顏色測量方法和設備及發(fā)展趨勢

顏色測量方法和設備及發(fā)展趨勢

1 測色基本原理 顏色測量的根本任務是測定色刺激函數(shù) φ(λ)；對于光源的測量,實際上是要測定光 源的相對光譜功率分布P(λ)；對于物體色的測 量，則是測定物體的光譜光度特性，如反射物體 的光譜輻亮度因數(shù)β(λ)和光譜反射比P (λ)、 透射物體的光譜透射比τ(λ) 等。在測得了色 刺激函數(shù)φ(λ)之后,就可以根據(jù)色度學的三個 基本方程求出被測顏色的CIE三刺激值X、Y、Z， 將所選擇的標準照明體的Y值調(diào)整到100。 顏色測量包括光源顏色的測量與物體色的測 量兩大類。物體色測量又分為熒光物體測量和非 熒光物體測量。在實際生產(chǎn)和日常生活中，涉及 到大量的非熒光物體測色[2]。顏色測量的方法分 為目視測色和儀器測色兩大類。其中,儀器測色 又包括分光光度法和光電積分法(也稱三刺激值 法)兩種。 溫度計| 溫度表| 風速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計|

2 目視測色 目視法是一種最傳統(tǒng)的顏色測量方法。在進 行目視測色時,首先要確定標準的照明和觀察條 件，該條件要必須能在較長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。 因此，通常需要采用光暗室(如標準燈箱),并且 光暗室的光譜功率分布和照度應該正好與樣品需 要的照明條件一致。盡管國際照明委員會(CIE)推 薦了多種標準照明體，其中包括D50、D55、D65、 D75等各種標準D照明體[2]，但還沒有相應的可用 于光室的CIE自然日光標準光源。所有實際用于目 視評估的光源,與自然晝光在光譜功率分布和照 度上都存在很大差異。為此，需要科學合理地定 義目視照明的周圍場和背景，使光暗室中的真實 光源達到對現(xiàn)實世界照明條件的最接近模擬。電導計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計| 折射儀| 采樣儀|  周圍場[3]指的是光暗室的內(nèi)壁,其應該是無 光澤和中性的,而且其特定的明度取決于被模擬 的照明環(huán)境。背景[3]指的是樣品放置其上的表 面，一般大多指光暗室的底面。當限定了光暗室 的周圍場和背景，并且其光源也選定后,必須測 量光源的光譜功率分布和照度水平。被測顏色樣 品的尺寸應該保持一致，并且樣品的尺寸越大, 其目視測量的精確度也越高。一般,樣品至少應 有13cm2大小。如圖1所示[3]，觀察的視角為： 2θ= 2 arctan (r/d)。判斷兩個試樣的色差時， 該樣品對的制備方法應該相同,并且習慣上將試 樣以與其邊界接觸的方式放置。 綜上，又如圖2所示，用于目視測色的光暗 室的照明和觀察條件，即參比條件主要包括以下 參數(shù)[2]: ①相對光譜功率分布；②色品坐標；③ 相關(guān)色溫；④照度；⑤顯色指數(shù)；⑥日光模擬器 分類等級(Daylight Stimulator Category Rating) ； ⑦光室內(nèi)壁與底面的明度。

3 儀器測色
3.1 儀器測色的幾何條件 在光與材料相互作用時，會產(chǎn)生鏡面反射 和漫反射、定向透射和散射透射以及光吸收等, 其中每種成分的特定組合取決于光源、材料的性 能及其幾何關(guān)系。當人們在觀察一種均勻有色材 料時,會注意到其顏色以及光是如何從材料表面 反射的。從材料表面反射的光產(chǎn)生鏡面光澤、紋 理、圖像清晰度光澤和珠光等。由于光源、物體 和觀察者的相互作用取決于光源的漫反射和定向 性能、觀察位置以及光源與樣品、樣品與觀察者 之間的特定幾何關(guān)系,所以可以通過調(diào)整相關(guān)的 條件參數(shù),以突出或減弱其顏色、紋理或光澤。 根據(jù)每種光學成分的關(guān)系,以及每種成分的顏色, 可以判斷該材料是否漆有油漆,或是否為塑料、 織物、金屬等。因此,在大多數(shù)計算機三維作圖 軟件中,通過改變?nèi)�原色的比�?可以模擬出日常 生活中的物體。 為了便于國際對比,顏色的測量必須在CIE標 準照明體或標準光源下進行。由于樣品表面的結(jié) 構(gòu)特性,同樣的物體在不同方向上具有不同的反 射或透射,因此照明的幾何狀態(tài)對測色結(jié)果會有 很大的影響。同時,照明光束的孔徑和測量光束 的孔徑大小對顏色測量的結(jié)果也有影響,這些幾 何參數(shù)稱為照明與觀察條件。可見,為了交流、 比較顏色測量的結(jié)果,必須嚴格規(guī)定照明與觀察 幾何條件。
3.2 分光光度法
3.2.1 測量原理 分光光度法定量分析的基礎(chǔ)是朗伯-比爾 （Lam-bert-Beer）定律，即溶液的吸光度與溶液 的濃度及液層厚度的乘積成正比。分光光度計因 使用范圍不同分為紫外分光光度計、可見光光度 計、紅外分光光度計等。無論哪一類分光光度計 都由下列五部分組成，即光源、單色器、狹縫、 樣品池、檢測器系統(tǒng)。分光光度計技術(shù)指標主 要有8個，即：基線平直度、穩(wěn)定性、波長準確 度、波長重復性、光度準確性、光度重復性、分 辨率及光譜帶寬、雜散光。 如左圖3，分光光度法通過測量光源的光譜 功率分布或物體反射光的光譜功率，來計算顏色 三刺激值，進而計算出各種顏色參數(shù)[4]。它通過 探測樣品的光譜成分確定其顏色參數(shù)，所以精度 非常高。在大多數(shù)顏色測量中常采用物體反射色 測量。
3.2.2 測量方法
1 按照光譜組成劃分 按照光路組成的不同，分光光度法可以分為 單光束分光測色法和雙光束分光測色法。 單光束分光測色法只采用一個分光器件和一 個探測器。測量時，通過比較參照物和樣品在同 一波長上反射的單色輻射功率得出數(shù)據(jù)，采用軟 硬件措施消除測量的系統(tǒng)誤差(光源光強分布差 異、光路變化、溫度變化、電路漂移等)。該方 法成本較低。雙光束分光測色法采用兩個分光器 件和兩個探測器同時測量樣品和參照標準，克服 了系統(tǒng)變化帶來的誤差。
2 根據(jù)光譜信號采集方式劃分 根據(jù)光譜信號采集方式不同，可以把分光光 度法分為光譜掃描法和光電攝譜法兩種[5]。 (1) 光譜掃描法 光譜掃描法是單通道測色方法。它按一定 波長間隔，采用機械掃描結(jié)構(gòu)，逐個波長采集光 譜信號，經(jīng)信號處理后顯示數(shù)據(jù)。其優(yōu)點是精度 較高，缺點是光路和結(jié)構(gòu)復雜，測量速度慢，且 波長重復性差,對光源的穩(wěn)定性要求較高, 受光 源的不穩(wěn)定性等因素影響嚴重，不適合在線測量 [5]。此類儀器一般由光源、單色器、探測器、數(shù) 據(jù)處理和輸出裝置組成,其光源一般為穩(wěn)定性光 源，如鹵鎢燈、氙燈等。單色器是儀器的核心， 分為棱鏡分光式、光柵分光式和濾光片分光式 等。探測器采用光電倍增管及光電管。 (2) 光電攝譜法 光電攝譜法可同時探測全波段光譜。它通過 分光系統(tǒng)由多通道光電探測器探測待測物整個空 間光譜能量的分布信息，然后將光譜信息產(chǎn)生的 時序信號送入處理電路進行處理和計算，最后顯 示數(shù)據(jù)。光電攝譜法是光譜分析技術(shù)領(lǐng)域中的一 次革命, 與使用單色儀和光電倍增管的傳統(tǒng)光譜 掃描測量系統(tǒng)相比有許多優(yōu)點，例如測量時間極 短，信噪比較高，對光源穩(wěn)定性要求低，不必使 用機械掃描就能獲取空間分辨和時間分辨光譜， 特別適用于瞬態(tài)和大數(shù)據(jù)量的光譜測量。

3.2.3 分光測色儀器 國外早期生產(chǎn)的分光測色儀，大多采用 光譜掃描法。20世紀70年代前，分光測色儀采 用HARDY分光光度計的傳統(tǒng)光路和結(jié)構(gòu), 此類 儀器體積龐大，測速慢。20世紀70年代出現(xiàn)的 MACBETHM 2S2020分光光度計采用閃光光源和 陣列硅二極管探測，改進了結(jié)構(gòu)，大大縮短了測 量時間，代表了當時測色儀器的發(fā)展方向[6]。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，20世紀80年代初，微型 計算機很快應用于顏色測量儀器，通過不同的接 口，輔助分光光度計完成控制測量和數(shù)據(jù)采樣, 并能根據(jù)使用要求計算出色度參數(shù)。美國X-Rite 公司生產(chǎn)的8000系列是全球第一臺采用USB接口 連接的臺式分光光度儀。20世紀80年代后期和90 年代初, 采用光電攝譜法的分光測色儀在國際 上得到很大發(fā)展。Datacolor公司的SF系列儀器和 日本美能達公司的CM 22 500d 2600d和CM 23 600d等測色儀是這一時期分光測色儀向便攜式、 小型化發(fā)展的代表產(chǎn)品[6]。 采用光電攝譜法的分光測色儀，其特點是測 色過程自動化，并能夠利用電腦擴展測色儀器的 功能[6],以滿足不同用戶的需求。目前國內(nèi)外普 遍研究和采用帶有微處理器，并建有檢測和信息 處理功能的集成電路系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用液晶顯 示，并具有自動校正、自動補償、數(shù)據(jù)處理、圖 像處理、圖像識別、存儲和記憶等功能。一般便 攜式分光測色儀內(nèi)的存儲器能儲存1000多個數(shù)據(jù) 和50多個標準色樣, 并通過接口與電腦連接[6]， 廣州市駿凱電子科技有限公司廣泛應用于多種測量的比較和運算,如SF450X分 光測色儀與配色軟件連接，可組成電腦配色系 統(tǒng)。美能達CM22600d是世界上首創(chuàng)的內(nèi)置UV瞬 間調(diào)節(jié)功能的便攜式分光測色計，它可與電腦連 接使用色彩品質(zhì)管理軟件或配色系統(tǒng)。 3.3 光電積分法

3.3.1 測色原理 現(xiàn)代色度學的發(fā)展為儀器客觀地評價顏色奠 定了基礎(chǔ)。光電積分法是20世紀60年代儀器測色 中采用的常見方法。光電積分法不是測量某一波 長的色刺激值，而是在整個測量波長區(qū)間內(nèi)，通 過積分測量測得樣品的三刺激值X、Y、Z，再由 此計算出樣品的色品坐標等參數(shù)。通常用濾光片 覆蓋在探測器上, 把探測器的相對光譜靈敏度S (K)修正成CIE推薦的光譜三刺激值x(K)、y(K)、 z(K)。用這樣的三個光探測器接收光刺激時， 就能用一次積分測量出樣品的三刺激值X 、Y、 Z。濾光片需滿足盧瑟條件，以精確匹配光探測 器。在實際的濾色修正中,由于色玻璃的品種有 限，儀器不可能完全符合盧瑟條件，只能近似符 合。應用部分濾光片法可使x(K)和z(K)曲線的匹 配積分誤差小于2à，y(K)曲線的匹配積分誤差 小于0.5à 。

3.3.2 光電積分式儀器 光電積分式儀器由光源、探測器、數(shù)據(jù)處理 器和輸出單元四部分組成。探測器一般是三個帶 有修正濾光片組的光電管或大面積硅光電二極管 (在要求儀器有較高靈敏度的場合下采用光電倍 增管)。光電積分式儀器不能精確測量出色源的 三刺激值和色品坐標，但能準確測出兩個色源之 間的差別，因而又被稱為色差計。國外色差計從 上世紀60年代開始大量生產(chǎn)，如日本美能達臺式 色差儀CR2400􀀀410、色彩色差計CR2321。我國 從上世紀80年代初開始研制這類儀器, 如北京光 學儀器廠生產(chǎn)的TG2PIIG全自動測色色差計，但和 國外相比，我國研制的色差計臺間差較大。彩色 亮度計也是一種光電積分式儀器，通過望遠鏡系 統(tǒng)對遠距離目標進行顏色參數(shù)測量。

4 顏色測量的發(fā)展趨勢
顏色測試儀器應用行業(yè)較廣，可應用于國 防、紡織印染、化妝品、造紙、油漆、塑料、交 通、醫(yī)藥、汽車和家電等行業(yè)，市場前景十分廣 闊[1]。 廣州市駿凱電子科技有限公司隨著科學技術(shù)水平的提高，目視測色法因精 度低，已基本被淘汰。目前顏色測量通常采用光 電積分法和分光光度法。光電積分式測色儀器具 有一定的測量精度，適用于只需要控制物體顏色 (如快速質(zhì)檢、在線檢測)，測量精度要求不很高 而又不需要配色的行業(yè)。分光光度法有光譜掃描 法和光電攝譜法兩種，是目前科學研究和工業(yè)生 產(chǎn)中應用最廣泛的顏色測量方法。隨著光電子器 件和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，精確顏色測量目前 已完全過渡到分光光度法。光電攝譜法是當今國 際上最先進的測色方法，代表了顏色測量的發(fā)展 方向。測色儀器的發(fā)展趨勢: 便攜化、小型化、 快速化和高精度化[7]；與電腦結(jié)合擴展測色儀器 功能；顏色在線動態(tài)測試[7]。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā) 展，虛擬測色儀器[8]也是發(fā)展方向。