对本发明原理的解释。不应以任何方式，利用上面的叙述 限制本发明的范围。本领域的专业人士，可以利用本发明的原理，设计各种不同的实施方 案，而不超出本发明的范围。
权利要求
1、一种多功能颜色测量和观察系统，其特征在于包括一个带刻度的弧形悬臂，弧形悬臂通过一个连接轴固定在一个支架上，弧形悬臂上装有物镜系统，物镜系统连接光源或测量装置或观察装置，物镜系统通过滑动装置在弧形悬臂上滑动并固定。
2、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述连接轴包括固定块 和旋转轴，所述固定块上有角度刻度，弧形悬臂相对于固定块通过旋转轴旋转，旋转角度 按照固定块上的角度刻度设定。
3、 如权利要求2所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于旋转角度的设定采用手 动或者用电机控制。
4、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述滑动装置采用滑动 块并用紧丝固定，或者釆用强磁铁材料的滑动连接装置。
5、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述物镜系统有一个或 多个，每个物镜系统连接一个光源或一个测量装置或一个观察装置，或者每个物镜系统连 接一个光源和一个测量装置，或者每个物镜系统连接一个光源和一个观察装置。
6、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述物镜系统包括物镜 筒、光学镜片、滑轨、可调的旋丝、顶丝；所述物镜筒安装在滑轨上并采用顶丝固定；所 述可调的旋丝用于对光学镜片的聚焦点进行左右、前后移动调节。
7、 如权利要求6所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于物镜筒沿滑轨的滑动及 光学镜片聚焦点的调节采用手动或者用电机控制。
8、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述测量装置是光谱仪 或者颜色传感器；观察装置是监视器，与计算机相连接的摄像头，显微镜，或者投影屏。
9、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述物镜系统与光源或 者测量装置或者观察装置的连接方式为光纤连接，或者是经过透镜、反射镜、半透半反镜、 滤光片连接，或者是各类镜片的组合连接，或者是未采用光学器件的直接连接。
10、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述测量装置和计算机 连接，所述计算机用于控制测量和收集数据。
11、 如权利要求1所述的多功能颜色测量和观察系统，其特征在于所述物镜系统在弧形悬 臂上的滑动，采用手动或者用电机来控制。
全文摘要
本发明公开了一种多功能颜色测量和观察系统，该系统包括一个带刻度的弧形悬臂，弧形悬臂通过一个连接轴固定在一个支架上，弧形悬臂上装有物镜系统，物镜系统连接光源或测量装置或观察装置，物镜系统通过滑动装置在弧形悬臂上滑动并固定。物镜系统中的物镜筒还可以沿一滑轨滑动，物镜筒上光学镜片的聚焦点也可以前后、左右调节，测量或观察的几何条件是通过物镜系统在悬臂上的滑动实现的，微小区域的测量或观察是通过调整物镜筒上光学镜片的聚焦点实现的。本发明能够以非接触方式测量和观察规则和不规则表面，对于某个测量点，可以得到不同几何条件的测量数据。
文档编号G01J3/46GK101221073SQ20081005573
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月8日 优先权日2008年1月8日
发明者伟 刘 申请人:北京大学