第五章 顏色測量和測色儀器

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第五章顏色測量和測色儀器5.1測色方法綜述測量方法：目視法、光電積分法、分光光度法。1、目視法：在某種規(guī)定的CIE標準光源下（如標準光源A、D65或“北窗光”等）利用人眼的觀察。要求操作人員具有豐富的顏色觀察經驗和敏銳的判斷力，即便如此，其測量結果仍然包含了一些人為的主觀因素，而且工作效率很低。2、光電積分法：通過把探測器的光譜響應匹配成所要求的CIE標準色度觀察者光譜三刺激值曲線或某一特定的光譜響應曲線，從而對探測器所接收到的來自被測顏色的光譜能量進行積分測量。優(yōu)點：測量速度很快，具有適當的測量精度。缺點：無法測出顏色的光譜組成 5.1測色方法綜述3、分光光度法：測定物體反射的光譜功率分布或物體本身的反射光度特性，然后根據光譜測量數據可計算出物體在各種標準光源和標準照明體下的三刺激值。分光光度法：光譜掃描、同時探測全波段光譜。(1)光譜掃描法：利用分光色散系統(tǒng)對被測光譜進行機械掃描，逐點測出各個波長對應的輻射能量，由此達到光譜功率分布的測量。特點：精度很高，但測量速度較慢。 (2)同時探測全波段光譜法：(a)多光路探測技術：多光路同時性只在紅外波段實現，在可見光區(qū)只能部分實現。(b)多通道探測技術：即平行探測法。優(yōu)點：快速、高效，大大降低對測量對象和照明光源的時間穩(wěn)定性要求，應用快速存取和分組處理，在時間分辨和光譜分辨兩者之間實現有益的兼顧。目前，國際上作為產品真正用于自動配色的顏色測量系統(tǒng)都是采用多通道技術。多通道測色系統(tǒng)的照明光源：脈沖式、直流式脈沖光源：接近D65的脈沖氙燈、高光強、即時精度和重復性高。直流式照明：色溫接近A光源的鹵鎢燈，光源穩(wěn)定、短波光強低、影響精度。 5.2顏色測量原理5.2.1測色原理 5.2.2測色公式1、光電積分法2、分光光度法反射物體透射物體 5.3測色儀器5.3.1反射分光光度計1、照明和觀測條件的選擇根據實際觀測物體情況來選擇照明和觀測條件。舉例：印染工作者通常要盡力避免鏡面反射進入眼睛，大多數的測試采用0/dSPEX。計算機配色采用0/dSPINC在線顏色測量采用0/45和45/0 2、測色分光光度計分類(1)按照明受光的幾何條件多色漫射照明積分球的多色照明方式快速掃描型分光光度計 (1)按照明受光的幾何條件單色漫射照明用積分球的單色照明方式的測定系統(tǒng) (2)按照明光源種類單獨采用鹵素鎢絲燈鹵素鎢絲燈與濾色鏡結合，氙閃光燈氙快速弧光燈。(3)按比較用白色標準絕對反射率白板、計算機貯存的標準白板(4)按對鏡面反射光的措施光澤吸收阱切斷鏡面反射光、計算方法去除。(5)按分光元件衍射光柵、干擾濾色鏡、連續(xù)干擾濾色鏡(6)按入射光束：單光束、雙光束。 3、現代分光光度計的特點（1）測色和計算速度快20世紀30年代一只樣品測色需2分鐘以上，20世紀80年代初Macbeth公司的2020光柵分光型測色只要3秒鐘，瑞士Datacolor公司DC3520R分光光度計采用連續(xù)干涉濾色片分光，測定時間包括計算需6秒鐘，而到80年代末采用閃光氙燈作為光源，每只顏色只需測色一次時間少于0.3秒，90年代，該公司的3881Texflash型、DC3890型、ELrepho2000A型、脈絡式分光光度計、Mixflash型等測色時間僅需0.1秒。 （2）測色精確度和準確度高一臺分光光度計精確度和準確度與該儀器的分光方式、光譜范圍、波長間隔等有關。10年前所用的測色儀器其波長間隔多在5nm、10nm、20nm，至今瑞士Datacolor公司的產品波長間隔已達0.8nm?？梢詮膬x器的穩(wěn)定性即短期或長期的重現性來加以考核，過去反射率達±0.2％，現達±0.01％～0.02％。 （3）測色功能多樣化現代分光光度計多與計算機配套應用，均具有很廣的應用范圍，測色對象可包括有光澤和無光澤的。例如纖維、織物、塑料、油漆、陶瓷、紙張等，能進行鏡面和非鏡面測定。不論是散射性的，反光性的，透明性的，遮蓋性的，熒光性的等等表面均不受限制，還可進行色差、白度等計算，各種計算公式可任意選擇或配制。測色條件諸如光源、視場、分光間隔等均可變化。有的儀器正、逆向(多色光和單色光照明)均可測定；反射、透射皆可應用。有的儀器如瑞士MCS能用于大型物體(汽車)或不可裁割物體的顏色測量。 （4）操作的簡便性現代測色用分光光度計的測色操作過程，自始至終是自動進行，包括儀器標準、波長間隔的調整、測色條件改變、反射率換算、各種測色計算、讀數和輸出，而且大多數測色系統(tǒng)均配有熒光屏輸出輸入終端或熒光屏和打印裝置結合終端。此外國際上現在廣泛使用的傳遞標準是完全漫反射體上標定的絕對值，計算機能將絕對反射值予以存儲，并用來標定儀器，從而保證儀器在標準狀態(tài)下工作。 （5）閃光雙光束分光光度計測量角度依不同的結構表面而定，如專為紡織品、紙張設計d／8o，d／0漫射零度；以閃光氙燈作光源，每個顏色用閃光測色只需一次；樣品的反射光及光源光線在瞬時閃光被接受，同時分光，同時以整列接收器作光線強度測定及對比(雙光束)；用濾色片調節(jié)光源中的紫外部分能量，模擬日光，克服氙燈老化，有利于熒光樣品測量；可依用途更換濾光片裝置；垂直測量避免了積分球沾污，符合人體運動原理；冷態(tài)測色防止了溫度升高影響測色準確；無運動部件，避免了機械磨損，不會產生故障；勿需空氣冷卻裝置，因為是不發(fā)熱設計；樣品測定面積可連續(xù)調整。 4、測色分光光度計的測色方法利用已知標準白板的絕對反射率定標測定樣品的反射率?(?)或透射率?(?)計算求得三刺激值和色度坐標測量及計算的內容：絕對反射率值?(?)或絕對透射率值?(?)；吸收率lg?(?)；K(?)/S(?)函數值；絕對反射率的平均值；三刺激值X、Y、Z；色度坐標x、y；均勻顏色空間L*、a*、b*；表色值C*、h，色差?E、?L*、?C*、?H*、?h以及其他一系列可以計算的擴展數值。 Spectrophotometryreflectorsourceslitcollimatordispersingelementcollimatorslitsampledetectorreadout Spectrophotometryadouble-beaminstrument JFY-QS色彩分析儀光路圖 l、樣品擺放臺2、測量孔徑3、積分球4、紫外光調整5、量度光度纖維6、光源控制儀7、微處理器8、電子界面9、參考光度纖維10、電源11、單色儀12、控制閃光裝置瑞士Datacolor3890測色原理圖 GESpectrophotometer Diano-MatchScanSpectrophotometer HunterD54P-5Spectrophotometer ZeissDMC-26Spectrophotometer MINOLTACM-1000 MabethMS-2000Spectrophotometer MabethColor-Eye3000Spectrophotometer MabethColor-Eye7000A(雙光束結構） 5、常用分光光度計型號光學結構測量孔尺寸mm波長范圍/間隔色度重復性光范圍/分辨率Texflash-2000d/0,脈沖氙燈雙光束,128單元SPD-400～700nm0.03?ECIELAB-SF-600PLUSd/8,脈沖氙燈雙光束,128單元SPDSCI/SCE?2.5?5.0?26360～700nm/10,5nm0.01?ECIELAB0～200%MF-200d(便搬式)d/8,脈沖氙燈128單元SPD?18400～700Nm/10nm0.05?ECIELAB0～200%瑞士Datacolor公司 美國X-Rite公司型號光學結構測量孔尺寸mm波長范圍/間隔色度重復性光度范圍/分辨率SP-68便攜式d/8,鹵鎢燈16?8?4400～700nm/10nm0.05?E*ab0～200%SP-88便攜式d/8,充氣鎢絲燈藍區(qū)增強SPDSCI/SCE?8400～700nm/10nm0.0?E*ab0～200% 6、分光光度計測色數據處理及標準（1）測色數據處理1949年Hardy發(fā)明一種與波長指示器一起用照明體A、B、C的簡單手控積分儀，還對他的分光光度計連接上三種機械加法器，以便自動完成求和。1960年早期在分光光度計上接上常規(guī)的圖表和磁帶穿孔機，以便于反射率值能輸入到能應用加權坐標法的離線計算機。1969年為了在17種波長下每種反射率的模擬等值能自動進入計算機，分光光度計對接了模擬計算機，同年美國VA(VarianAssociates)和英國ICS(InstrumentalColourSystems)分別對接分光光度計到數字計算機上更利于模擬。 （1）測色數據處理20世紀70年代初用小型微機取代了大體積計算機。70年代中期計算機不僅用來處理數據和計算各種色度值，而且用來自動控制儀器的驅動和校正，可以貯存各種程序和數據，其輸出輸入通訊設備效率提高而大大便于操作?，F代分光光度計三刺激值只需按下測量按鈕，在零點幾秒之內就可以得到。微機的出現并非一概有利，如分光光度計與微機連接，意味著測試選擇被限制，同時數據和程序差錯很難檢查出來并消除，若需改動程序則常常會帶來意想不到的后果。 （2）數字標準和物理標準a．數字標準：物理標準即使貯藏在標準狀態(tài)下，在應用時也不可避免地產生變化，而現代分光光度計從長遠目標考慮到標準的精確性而使度量標準成為可行，如同事先準備一樣，是貯存數據標準而非重新測量標準。b．物理標準：1965年英國染色工作者協會顏色測量委員會推薦了英國陶瓷協會的瓷板（BCRA瓷板）作為各種顏色中產生的一組絕對永久的物理標準。1968年1000套(每套12塊)標準瓷板，由英國國立物理研究所或由美國Hemmnendinger研究所提供光譜反射率和色度值，作為相對于專業(yè)標準的偏差評定方法予以銷售。經驗顯示該瓷板用于監(jiān)測儀器之間的差異，對黃、栗、深藍最有效。 b．物理標準：1983年彩色瓷板標準II型(兩對色差瓷板):一對表示光譜完全不同的色差，一對更復雜，表示非同色異譜色差。NBSStandardReferenceMaterial2101～2105濾色片組是一種專門用來檢驗分光光度計透射色的標準玻璃板，每組由紅、黃、綠、藍、中性灰5種玻璃板組成，由美國國家標準局提供光譜透射率及色度值，給出的三刺激值都是在CIE標準照明體下測試的，并給出了因某些誤差因素而引起的三刺激值的變化。 5.3.2光電測色儀器光電積分測色儀：直接測量色源的三刺激值和色度光電積分測色儀器最初稱為三刺激色度計，是由亨特在20世紀40年代初，以“NBS”為色差單位，在?、?均勻色坐標體系的基礎上而開發(fā)的相應光電測色儀器，并于1950年制造和銷售。不久又開發(fā)了Hunter-Lab體系的光電色差計。色差儀：指在光電測色儀上再附加上計算色差的機能。光電積分測色儀原理：光電測色儀是仿照人眼紅、綠、藍三個基本顏色色覺的原理而制成的。模擬人眼方法：人眼色覺=光電二極管+濾色器三塊濾色鏡能符合人眼的色覺程度，這種相互一致的條件稱為盧瑟條件，是決定光電測色儀功能的重要因素。 1、盧瑟條件及修正（1）盧瑟條件在D光源照射下物體三刺激值標準光源A照射物體接收器上電光流式中?(?)為濾色片的光譜透射率，?(?)為光電元件的光譜靈敏度。則測色儀的總靈敏度特性與CIE規(guī)定的標準觀察者一致，IX=X，Iy=Y，IZ=Z。盧瑟條件： （2）盧瑟條件的修正光電測色儀：三元件式、四元件式。制作最困難是與人的色感覺相一致的紅色傳感器。X刺激值分布曲線有兩個峰值。要制造具有這種透過特性的濾色鏡很不容易。所以一般用兩個濾色鏡來代替。為了使結構簡單，藍原色刺激值(Z?)光譜分布比濾色鏡所測定的值縮小約1／4，再加上紅色光譜分布的一部分。正常色覺者(實線)和偏色覺者(虛線)的色感覺光譜分布 最常用的修正方法預先準備顏色穩(wěn)定的若干顏色板作為標準色，用最接近試樣顏色的色板進行測定，根據光電測色儀的測定值與用分光光度計預先求得的標準差值而進行修正，但是這樣操作很復雜，因此一般在用光電測色儀制定標準色板時，都調整儀器本身，使測定值與分光光度計測色值X、Y、Z相一致，采用這種方法每當顏色改變時，就要進行一次儀器的調整工作也很麻煩。然而在光電測色儀中接上專用計算機，預先準備在各種波段中修正盧瑟條件的程序，可使工作效率提高，復雜程度減少，同時將各個濾色鏡進行修正，改為將三塊濾色鏡所輸出的數據進行一次結合計算，并將結果進行統(tǒng)計處理可改進修正精度，即使如此，修正后仍有在理論上不可避免的差異。 2、光源和照明受光幾何條件光電測色儀大多是用45o/0o。光電測色儀使用白板進行100％修正，然而白板的校正值是用積分球式分光光度計進行測色的。由于受光的幾何條件不相等，導致光電測色儀的精度降低。 兩種測色儀的測色值比較色卡光電測色儀MinoltaCR-100分光光度儀MacbethMS-2000XYZXYZ5R6／430.0627.8823.4231.7029.1325.555YR6／428.1526.9815.9228.9027.2416.895Y6／427.0728.0613.7327.3428.5114.585GY6／423.9027.7715.2824.7528.4716.075G6／422.0428.2625.2823.5129.9625.555B6／421.2826.1037.0923.7628.7738.855PB6／424.1726.2540.1126.8829.1042.885P6／428.1727.2526.2930.2029.2738.995RP6／432.4829.9029.4134.2831.5131.60 要解決上述問題要做到下述幾點：45o入射和0o反射的測色幾何條件近似于目測，只要能準確調整盧瑟條件，光電測色還是能接近于理想的。若測色數據用于計算機配色，可將色樣和試染織物同時測色，再通過計算機修正計算予以縮小。對修正計算后的試樣進行試染。 3、光電測色儀介紹（1）DCM-3型數字測色色差計的構成數字測色色差計由光電源、探測器、主機計算機、打印機、標準色板和測試附件組成。探測器采用45／0的照明觀察方法，以單光源、雙光束及非球面鏡和螺紋透鏡的結構，同時取半球面反射輻射的原理，使各接受器獲得均勻的信號。（2）其他光電測色儀介紹目前用于光電測色的測色儀有多種，北京理工大學研制的FS-100～FS-600型便攜式色差計就是其中之一。其國外同類儀器有：日本日電公司P6R-100DP型，美能達公司CR-100型、CR-200型，美國亨特實驗室D25-PC2型等。 光電測色儀特征及主要技術規(guī)格：標準照明體：輸出D65、10o視場下的色度值色差?E：HunterLab、L*a*b*、?L*、?C*、?H*準確度：?X、?Y≤?1.5；?x、?y≤?0.02重復性：?E*ab≤0.15測色面積：?20mm、?2～4mm、兩種照明探測方式：FS-100型0／d、FS-200型0／45FS-300型30o照明同軸探測FS-400型d／0、FS-500型45／0FS-600型透射色差計(測量厚度10～40mm)工作電源：AC220V?l0％50Hz?3％ 5.3.3光密度計光密度計非常類似與光電測色儀，主要差別在于接收系統(tǒng)的總光譜靈敏度不符合CIE規(guī)定的標準觀察者光譜三刺激值。盡管光密度計測得的值不是CIE標準觀察者觀察到的顏色，但它仍在產品生產過程及材料質量控制中非常合適和有用的儀器。光密度計標準：D（s；g：g’；s’）例如：DR（3000K；0o±5o：45o±5o,V）表示用一色溫為3000K的光源正入射樣品，以45o眼睛觀察反射光密度，下標R指測量反射光密度。 光密度計分類：反射、透射、反射和透射反射測量：建議采用45/0照明和觀測條件。應用：彩色密度術主要應用于照相業(yè)和圖片藝術品印刷業(yè)產品的加工及生產質量控制。例如反射和透射印刷品曬印曝光量的計算和控制。透射測量：有兩種照明和觀測條件：（1）漫射，即照明是準直的并正入射樣品表面，以半球面來接收；（2）鏡向，即入射和透射光被限制在一小錐角內，錐角大小要詳細說明。例如f/4.5或f/1.6等。在圖片藝術品印刷中，光密度計用于印刷機的質量控制，用它可評價最后的印刷圖象，確定在制版時蒙片修正的要求等。隨著現代固體接收系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定度的提高，光密度計已能進行在線測量。 5.4熒光測量5.4.1熒光材料1、熒光增白劑目前熒光增白劑廣泛地用于紙張、紡織物、塑料等方面以提高它們在可見光譜藍區(qū)的反射比。熒光增白劑本身并不是白色的，它對色調的影響是由于在近似白色的物體中添加了可見光譜藍光區(qū)的熒光發(fā)射而產生的目視增白效果。我們定義染料熒光的CIE三刺激值之和為有效熒光，而增白效果則正比于有效熒光。此時有效熒光可以作為增白本領的度量。 三種濃度的熒光增白劑典型的吸收譜和其中一種濃度的發(fā)射譜曲線 2、熒光染料熒光染料是染料的一種，它吸收可見光和近紫外輻射的能量后又發(fā)射波長不同的可見光?！瓰槲兆V，——為發(fā)射譜若丹明溶液的吸收和發(fā)射光譜 5.4.2熒光材料的測量1、總光譜輻亮度因數總光譜輻亮度因數是在多色光照明下，來自熒光物體表面的反射和發(fā)射的輻亮度與在相同照明觀測條件下非熒光參考樣品的反射輻亮度之比。CIE于1977年正式定義其為“相對輻亮度”或“光譜輻亮度因數”，表達式如下：?T(?)=?S(?)+?L(?)式中?T(?)為波長?處的總光譜輻亮度因數；?S(?)為波長?處反射輻亮度因數(介質反射的輻亮度與在相同輻照條件下完全反射漫射體的輻亮度之比)；?L(?)為波長?處的熒光輻亮度因數(介質熒光的輻亮度與在相同輻照條件下完全反射漫射體的輻亮度之比)。 光譜輻亮度因數又可表示為?T(?)=[S(?)?t(?)+F(?)]/S(?)?r(?)=?t(?)+F(?)/S(?)式中：?t(?)為樣品的真實光譜反射比?r(?)為參考標準的光譜反射比(設?r(?)=1)F(?)為樣品的真實熒光光譜發(fā)射率S(?)為所用光源的光譜輻亮度?L(?)=F(?)／S(?)在測量樣品的總光譜輻亮度因數時應使用漫射光照明，樣品法線和觀測方向夾角不應超過10o，即d／0條件，反射比?t(?)用輻亮度因數?S(?)代替。 真實熒光光譜發(fā)射率在光源S(?)照明下，樣品吸收的總的量子數為N，其真實熒光光譜發(fā)射率為F(?)。如果用另一個光源S*(?)照明樣品，吸收的量子數為N*，則真實熒光光譜發(fā)射率為：F*(?)=(N*／N)F(?)熒光通量的光譜功率分布僅僅與熒光樣品的發(fā)射光譜有關，而發(fā)光強度卻與兩個參數有關：①材料的熒光量子產出率；②材料吸收用來激發(fā)熒光的總光子數。熒光材料測量方法：①根據定義進行的直接測量法，此時照明光源的光譜功率分布必須標準化并且要仔細控制；②分別測量?S(?)和?L(?)，然后根據光譜功率分布把它們結合起來。 2、總光譜輻亮度因數測量測量總光譜輻亮度因數的光學系統(tǒng)d/0 2、總光譜輻亮度因數測量測量總光譜輻亮度因數的光路(0/45) 測量舉例：曲線1：含有熒光增白別樣品的總輻亮度因數曲線2：該樣品的普通反射比曲線3：該樣品的熒光發(fā)射曲線4：某非熒光白色樣品的總輻亮度因數和反射比總光譜輻亮度因數與普通光譜反射比 白色熒光塑料樣品的總光譜輻亮度因數與普通反射比曲線l：總光譜輻亮度因數曲線2：普通反射比曲線3：熒光輻亮度因數 3、變量分離法測量（1）雙單色儀法系統(tǒng)主要組成部分：激發(fā)單色儀傳播光路樣品支架分析單色儀該裝置可測量在單色輻照和單色接收條件下的熒光發(fā)射、激發(fā)或吸收譜及光譜反射因數。通常是用45/0條件，但也可使用積分球。對該系統(tǒng)的唯一要求是分析單色儀的帶寬要保證不大于輻照單色儀的帶寬，以便排除系統(tǒng)中的熒光發(fā)射。 雙單色儀可用于測量任何熒光樣品的真實反射輻亮度因數、真實熒光譜和真實激發(fā)譜。雙單色系統(tǒng)測量結果舉例1、發(fā)射譜；2、激發(fā)譜；3、反射輻亮度因數 熒光材料的色度學計算雙單色儀測量數據可用于計算熒光量子產出綠、反射分量和熒光分量的三刺激值及其他色度學參數，例如白色樣品的白度等。熒光材料的色度學計算的公式：式中：Ti為總的三刺激值X、Y、Z?S(?)為反射輻亮度因數S(?)為照明體的光譜功率分布ti(?)為CIE光譜三刺激值F(?)為樣品的真實熒光發(fā)射(和光源無關)K為歸一化常數。 由上式及分離的變量計算出的色度值，應該與由總光譜輻亮度因數測量得到的色度值相等，條件是設測量時所用的光源非常近似于方程中的S(?)。由總光譜輻亮度因數計算色度學參數時方程：式中?T(?)為當所用光源非常接近于計算色度學參數所用光源S(?)時的總光譜輻亮度因數；Ti、K、S(?)、ti(?)定義同前。 （2）測量每一單色入射光引起的全部熒光光譜功率分布用這個方法可以獲得許多熒光光譜功率分布曲線，由這些曲線求得作為波長函數的熒光發(fā)射率；然后決定對入射激發(fā)光的吸收，并計算來自樣品的熒光分量，最后把這個量加到非熒光反射光中以獲得總的結果。該過程因太繁瑣而不便于使用。 4、測量標準化問題（1）對光源的要求準確地模擬相應的觀測用照明體含有足夠的紫外成分穩(wěn)定的輻照光源的光譜功率分布 用三種不同輻照光源照射白色熒光樣品所獲得的總光譜輻亮度因數---氙燈，一D65熒光燈，…3000K鎢絲燈 （2）參考標準和測量方式測量方式：推薦使用積分球及d／0條件，這時樣品的表面結構及其特性對于測量結果影響很小。積分球效率不僅取決于球內壁的涂層及不同的開口面積，而且與放在測量口處樣品的材料性質有關，因為這時樣品也對輻照光源的光譜功率分布有所調制。參考標準要求：參考標準必須穩(wěn)定，不含任何熒光材料，推薦使用硫酸鋇粉末壓制的平板。 （3）測量用光譜光度計的校準儀器校準方法：使用標準白板對儀器光譜靈敏度進行校準。標準白板的總輻亮度因數應和反射比值相同，因為它們不含熒光物質。使用釹玻璃、氧化釹玻璃及對發(fā)射譜線進行了嚴格定義的線光源對儀器的波長分度進行定標。 反射輻亮度因數測量其他的方法濾光片減光法：在輻照光束中采用一系列銳截止濾光片以減少或消除激發(fā)能量，以便由測量的總光譜輻亮度因數中獲得反射輻亮度因數；雙方式法：它是測量反射輻亮度因數的最簡單的方法，用同一臺儀器既可以進行普通的反射比測量，也可以進行總的光譜輻亮度因數的測量，但是這種方法不能滿足精度要求很高的情況。