物理分光光度測(cè)色方法主要有機(jī)械掃描式和電子掃描式兩大類。機(jī)械掃描式分光光度測(cè)色儀屬傳統(tǒng)方法，精度雖高但速度慢；電子掃描式分光光度測(cè)色儀則速度快。效率高，因而更適于工業(yè)應(yīng)用。

采用分光光度測(cè)量顏色的內(nèi)容，主要包括物體反射或透射光度特性的測(cè)定，以及根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值函數(shù)計(jì)算出樣品的三刺激值X、Y、Z等色度參數(shù)。

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的測(cè)色儀器產(chǎn)品幾乎都利用計(jì)算機(jī)來完成儀器的測(cè)量、控制和大量的數(shù)據(jù)處理工作，使測(cè)色操作更為簡(jiǎn)單和快捷，測(cè)量精度更高，結(jié)果更可靠。這些自動(dòng)分光光度測(cè)色儀器按其使用要求、技術(shù)指標(biāo)或結(jié)構(gòu)組成，可有很多分類方法。按光路組成不同，可以分為單光束和雙光束兩類；按色散元件分類，則有棱鏡、光柵、棱鏡2棱鏡、棱鏡2光柵、光柵2光柵、干涉濾光片等不同色散元件，以及由此組成的分光光度測(cè)色儀，其中色散系統(tǒng)采用兩個(gè)色散元件組合成的光學(xué)系統(tǒng)稱為雙單色儀色散系統(tǒng)。比較通用的分類方法是根據(jù)所用光探測(cè)器的不同，而分為以人眼作為光探測(cè)器的目視分光光度測(cè)色儀，以及應(yīng)用物理探測(cè)器的自動(dòng)分光光度測(cè)色儀。

一般，物理分光光度測(cè)色儀可以分成常規(guī)的光譜掃描和同時(shí)探測(cè)全波段光譜兩大類。光譜掃描法是利用分光色散系統(tǒng)（單色器）對(duì)被測(cè)光譜進(jìn)行機(jī)械掃描，逐點(diǎn)測(cè)出各個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的輻射能量，由此達(dá)到光譜功率分布的測(cè)量。這種方法屬于機(jī)械掃描式分光光度法，精度很高，但是測(cè)量速度較慢，是一種傳統(tǒng)的光譜光度測(cè)色方法。為了加快測(cè)量速度，提高測(cè)色效率，隨著光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了同時(shí)探測(cè)全波段光譜的新型光譜光度探測(cè)方法。該方法基于陣列光電探測(cè)器的多通道檢測(cè)技術(shù)，通過探測(cè)器的內(nèi)部的電子自動(dòng)掃描來實(shí)現(xiàn)全波段光譜能量分布的同時(shí)探測(cè)，所以稱為電子掃描式分光光度法。

機(jī)械掃描式分光光度測(cè)色儀

在顏色測(cè)量?jī)x器的發(fā)展進(jìn)程中，機(jī)械掃描式光譜測(cè)色儀在分光光度測(cè)色儀器中占有十分重要的地位，目前仍是光譜檢測(cè)和顏色科學(xué)研究中重要的高精度實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備之一。這類儀器一般由照明光源、單色儀、光電檢測(cè)系統(tǒng)和微型計(jì)算機(jī)電子控制系統(tǒng)等主要部件構(gòu)成（如圖1所示）。樣品的光譜反射比是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的光譜反射比進(jìn)行測(cè)量的。樣品和標(biāo)準(zhǔn)均受到光源經(jīng)單色儀分光后的漫射照明，而光探測(cè)器在接近垂直于樣品的角度接收反射信號(hào)，最后由微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而獲得測(cè)量結(jié)果。在該測(cè)色系統(tǒng)中，采用了通過積分球?qū)崿F(xiàn)的d/0照明與觀察幾何條件。

圖1 機(jī)械掃描式分光光度測(cè)色儀的基本組成

隨著掃描式分光光度儀不斷改進(jìn)和發(fā)展，其光學(xué)系統(tǒng)也從單光束發(fā)展到雙光束結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)了具有現(xiàn)代設(shè)計(jì)概念的發(fā)射光譜光度計(jì)。圖2所示的Zeiss RFC3就有這樣的一個(gè)系統(tǒng)。該儀器采用氙燈發(fā)出的混色光（白光）照明樣品，然后通過一系列窄帶干涉慮光片來分析樣品反射的光輻射。由計(jì)算機(jī)控制光譜光度計(jì)中的測(cè)量操作順序，并在得到測(cè)量值后自動(dòng)計(jì)算出所要求的顏色參數(shù)。當(dāng)然，整個(gè)系統(tǒng)的操作指令可以通過鍵盤輸入，同時(shí)計(jì)算機(jī)配置了合適的顯示器和打印設(shè)備。

在這臺(tái)Zeiss儀器中，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)測(cè)反射比的修正。在測(cè)量過程中適中不動(dòng)的參考標(biāo)準(zhǔn)是一塊用純硫酸鋇特別壓制的小圓盤，只有當(dāng)它被損傷或弄臟時(shí)才需更換。

圖2 Zeiss RFC3反射光譜光度計(jì)

在對(duì)試樣進(jìn)行實(shí)際測(cè)量之前，首先要完成兩項(xiàng)測(cè)量工作。一是由標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定過的陶瓷白板，二是一個(gè)黑色光澤陷阱。儀器給出的當(dāng)前讀數(shù)與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的標(biāo)定值進(jìn)行比較，并用定標(biāo)數(shù)據(jù)來修正在后繼試樣測(cè)量中得到的實(shí)測(cè)反射比值。然后，將修正值用于計(jì)算在任何選定的標(biāo)準(zhǔn)光源或標(biāo)準(zhǔn)觀察者條件下的CIE三刺激值，以及在任何其他具有轉(zhuǎn)換方程的顏色空間中的色度參數(shù)。這種采用100%和0%自動(dòng)標(biāo)定修正的方法，大大提高了顏色測(cè)量的長(zhǎng)期和短期重復(fù)性。

電子掃描式分光光度測(cè)色儀

機(jī)械掃描式分光光度測(cè)色系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了光譜測(cè)色的精度要求，但是由于其光譜測(cè)量時(shí)通過單色儀的機(jī)械掃描來完成的，所以測(cè)量速度較慢，工作效率低，不利于工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。因此，作為分光光度測(cè)色儀技術(shù)的發(fā)展成就，采用光電探測(cè)器列陣的多通道快速分光測(cè)色儀已經(jīng)逐漸普及，這類儀器除了具有分光光度測(cè)色儀器的測(cè)量精度之外，還具有光電積分式測(cè)色系統(tǒng)的測(cè)量速度，是現(xiàn)代顏色科學(xué)研究與工業(yè)測(cè)控技術(shù)不可缺少的顏色測(cè)量設(shè)備。

快速分光光度測(cè)色儀的出現(xiàn)與光電探測(cè)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)展的分不開的，是隨著固體圖像傳感器的發(fā)展而產(chǎn)生的。固體圖像傳感器主要有三大類型：一種的電荷耦合器件（簡(jiǎn)稱CCD）；第二種是自掃描光電二極管陣列（簡(jiǎn)稱SPD），屬于MOS圖像傳感器；第三種是電荷注入器件（簡(jiǎn)稱CD）。其中前兩種用的比較多，而在多通道快速測(cè)色系統(tǒng)中用的最普通的是自掃描光電二極管陣列SPD。

在快速分光光度測(cè)色儀器應(yīng)用的陣列探測(cè)器件，可直接安裝在分光色散系統(tǒng)的出射狹縫處。這里的分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已不需要如機(jī)械掃描式光譜測(cè)色儀那樣，用出射狹縫把單色輻射分割開來。這種儀器沒有出射狹縫機(jī)械部件，因此該色散系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)多色儀，全部單色儀光譜輻射都同時(shí)從出射狹縫射出，并射到光電探測(cè)器上，探測(cè)器陣列同時(shí)獲得了整個(gè)光譜能量分布的信息。可見，這種儀器以光譜信號(hào)的電子掃描代替了傳統(tǒng)的機(jī)械掃描方式，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品顏色的快速測(cè)量，因此成為電子掃描式分光光度測(cè)色儀。

與常規(guī)的用單色器分光實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描的測(cè)色系統(tǒng)相比，電子掃描式多通道系統(tǒng)除了具有快速、高效的優(yōu)點(diǎn)之外，還大大降低了對(duì)測(cè)量對(duì)象和照明光源的時(shí)間穩(wěn)定性要求。應(yīng)用快速存?。▽?duì)不含相關(guān)信息的通道快速跳過）和分組處理（通過將相鄰?fù)ǖ老嗉涌蛇M(jìn)一步改善時(shí)間分辨率）等技術(shù)，在時(shí)間分辨率和光譜分辨率兩者之間實(shí)現(xiàn)有益的兼顧。

從機(jī)械掃描式分光測(cè)色儀到電子掃描式多通道快速分光測(cè)色儀的發(fā)展過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過一種過渡型快速測(cè)色系統(tǒng)，即采用分立的硅光二極管排列起來組成一個(gè)“陣列”，作為光電探測(cè)器，以接收有光纖束從多色儀的出射面?zhèn)鲗?dǎo)過來的光譜信號(hào)，由此達(dá)到快速光譜掃描測(cè)量的目的。例如，德國(guó)Optronik公司生產(chǎn)的COLORFLASH系列光譜光度測(cè)色儀就是這樣的系統(tǒng)。其中采用16根光纖將多色儀輸出的光譜能量傳遞到16個(gè)硅光電二極管探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)了在400~700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)以20nm波長(zhǎng)間隔的快速測(cè)色。顯然，這樣的儀器其光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，安裝和調(diào)試也很麻煩，所以當(dāng)陣列探測(cè)器件迅速發(fā)展并被普遍應(yīng)用后，上述問題也就不復(fù)存在了。

在應(yīng)用陣列探測(cè)器的快速分光測(cè)色儀器中，有一種比較特別的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在這里作一個(gè)簡(jiǎn)要介紹。那就是如日本日本公司生產(chǎn)的CM-1000分光測(cè)色即所采用的分光傳感器（圖3）。其光接收部分有兩列SPD構(gòu)成，分別用于測(cè)定短波長(zhǎng)區(qū)（400~500nm）和長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)（500~700nm）。測(cè)量光線由上方入射，400~500nm波長(zhǎng)的光經(jīng)過帶通慮光鏡I和II，照射到短波長(zhǎng)區(qū)的SPD陣列上；而500~700nm波長(zhǎng)的光則經(jīng)過帶通濾光鏡I和III射到長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)的SPD陣列上。途中，兩者分別通過遮光板的兩個(gè)窗口入射到分光慮光陣列上，最后，由分光濾光鏡陣列分出不同波長(zhǎng)的光，入射到SPD陣列的各個(gè)接收部，在變換成電流輸出。這里所用的分光濾光鏡陣列都在所測(cè)量的波長(zhǎng)范圍（400~500nm和500~700nm）內(nèi)，其中心波長(zhǎng)以10nm為間隔連續(xù)排列的單色濾色光鏡陣列，并且在同一個(gè)基片制成，由此來代替分光色散系統(tǒng)。

快速測(cè)色系統(tǒng)同樣有單光束和雙光束兩大類結(jié)構(gòu)形式。美國(guó)Macbeth公司的最新型號(hào)Color-Eye 7000A分光光度計(jì)便具有典型的真雙光束光學(xué)結(jié)構(gòu)的快速光譜測(cè)色儀。該系統(tǒng)采用的照明與觀察條件仍是d/8（圖4），其內(nèi)部對(duì)應(yīng)于雙光束的設(shè)計(jì)應(yīng)用了兩個(gè)光譜分析器。其中的陣列探測(cè)器均為40光敏單元的SPD，由此在脈沖氙燈的一次閃光照明操作中，同時(shí)測(cè)量樣品和作為參考信號(hào)的積分球內(nèi)壁，這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)保證了測(cè)量過程的時(shí)間穩(wěn)定性，并達(dá)到了更快的測(cè)量速度（單次測(cè)量時(shí)間小于1s）。儀器在360~750nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的采樣間隔為10nm，波長(zhǎng)精度達(dá)0.1nm（400~700nm），光度分辨率達(dá)到0.001%，測(cè)量重復(fù)性（對(duì)白板）最大為0.0.1RMS△E CIELAB單位，并有4種不同大小的測(cè)量孔徑可供選用。

目前，在國(guó)際市場(chǎng)上出現(xiàn)的多通道快速分光測(cè)色儀器越來越多，但是采用的原理結(jié)構(gòu)大同小異，不外乎單束光和雙光束兩種類型，并以后者居多；照明光源則以脈沖氙燈為主，也有用鹵鎢燈等恒定光源的；探測(cè)器基本上都是SPD陣列，少數(shù)采用CCD陣列；樣品測(cè)量尺寸一般都有幾個(gè)孔徑可選擇，同時(shí)系統(tǒng)中都考慮了鏡面反射成分的包括與排除（SCI/SCE）切換功能。此外，大多數(shù)儀器均可測(cè)量反射和透射特性兩用。表1列出了今年來在國(guó)際上比較流行的一些快速分光測(cè)色儀器的產(chǎn)品型號(hào)、光學(xué)結(jié)構(gòu)、主要性能指標(biāo)和特點(diǎn)，以供讀者進(jìn)行對(duì)比分析和選用參考。

圖4 Macbeth Color-Eye 7000A分光光度計(jì)

1積分球 2積分球鏡面反射光澤陷阱 3 測(cè)量通道光譜分析器 4 測(cè)量通道全息光柵 5測(cè)量通道40像元探測(cè)器陣列 5參考通道光譜分析器 7 參考通道全息光柵 8參考通道40像元探測(cè)器陣列 9變焦鏡