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      顏色測量知識
    • 顏色測量知識——顏色測量原理

    • 信息來源:管理員   瀏覽次數:0    發表時間:2019-08-03
    •     顏色是一個心理物理量。人們對于顏色的感知是通過人眼接收物體反射或透射的光信號來認識的。顏色特性是個三變量的函數,可以通過顏色的三要素來描述:明度、色調、色飽和度。光源顏色是由光源的光譜分布決定的。物體顏色由物體表面的光譜特性決定。但是,人眼對于物體表面光譜特性相同的物體通常并不一定有相同的顏色感覺,另外一個影響人眼顏色感覺的關鍵因素是物體表面光空間分布的幾何特性。幾何特性的描述較為復雜,不同行業的關注點不同,也采用不同的描述和測量方法,例如物體表面光澤度、桔皮度等。
          當光線入射至物體表面會出現以下四種情況:
              1.在物體表面發生鏡面反射。它是物體表面光澤的主要原因。
              2.當光線入射至物體內部,在物體內部發生散射,產生了漫反射和漫透射。
              3.漫反射和漫透射光在物體內傳播時,不同波段光會產生不同的吸收,從而產生和入射光不同的顏色。
              4.當物體較透明時,一部分光會直接透過物體,產生透射。
          圖1.1所示,當光入射至物體表面時,一部分光在物體表面反射了鏡面反射,沒有進入物體內部。鏡面反射光的多少取決于物體材料的折射率和光的入射角度,遵循菲涅爾定律。


      圖1.1光與物體相互作用
       

      圖1.2不同的空間分布的表面反射光

          鏡面反射光的方向取決于物體表面的光滑程度。表面粗糙程度不同,鏡面反射光會產生圖1.2所示不同的空間分布。對于鏡面反射光,由于沒有在物體內部發生傳播,就沒有產生相應的吸收。所以,鏡面反射光的光譜分布和入射光是一致的。進入物體內部的光線為折射光束,在物體內部傳播的方向遵循折射定律。折射光在物體內部產生多次的反射和折射。光線在物體內部進行傳播時,由于物體對光譜的選擇性吸收,從而體現出于物體對應的顏色。一部分光經過物體表面返回到空氣中的光線成為漫反射光,另外一部分光透過物體到達下表面,成為漫透射光。漫反射光和漫透射光與光源光譜不同。鏡面反射光和漫反射光一起被人眼接收,如果人眼接收到的光信號中鏡面反射光的比例過大,會“沖淡”物體表面本身顏色,使人眼感覺顏色亮度偏高,飽和度偏低。
          人們觀測顏色必須有三個條件:照明光源、物體和眼睛。同樣,對于測色儀器要得到測試結果,必須有三個條件:照明光源、被測樣品和傳感器。物體測色儀器發展至今,都是通過測量材料表面的光譜特性來進行顏色數據的測量。
          要客觀、定量的表示一個顏色,需要計算物體或光源的顏色所占匹配刺激三原色的份量多少,即根據現代色度學原理計算此顏色的三刺激值。三刺激值的計算方法是用樣品的光譜反射值、所用標準照明體的相對光譜功率分布和所采用CIE推薦的2°或10°視場的色匹配函數,用等波長間隔法,在可見光光譜范圍內加權計算,從而計算出樣品顏色的色品坐標及其它相關色度參數。
          根據對以上過程實施方法的不同,可以把顏色測量儀器分為兩類:光電積分式測色儀器和光譜式測色儀器。如CS-200、CS-210、CS-220型號的色差儀采用的是光電積分式,而CS-580、CS-600、CS-610、CS-660型號的分光測色儀采用的是光譜式。
          光電積分式測色儀器是在整個可見光范圍內對被測顏色的光譜能量進行積分測量,分別測得樣品顏色的三刺激值X、Y、Z。其光探測器一般為硅光電二極管,如果對儀器靈敏度要求很高,也可采用光電倍增管。一般采用有色玻璃構造濾光片對探測器的相對光譜靈敏度進行修正。修正方法為:結合照明光源的相對光譜分布和探測器的相對光譜靈敏度,計算出所需濾光片的相對光譜透過率。使儀器的相對光譜靈敏度符合標準色度觀察者光譜三刺激值函數x(λ)、y(λ)、z(λ)。儀器的相對光譜靈敏度決定了儀器的性能。在光電積分儀器的設計中,濾光片的匹配精度在很大程度上決定了儀器的精度。由于有色玻璃的品種有限、加工工藝和過程比較復雜,所以濾光片往往存在一定程度的光譜匹配誤差,使得實際的儀器相對光譜靈敏度相對于CIE標準色度觀察者光譜三刺激值曲線存在偏差。尤其在測量不同樣品的顏色時存在較大誤差。所以,光電積分式測色儀器在儀器性能上存在一定局限性,但是其成本相對較低,在一些對顏色數據絕對精度要求不高,或測試樣品的色調比較單一的應用領域還有普遍的應用,大多應用于對產品的品質監測中。
          另一類顏色測量儀器為光譜測色儀器,技術實現方法和光電積分測色儀器不同。光譜測色儀器通過測量被測物體表面的光譜反射率來計算顏色信息。被測物體表面光譜反射率可以實現準確測量,在各個波長處的測量誤差差別不大,在測量不同表面光譜反射率的被測樣品時,誤差相對均衡。得到了被測樣品的表面光譜反射率后,可以計算其在不同標準光源下的顏色三刺激值和其它色度參數。
          光譜顏色測量儀器可以分為光譜掃描法和同時測量全部可見光波段的分光光譜法兩種。
          光譜掃描法通常采用單色儀作為照明光源,用單色儀中的分光色散系統產生不同波長的單色光,分別對于每個波長測量材料表面的反射光光輻射能量,和標準參比物進行對 比計算出被測樣品在特定波長處的光譜反射率。單色儀一般采用機械結構控制光柵轉動,得到不同波長的單色光,可以達到較高的光譜分辨率,也可以實現較高的信噪比。光譜掃描法顏色測量儀器波長分辨率可達0.1nm甚至更高,在測量標準白板時可以達到測量重復性△E≤0.001,實現高精度的顏色測量。作為高精度的測試方法,光譜掃描法顏色測量仍然在標準傳遞和高精度測色中發揮著不可替代的作用。但是,光譜掃描法掃描整個可見光波段需要的時間相對較長,工作效率較低,不適用工業應用中現場快速檢測的需求。
          同時測量全部可見光波段的分光光譜法是目前便攜式顏色測量儀器的主流技術。如CS-580、CS-600、CS-610、CS-660型號采用分光光譜法測量顏色。和光譜掃描法類似,這種方法同樣是通過測量被測樣品表面的反射光譜率來計算顏色數據的。分光光譜法顏色測量儀器波長間隔通常為10nm,在測量標準白板時可以達到測量重復性△E≤0.01。和光譜掃描法相比,波長分辨率和測量重復性都稍差一些。但是,分光光譜法的測量速度較快,儀器的體積小,適用于現場快速檢測的需求。
          在基于分光光譜法的儀器設計中,通常使用在可見光范圍內有充足分布的氙燈、鹵鎢燈作為照明光源,采用陣列探測器作為傳感器,光柵作為色散器件。照明光源發出的光照在被測樣品上,反射光進入分光色散系統,分光色散系統將反射光以一定波長分辨率分開投射在陣列傳感器上,使陣列傳感器獲得整個可見光范圍內的光譜分布。由于替代了傳統的機械掃描式分光色散結構,分光光譜法的測試時間很短,大大降低了對照明光源的工作時間和光源穩定性的要求,兼顧了儀器的測量速度、光譜分辨率和測量重復性等指標。
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