颜色测量方法和设备及发展趋势

颜色测量方法和设备及发展趋势

1 测色基本原理 颜色测量的根本任务是测定色刺激函数 φ(λ)；对于光源的测量,实际上是要测定光 源的相对光谱功率分布P(λ)；对于物体色的测 量，则是测定物体的光谱光度特性，如反射物体 的光谱辐亮度因数β(λ)和光谱反射比P (λ)、 透射物体的光谱透射比τ(λ) 等。在测得了色 刺激函数φ(λ)之后,就可以根据色度学的三个 基本方程求出被测颜色的CIE三刺激值X、Y、Z， 将所选择的标准照明体的Y值调整到100。 颜色测量包括光源颜色的测量与物体色的测 量两大类。物体色测量又分为荧光物体测量和非 荧光物体测量。在实际生产和日常生活中，涉及 到大量的非荧光物体测色[2]。颜色测量的方法分 为目视测色和仪器测色两大类。其中,仪器测色 又包括分光光度法和光电积分法(也称三刺激值 法)两种。 温度计| 温度表| 风速计| 照度计| 噪音计| 辐照计| 声级计| 温湿度计|

2 目视测色 目视法是一种最传统的颜色测量方法。在进 行目视测色时,首先要确定标准的照明和观察条 件，该条件要必须能在较长的时间内保持稳定。 因此，通常需要采用光暗室(如标准灯箱),并且 光暗室的光谱功率分布和照度应该正好与样品需 要的照明条件一致。尽管国际照明委员会(CIE)推 荐了多种标准照明体，其中包括D50、D55、D65、 D75等各种标准D照明体[2]，但还没有相应的可用 于光室的CIE自然日光标准光源。所有实际用于目 视评估的光源,与自然昼光在光谱功率分布和照 度上都存在很大差异。为此，需要科学合理地定 义目视照明的周围场和背景，使光暗室中的真实 光源达到对现实世界照明条件的最接近模拟。电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计| 粘度计| 折射计| 滴定仪| 密度计| 热流计| 浓度计| 折射仪| 采样仪|  周围场[3]指的是光暗室的内壁,其应该是无 光泽和中性的,而且其特定的明度取决于被模拟 的照明环境。背景[3]指的是样品放置其上的表 面，一般大多指光暗室的底面。当限定了光暗室 的周围场和背景，并且其光源也选定后,必须测 量光源的光谱功率分布和照度水平。被测颜色样 品的尺寸应该保持一致，并且样品的尺寸越大, 其目视测量的精确度也越高。一般,样品至少应 有13cm2大小。如图1所示[3]，观察的视角为： 2θ= 2 arctan (r/d)。判断两个试样的色差时， 该样品对的制备方法应该相同,并且习惯上将试 样以与其边界接触的方式放置。 综上，又如图2所示，用于目视测色的光暗 室的照明和观察条件，即参比条件主要包括以下 参数[2]: ①相对光谱功率分布；②色品坐标；③ 相关色温；④照度；⑤显色指数；⑥日光模拟器 分类等级(Daylight Stimulator Category Rating) ； ⑦光室内壁与底面的明度。

3 仪器测色
3.1 仪器测色的几何条件 在光与材料相互作用时，会产生镜面反射 和漫反射、定向透射和散射透射以及光吸收等, 其中每种成分的特定组合取决于光源、材料的性 能及其几何关系。当人们在观察一种均匀有色材 料时,会注意到其颜色以及光是如何从材料表面 反射的。从材料表面反射的光产生镜面光泽、纹 理、图像清晰度光泽和珠光等。由于光源、物体 和观察者的相互作用取决于光源的漫反射和定向 性能、观察位置以及光源与样品、样品与观察者 之间的特定几何关系,所以可以通过调整相关的 条件参数,以突出或减弱其颜色、纹理或光泽。 根据每种光学成分的关系,以及每种成分的颜色, 可以判断该材料是否漆有油漆,或是否为塑料、 织物、金属等。因此,在大多数计算机三维作图 软件中,通过改变三原色的比例,可以模拟出日常 生活中的物体。 为了便于国际对比,颜色的测量必须在CIE标 准照明体或标准光源下进行。由于样品表面的结 构特性,同样的物体在不同方向上具有不同的反 射或透射,因此照明的几何状态对测色结果会有 很大的影响。同时,照明光束的孔径和测量光束 的孔径大小对颜色测量的结果也有影响,这些几 何参数称为照明与观察条件。可见,为了交流、 比较颜色测量的结果,必须严格规定照明与观察 几何条件。
3.2 分光光度法
3.2.1 测量原理 分光光度法定量分析的基础是朗伯-比尔 （Lam-bert-Beer）定律，即溶液的吸光度与溶液 的浓度及液层厚度的乘积成正比。分光光度计因 使用范围不同分为紫外分光光度计、可见光光度 计、红外分光光度计等。无论哪一类分光光度计 都由下列五部分组成，即光源、单色器、狭缝、 样品池、检测器系统。分光光度计技术指标主 要有8个，即：基线平直度、稳定性、波长准确 度、波长重复性、光度准确性、光度重复性、分 辨率及光谱带宽、杂散光。 如左图3，分光光度法通过测量光源的光谱 功率分布或物体反射光的光谱功率，来计算颜色 三刺激值，进而计算出各种颜色参数[4]。它通过 探测样品的光谱成分确定其颜色参数，所以精度 非常高。在大多数颜色测量中常采用物体反射色 测量。
3.2.2 测量方法
1 按照光谱组成划分 按照光路组成的不同，分光光度法可以分为 单光束分光测色法和双光束分光测色法。 单光束分光测色法只采用一个分光器件和一 个探测器。测量时，通过比较参照物和样品在同 一波长上反射的单色辐射功率得出数据，采用软 硬件措施消除测量的系统误差(光源光强分布差 异、光路变化、温度变化、电路漂移等)。该方 法成本较低。双光束分光测色法采用两个分光器 件和两个探测器同时测量样品和参照标准，克服 了系统变化带来的误差。
2 根据光谱信号采集方式划分 根据光谱信号采集方式不同，可以把分光光 度法分为光谱扫描法和光电摄谱法两种[5]。 (1) 光谱扫描法 光谱扫描法是单通道测色方法。它按一定 波长间隔，采用机械扫描结构，逐个波长采集光 谱信号，经信号处理后显示数据。其优点是精度 较高，缺点是光路和结构复杂，测量速度慢，且 波长重复性差,对光源的稳定性要求较高, 受光 源的不稳定性等因素影响严重，不适合在线测量 [5]。此类仪器一般由光源、单色器、探测器、数 据处理和输出装置组成,其光源一般为稳定性光 源，如卤钨灯、氙灯等。单色器是仪器的核心， 分为棱镜分光式、光栅分光式和滤光片分光式 等。探测器采用光电倍增管及光电管。 (2) 光电摄谱法 光电摄谱法可同时探测全波段光谱。它通过 分光系统由多通道光电探测器探测待测物整个空 间光谱能量的分布信息，然后将光谱信息产生的 时序信号送入处理电路进行处理和计算，最后显 示数据。光电摄谱法是光谱分析技术领域中的一 次革命, 与使用单色仪和光电倍增管的传统光谱 扫描测量系统相比有许多优点，例如测量时间极 短，信噪比较高，对光源稳定性要求低，不必使 用机械扫描就能获取空间分辨和时间分辨光谱， 特别适用于瞬态和大数据量的光谱测量。

3.2.3 分光测色仪器 国外早期生产的分光测色仪，大多采用 光谱扫描法。20世纪70年代前，分光测色仪采 用HARDY分光光度计的传统光路和结构, 此类 仪器体积庞大，测速慢。20世纪70年代出现的 MACBETHM 2S2020分光光度计采用闪光光源和 阵列硅二极管探测，改进了结构，大大缩短了测 量时间，代表了当时测色仪器的发展方向[6]。 随着计算机技术的发展，20世纪80年代初，微型 计算机很快应用于颜色测量仪器，通过不同的接 口，辅助分光光度计完成控制测量和数据采样, 并能根据使用要求计算出色度参数。美国X-Rite 公司生产的8000系列是全球第一台采用USB接口 连接的台式分光光度仪。20世纪80年代后期和90 年代初, 采用光电摄谱法的分光测色仪在国际 上得到很大发展。Datacolor公司的SF系列仪器和 日本美能达公司的CM 22 500d 2600d和CM 23 600d等测色仪是这一时期分光测色仪向便携式、 小型化发展的代表产品[6]。 采用光电摄谱法的分光测色仪，其特点是测 色过程自动化，并能够利用电脑扩展测色仪器的 功能[6],以满足不同用户的需求。目前国内外普 遍研究和采用带有微处理器，并建有检测和信息 处理功能的集成电路系统。这种系统采用液晶显 示，并具有自动校正、自动补偿、数据处理、图 像处理、图像识别、存储和记忆等功能。一般便 携式分光测色仪内的存储器能储存1000多个数据 和50多个标准色样, 并通过接口与电脑连接[6]， 广州市骏凯电子科技有限公司广泛应用于多种测量的比较和运算,如SF450X分 光测色仪与配色软件连接，可组成电脑配色系 统。美能达CM22600d是世界上首创的内置UV瞬 间调节功能的便携式分光测色计，它可与电脑连 接使用色彩品质管理软件或配色系统。 3.3 光电积分法

3.3.1 测色原理 现代色度学的发展为仪器客观地评价颜色奠 定了基础。光电积分法是20世纪60年代仪器测色 中采用的常见方法。光电积分法不是测量某一波 长的色刺激值，而是在整个测量波长区间内，通 过积分测量测得样品的三刺激值X、Y、Z，再由 此计算出样品的色品坐标等参数。通常用滤光片 覆盖在探测器上, 把探测器的相对光谱灵敏度S (K)修正成CIE推荐的光谱三刺激值x(K)、y(K)、 z(K)。用这样的三个光探测器接收光刺激时， 就能用一次积分测量出样品的三刺激值X 、Y、 Z。滤光片需满足卢瑟条件，以精确匹配光探测 器。在实际的滤色修正中,由于色玻璃的品种有 限，仪器不可能完全符合卢瑟条件，只能近似符 合。应用部分滤光片法可使x(K)和z(K)曲线的匹 配积分误差小于2à，y(K)曲线的匹配积分误差 小于0.5à 。

3.3.2 光电积分式仪器 光电积分式仪器由光源、探测器、数据处理 器和输出单元四部分组成。探测器一般是三个带 有修正滤光片组的光电管或大面积硅光电二极管 (在要求仪器有较高灵敏度的场合下采用光电倍 增管)。光电积分式仪器不能精确测量出色源的 三刺激值和色品坐标，但能准确测出两个色源之 间的差别，因而又被称为色差计。国外色差计从 上世纪60年代开始大量生产，如日本美能达台式 色差仪CR2400􀀀410、色彩色差计CR2321。我国 从上世纪80年代初开始研制这类仪器, 如北京光 学仪器厂生产的TG2PIIG全自动测色色差计，但和 国外相比，我国研制的色差计台间差较大。彩色 亮度计也是一种光电积分式仪器，通过望远镜系 统对远距离目标进行颜色参数测量。

4 颜色测量的发展趋势
颜色测试仪器应用行业较广，可应用于国 防、纺织印染、化妆品、造纸、油漆、塑料、交 通、医药、汽车和家电等行业，市场前景十分广 阔[1]。 广州市骏凯电子科技有限公司随着科学技术水平的提高，目视测色法因精 度低，已基本被淘汰。目前颜色测量通常采用光 电积分法和分光光度法。光电积分式测色仪器具 有一定的测量精度，适用于只需要控制物体颜色 (如快速质检、在线检测)，测量精度要求不很高 而又不需要配色的行业。分光光度法有光谱扫描 法和光电摄谱法两种，是目前科学研究和工业生 产中应用最广泛的颜色测量方法。随着光电子器 件和计算机技术的不断发展，精确颜色测量目前 已完全过渡到分光光度法。光电摄谱法是当今国 际上最先进的测色方法，代表了颜色测量的发展 方向。测色仪器的发展趋势: 便携化、小型化、 快速化和高精度化[7]；与电脑结合扩展测色仪器 功能；颜色在线动态测试[7]。随着网络技术的发 展，虚拟测色仪器[8]也是发展方向。