国外在线式分光测色仪发展概况介绍

国外在线式分光测色仪发展已相当成熟，但进口仪器昂贵的价格却让国内大多数中小企业望而却步。国内在线式颜色测量仪器的研究与国外相比，起步晚，成果较少，有着较大的差距。了解国外在线式分光测色仪的发展概况，对研究工业生产中在线式颜色测量的相关技术具有很强的应用背景及重要意义。本文对国外在线式分光测色仪的发展概况进行了介绍。

美国Industrial Development Laboratory在1960年提出最初的装置，由于受环境光的影响，需要在仪器上加一个遮光箱，故现场使用受到很大的限制。十九世纪七十年代末美国Ford Aerospace&Co mmunications Corporation 研制了一种名为“Qualscan”的在线颜色分析仪，它采用连续光源照明，被测样品的反射光由16个滤光片进行分光，再用16个硅光电二极管接收，取得了良好的效果。1979年美国的Macbeth公司提出的MS-4045在线分光光度计，采用高能脉冲氩灯作为照明光源，用衍射光栅作分光元件，用线阵硅光电二极管作接收元件，获得了很大的成功，处于领先地位。1983年美国Macbeth公司的On-Line Scanning Color Eye在生产上取得了实效，在结构设计等方面显得更为合理先进。

经过数十年技术改进，国外厂商推出了一系列在线式分光测色仪产品，目前技术发展已经相当成熟，下面将针对几个国际上知名公司的仪器进行详述。

1.美国Hunterlab

美国Hunterlab公司，作为世界上最重要的颜色实验室之一，具有将近60年的颜色测量仪器研发历史，当前有多款在线式分光测色仪在售，如Spectra Trend®HT、SpectraProbe®XE、SpectraProbe®S/8、ColorQuest®OL等四款仪器，这四款仪器均达到NEMA4/IP65防护级别，可以适应恶劣的工厂环境，有效做到防止灰尘、水、化学物质等对仪器的影响。通过标准的RS-422、RS-232或以太网通信可与PC连接，很容易与工厂控制系统整合，组成闭合控制。

Spectra Trend®HT采用0°照明/30°测量的几何条件，尽管不符合CIE推荐的标准几何条件，但在很多场合仍有广泛应用，可测量不透明的网状、单件和块状的产品，如固体、粉末、颗粒、小球等。需要指出的是该仪器内置高速距离探测器，同时对颜色和高度进行连续的在线非接触式测量，根据高度和可接受的颜色范围可以区分产品和背景。在被测物与仪器距离100mm时，测量区域直径为25mm。工作距离范围从65到115mm，50mm的高度补偿范围，适用于各种高度的产品和不平整表面。仪器最小测量间隔为1秒。SpectraTrend®HT采用长寿命的全谱段LED作为照明光源，可以保证高强度的光输出。仪器为双光束光谱仪设计，分光元件采用全息凹面光栅，探测器为256像元的光电二极管阵列。其光谱范围为400～700nm，光谱分辨率小于3mm，间隔10nm的数据输出。其光度范围0～150%，重复性△E*ab小于0.03，仪器间一致性△E*ab小于0.30，与台式分光测色仪具有最佳的一致性。

SpectraProbe®XE是一个多用途、高性能的在线分光测色仪，用于对产品颜色的持续测量、分析和报告，可以用来更快地优化生产工艺，更准确地保持产品质量。该仪器使用0°照明/45°圆周测量的条件，可以测量各种方向性和光泽的表面，广泛应用于纺织品、纸张、塑料和卷材连续涂覆等测量。被测物与仪器距离25.4mm时，测量区域直径为65mm，工作距离范围25.4±6.35mm。仪器测量速度为每秒1次。SpectraProbe®XE采用脉冲氩灯作为照明光源，经过滤光片的输出光近似为D6s标准照明体，光源寿命大于15亿次闪光，采用全息凹面光栅和256像元的光电二极管阵列的双光束光谱仪设计，分光系统指标与SpectraTrend®HT基本一致。光度范围0～150%，最小显示分辨率0.01%。重复性△E*ab小于0.02。

SpectraProbe®S/8用于非接触在线式金属膜和高镜面反射光产品的颜色测量，如镀膜玻璃的第一表面。使用漫反射光照明（包含镜面反射光）/8°测量的条件，测量结果与实验室中d/8测量条件的仪器一致。被测物与仪器距离25.4mm时，测量区域直径为76mm，工作距离范围从12.7～25.4mm。仪器最小测量间隔为1秒。SpectraProbe？S/8采用钨灯作为照明光源，分光系统采用全息凹面光栅和76像元的光电二极管阵列，光谱范围375~750nm，光谱分辨率10mm，间隔5nm的数据输出，重复性△E*ab小于0.1。值得一提的是，该仪器具有自动光谱定标功能，一个由电磁铁驱动的内部敏错混合物滤光片会自动插入和移出光路，用于光谱定标。

ColorQuest®OL用于非混浊透明物体颜色在线测量，如薄膜、薄片等。由于透射式测量，照明和接收装置被安装在一个支撑结构上，样品从中间通过。照明区域直径35mm，测量区域直径25mm，被测物与接收装置距离51～254mm。仪器最小测量间隔小于5秒。ColorQuest®OL采用脉冲氩灯作为照明光源，光源寿命大于10亿次闪光，照明光和接收光均由光纤束传送。仪器为双光束光谱仪设计，光谱范围400～700nm，光谱分辨率10mm，间隔10nm的数据输出。另外，对于混浊透明物体，可用ColorQuest®OL Haze同时测量颜色和混浊度。

2.美国X-Rite

美国X-Rite（爱色丽）作为当今最大的颜色质量管理公司，研发的非接触在线检测系统Vericolor®Spectro是一种可实现高品质测量且经济实用的检测系统，可广泛应用于各种行业。该系统允许安装在生产线的上游，在生产过程中尽早检测出颜色变化，减少报废成本。由于采用了专利的光源设计，系统对荧光灯、钠灯和白炽灯等环境光不敏感，无须改变工厂的照明条件，更无须安装遮光设施。该系统通过了NEMA4/IP56的防护级别审核，可防液、防尘、防污染，并能经受冲击和振动。该系统不仅设计坚固，而且维护方便，仅需进行日常的清洁和每月一次的校正即可。系统能通过RS232与RS485等多种数据接口与PC或PLC连接并传输数据。系统软件基于Windows操作系统，使用方便，包括具有实时视觉监控和趋势图形，而且生成的数据可以以EXCEL文件的形式记录。

Vericolor®Spectro采用0/30°或30/0°的测量条件（测量结果基于0/30），为双光束光谱仪设计，光谱范围400～700nm，通过10nm间隔的可见光光谱分析可提供精确的L*a*b*绝对值数据。光源为全谱段LED，寿命大于一千万次测量。系统测量精度高，短期重复性△E*ab为0.03，仪器间一致性△E*ab为0.3。仪器单次测量时间750毫秒，最小测量间隔为1秒。名义测量距离为101.6mm，测量区域直径25.4mm，且当测量距离偏差在士5.0mm之内，引起的色差△E*ab小于0.20，受距离波动的影响较小，连续生产中无需使用稳定滚筒。

3.美国GretagMacbeth

GretagMacbeth（格灵达麦克贝斯，现为X-Rite子公司）公司是世界颜色控制与颜色管理技术领域的领导者，于在线式颜色测量领域开发有多款产品，广泛应用于造纸、玻璃、塑料制品等生产过程，如ERX40用于在线式白度测量，ERX54用于在线式透射样品颜色测量，CarFlash用于汽车车身颜色测量，这里不再一一介绍，仅对用于纸张颜色测量的在线式分光测色仪ERX5036-3做详细分析。

纸张生产过程如果颜色走偏了，一般需要手动控制调整染料配方，直到重新调整好，会产生许多次品。配色很难可以一次就达到目标值，一般颜色修正要重复几次。这将消耗大量的时间、纤维和颜料，而且不合格纸将会被循环使用或者处理掉，造成不必要的浪费。GretagMacbeth作为完备的系统供应商，提供了正确的解决方案。在线式分光测色仪ERX50是一套完整的颜色测量和闭环颜色控制系统，可应用于所有的纸和纸板产品。ERX50的测量结果与标准颜色值进行比较，软件计算一步即可得出颜料的修正值，控制计量泵调整颜料剂量配比，无需反复修正即可完成颜色修正。ERX50通常在纸张卷曲前进行颜色测量，此处质量接近成品纸，对闭环颜色控制而言，此处也是最佳位置，而且与实验室仪器的相关性非常好。ERX50适用于所有连续的、非接触的颜色测量场合，可以测量任何纸张的所有颜色（包含或者不含荧光增白剂）。测量系统一年365天，24小时不间断地连续测量颜色，每天自动的内部校正能保证良好的精确性和重复性，使操作员从控制中解放出来。ERX50为非接触式测量，由于一种特殊的距离补偿装置，即使样品有几毫米的距离抖动，测量结果仍然很稳定。环境光、车速或正常的抖动不会影响测量结果的精确性，这一优点尤其适合在线非接触式颜色测量。ERX50可以测量荧光样品的颜色，通过UV控制，基础颜色和荧光增白剂的效果会分开测量，因此调色时两者可以分开来独立控制。仪器设计紧凑、简洁、结实，达到IP65防护级别，防尘防水，很少需要维修。为了保证精准的测量结果和长期的稳定性，系统自动校正功能中包括标准白板校正和自动光谱定标。自动内部校正系统使用自带的内部标准白板，在测量过程中按一定的时间周期自动地进行内部校正，无需人工干预。ERX50通过USB和计算机连接起来，测量数据可以传输到计算机，CAN总线能保证计算机和测量系统远达500米的通讯。

该仪器系统采用45°环形照明/0°接收的标准几何条件（符合CIE标准），采用双光束光谱仪设计，由两个一样的高分辨率的光谱仪组成，分光元件为全息凹面光栅，光谱范围为330~730nm，1nm的光谱分辨率，0.1nm的波长精度和1nm的光谱测量间隔使测量结果十分精确。测量距离为10mm时，测量区域直径12mm，测量距离抖动±4mm内，引起的色差△E*ab小于0.15。光源采用2个脉冲氩灯，一个氩灯光谱分布近似D65，另一个氩灯截去紫外光（UV），用于荧光样品颜色测量。单次测量时间为20毫秒，测量间隔从3秒到20秒可调。仪器具有较好的精度，重复性△E*ab小于0.1，仪器间一致性AE*ab小于0.3。

测量时，脉冲氩灯发出的光照射在样品上，样品表面法线方向的反射光将被收集并被导入到光谱仪中，同时，另一个光谱仪将测量光源的能量分布以用于光源发光能量波动的补偿。分光系统将测量到的光信号按波长分解，通过401个光电传感器进行测量，测量信号经放大和数字化处理，由微处理器计算得到修正的光谱反射数据。从330nm到730nm的401个反射光谱数据是所有进一步计算的基础，最终得出样品颜色参数。

4.日本KONICA MINOLTA

日本KONICAMINOLTA（日本）公司在颜色测量领域具有很高的地位，在台式分光测色仪和便携式分光测色仪领域技术先进，市场占有率名列前茅。直到2013年才在北美市场推出第一台非接触在线式颜色测量系统NC-1，需要指出该系统并不是分光测色仪，而是光电积分式色度计，但作为世界知名公司的产品，在此仅作简单介绍。

该系统集成过程控制系统，因此可提供闭环控制。系统采用多方向22°照明/0°接收的测量几何条件，并不符合CIE推荐的测量几何条件，但由于采用了多方向照明，系统可测量质地粗糙的、不平坦的物体，在食品、建筑材料、塑料、药品等行业中可以得到良好的应用。与传统单个传感器的在线式系统相比，NC-1每个控制器可监控多达5个传感器，更适用于宽的生产线，单个传感器最大测量速度高达每秒20次。在恶劣的生产环境中，IP66级别的防护措施，保证该系统耐用可靠。分析软件可由控制面板进入，也可由计算机进入，极大方便远程控制。

NC-1光源采用卤钨灯，具有反射色和透射色两种测量模式，静态条件下反射测量区域直径10mm，透射测量区域直径28mm，名义工作距离70mm，可接受的垂直抖动范围5mm，重复性△E*ab为0.04。