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(wù)是測定色刺激函數 φ(λ)；對于光源的測量,實(shí)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φ(λ)之后,就可以根據色度學(xué)的三個(gè) 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值調整到100。 顏色測量包括光源顏色的測量與物體色的測 量?jì)纱箢?lèi)。物體色測量又分為熒光物體測量和非 熒光物體測量。在實(shí)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(lèi)。其中,儀器測色 又包括分光光度法和光電積分法(也稱(chēng)三刺激值 法)兩種。 溫度計| 溫度表| 風(fēng)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的顏色測量方法。在進(jìn) 行目視測色時(shí),首先要確定標準的照明和觀(guān)察條 件，該條件要必須能在較長(cháng)的時(shí)間內保持穩定。 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?chē)�際照明委員會(huì )(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(méi)有相應的可用 于光室的CIE自然日光標準光源。所有實(shí)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(xué)合理地定 義目視照明的周?chē)鷪?chǎng)和背景，使光暗室中的真實(shí) 光源達到對現實(shí)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?chē)鷪?chǎng)[3]指的是光暗室的內壁,其應該是無(wú) 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?chē)鷪?chǎng)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(guān)察的視角為： 2θ= 2 arctan (r/d)。判斷兩個(gè)試樣的色差時(shí)， 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(guān)察條件，即參比條件主要包括以下 參數[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；⑥日光模擬器 分類(lèi)等級(Daylight Stimulator Category Rating) ； ⑦光室內壁與底面的明度。

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(shí)，會(huì )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(guān)察一種均勻有色材 料時(shí),會(huì )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(guān)察者的相互作用取決于光源的漫反射和定向 性能、觀(guān)察位置以及光源與樣品、樣品與觀(guān)察者 之間的特定幾何關(guān)系,所以可以通過(guò)調整相關(guān)的 條件參數,以突出或減弱其顏色、紋理或光澤。 根據每種光學(xué)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,在大多數計算機三維作圖 軟件中,通過(guò)改變三原色的比例,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(jìn)行。由于樣品表面的結 構特性,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)對測色結果會(huì )有 很大的影響。同時(shí),照明光束的孔徑和測量光束 的孔徑大小對顏色測量的結果也有影響,這些幾 何參數稱(chēng)為照明與觀(guān)察條件�？梢�(jiàn),為了交流、 比較顏色測量的結果,必須嚴格規定照明與觀(guān)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(jiàn)光光度 計、紅外分光光度計等。無(wú)論哪一類(lèi)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。分光光度計技術(shù)指標主 要有8個(gè)，即：基線(xiàn)平直度、穩定性、波長(cháng)準確 度、波長(cháng)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(guò)測量光源的光譜 功率分布或物體反射光的光譜功率，來(lái)計算顏色 三刺激值，進(jìn)而計算出各種顏色參數[4]。它通過(guò) 探測樣品的光譜成分確定其顏色參數，所以精度 非常高。在大多數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(gè)分光器件和一 個(gè)探測器。測量時(shí)，通過(guò)比較參照物和樣品在同 一波長(cháng)上反射的單色輻射功率得出數據，采用軟 硬件措施消除測量的系統誤差(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(gè)分光器 件和兩個(gè)探測器同時(shí)測量樣品和參照標準，克服 了系統變化帶來(lái)的誤差。
2 根據光譜信號采集方式劃分 根據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(cháng)間隔，采用機械掃描結構，逐個(gè)波長(cháng)采集光 譜信號，經(jīng)信號處理后顯示數據。其優(yōu)點(diǎn)是精度 較高，缺點(diǎn)是光路和結構復雜，測量速度慢，且 波長(cháng)重復性差,對光源的穩定性要求較高, 受光 源的不穩定性等因素影響嚴重，不適合在線(xiàn)測量 [5]。此類(lèi)儀器一般由光源、單色器、探測器、數 據處理和輸出裝置組成,其光源一般為穩定性光 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(shí)探測全波段光譜。它通過(guò) 分光系統由多通道光電探測器探測待測物整個(gè)空 間光譜能量的分布信息，然后將光譜信息產(chǎn)生的 時(shí)序信號送入處理電路進(jìn)行處理和計算，最后顯 示數據。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光譜 掃描測量系統相比有許多優(yōu)點(diǎn)，例如測量時(shí)間極 短，信噪比較高，對光源穩定性要求低，不必使 用機械掃描就能獲取空間分辨和時(shí)間分辨光譜， 特別適用于瞬態(tài)和大數據量的光譜測量。

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分光光度計的傳統光路和結構, 此類(lèi) 儀器體積龐大，測速慢。20世紀70年代出現的 MACBETHM 2S2020分光光度計采用閃光光源和 陣列硅二極管探測，改進(jìn)了結構，大大縮短了測 量時(shí)間，代表了當時(shí)測色儀器的發(fā)展方向[6]。 隨著(zhù)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?jì)x器，通過(guò)不同的接 口，輔助分光光度計完成控制測量和數據采樣, 并能根據使用要求計算出色度參數。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(shí)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(diǎn)是測 色過(guò)程自動(dòng)化，并能夠利用電腦擴展測色儀器的 功能[6],以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。目前國內外普 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。這種系統采用液晶顯 示，并具有自動(dòng)校正、自動(dòng)補償、數據處理、圖 像處理、圖像識別、存儲和記憶等功能。一般便 攜式分光測色儀內的存儲器能儲存1000多個(gè)數據 和50多個(gè)標準色樣, 并通過(guò)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。美能達CM22600d是世界上首創(chuàng )的內置UV瞬 間調節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。 3.3 光電積分法

3.3.1 測色原理 現代色度學(xué)的發(fā)展為儀器客觀(guān)地評價(jià)顏色奠 定了基礎。光電積分法是20世紀60年代儀器測色 中采用的常見(jiàn)方法。光電積分法不是測量某一波 長(cháng)的色刺激值，而是在整個(gè)測量波長(cháng)區間內，通 過(guò)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。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(gè)光探測器接收光刺激時(shí)， 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(mǎn)足盧瑟條件，以精確匹配光探測 器。在實(shí)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(xiàn)的匹 配積分誤差小于2à，y(K)曲線(xiàn)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、數據處理 器和輸出單元四部分組成。探測器一般是三個(gè)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(chǎng)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(gè)色源之 間的差別，因而又被稱(chēng)為色差計。國外色差計從 上世紀60年代開(kāi)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(kāi)始研制這類(lèi)儀器, 如北京光 學(xué)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的TG2PIIG全自動(dòng)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(guò)望遠鏡系 統對遠距離目標進(jìn)行顏色參數測量。

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、醫藥、汽車(chē)和家電等行業(yè)，市場(chǎng)前景十分廣 闊[1]。 廣州市駿凱電子科技有限公司隨著(zhù)科學(xué)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(xiàn)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(xué)研究和工業(yè)生 產(chǎn)中應用最廣泛的顏色測量方法。隨著(zhù)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(guò)渡到分光光度法。光電攝譜法是當今國 際上最先進(jìn)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]；與電腦結合擴展測色儀器 功能；顏色在線(xiàn)動(dòng)態(tài)測試[7]。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā) 展，虛擬測色儀器[8]也是發(fā)展方向。