測色計的原理及應(yīng)用

黃蓓

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 引言

質(zhì)量控制在任何行業(yè)都是非常重要的，而顏色控制是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中品質(zhì)保證的關(guān)鍵因素。

顏色，是一種有關(guān)感覺和主觀解釋的東西。正常視力的人可以分辨大約1000萬種顏色，但卻不能確切地給出顏色的量值。因?yàn)橐磉_(dá)一個顏色有各種各樣的方法和詞匯，但是要向某人描述特定的顏色是很難說得一清二楚的。為了進(jìn)行色彩交流，人們希望量化色彩現(xiàn)象，建立色彩標(biāo)準(zhǔn)，用數(shù)字來表示顏色。

測量顏色的儀器被統(tǒng)稱為測色計，通過測色計可以輕松地得到被測物體在不同光源及各種條件下的色度數(shù)據(jù)甚至光譜曲線，有利于進(jìn)行色彩的管理、控制及研發(fā)，方便不同廠家間的色彩交流和溝通。使用儀器也可以避免人為或環(huán)境因素造成的色彩判斷偏差，無論室內(nèi)室外、都可以做到更準(zhǔn)確、客觀的評判色彩。

2 色彩理論知識

我們?nèi)搜壑钥梢钥吹筋伾?，?個要素必不可缺：光源、視覺和物體[1-2]。在全黑條件下，我們看不到顏色；如果我們閉上眼睛，我們就看不到物體的顏色；如果沒有物體，顏色也就不存在。所以，光源、視覺和物體，三者缺其一，我們就看不到顏色。

當(dāng)光源中的特定波長刺激了人眼中的視網(wǎng)膜時，人的眼睛就能看到物體的顏色。人眼可以看到的光區(qū)被稱為可見光區(qū)，波長為380～780 nm。按照可見光的不同波長，色譜的順序依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛藍(lán)、紫；在波長最長的區(qū)域內(nèi)的光線看起來就是紅色，波長最短的區(qū)域內(nèi)的光線看起來就是紫色。如圖1所示。

圖1 可見光區(qū)

在可見光380～780 nm之間，我們引入一個表示光的發(fā)光顏色的物理概念——色溫。光源的色溫是以光源發(fā)光時所顯現(xiàn)的顏色與一個絕對黑體被高溫燃燒時所顯現(xiàn)的顏色相一致時的燃燒溫度來定義的。它的單位是絕對溫度Kelvin（K）。

根據(jù)色溫的不同，光源可分為：D50光源、D65光源、A光源和F光源等。

國際照明委員會（簡稱CIE）對照明體進(jìn)行了規(guī)范，并推薦用D65標(biāo)準(zhǔn)照明體進(jìn)行測色，D65光代表其相關(guān)色溫為6504 K的平均日光。

人眼是分辨顏色的最好儀器，這是由于人類在長期的演變和進(jìn)化過程中所形成的。但由于人種不同、年齡不同在辨色功能上存在差異。為此，CIE推出了標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者，包括2°標(biāo)準(zhǔn)觀察者和10°補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)觀察者。

3 色彩的屬性

色彩世界由以下3個屬性構(gòu)成：色調(diào)、亮度和色飽和度（鮮艷度）。這三要素就構(gòu)成了一個色立體，如圖2所示。色調(diào)形成該立體的外緣，亮度作為中央主軸，而色飽和度作為水平副軸。

圖2 色立體

色調(diào)用于色彩世界，并把顏色區(qū)分為紅、黃、藍(lán)等類別。不同的色調(diào)銜接排列，就形成了色環(huán)。

當(dāng)比較各種顏色的亮度時，顏色就有明亮和深諳之分?？梢?，顏色亮度的測量與色調(diào)無關(guān)。從圖2可以看出，亮度沿垂直方向變化。越往上去，色彩越明亮；越往下去，則越深諳。

當(dāng)比較兩個相似的顏色的時候，發(fā)現(xiàn)色有鮮艷和陰晦之別。這種差別就稱之為色飽和度。從圖2可以看出，色飽和度分別由中心向兩側(cè)隨水平距離的增加而變化。離中心越近，色彩越陰晦；離中心越遠(yuǎn)，則越鮮艷。

為色調(diào)、亮度和飽和度建立標(biāo)度，我們就能用數(shù)字來測量顏色。測色儀就是能實(shí)現(xiàn)這一功能的儀器。

4 測色原理

從圖1可知，色譜的顏色包括有紅、橙、黃、綠……。這些顏色中的紅、綠、藍(lán)色通常被看作光的三原色。這是因?yàn)槿搜劬哂?種視網(wǎng)膜椎狀細(xì)胞（色敏感器），它們對這三原色的波長很敏感，從而使我們看到顏色。圖3表示根據(jù)CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)觀察者定義畫出的，與人眼相符的光譜靈敏度曲線，這些被稱為配色函數(shù)。

圖3 CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)觀察者配色函數(shù)

測色計在測量時就是取代了光源和人的作用，用和人眼感知顏色的同樣方法 “接收”顏色：將從某物體反射的光的主波長收集、濾光。如圖4可以證實(shí)光、物件（以一個蘋果為例）和觀察者如何混合而形成對一朵 “紅”蘋果的感覺。當(dāng)一臺儀器是觀察者的時候，它以一個定量的數(shù)值 “接收”反射的波長，這個數(shù)值是：三刺激數(shù)據(jù)（色彩色差計）或反射光譜數(shù)據(jù)（積分球式分光光度儀）[3]。

測色計按照其測量原理來分，可分為三刺激值型和分光型，測量過程如圖4所示。

在圖4可以看到人感覺顏色的原理以及色彩色差計感受顏色的原理，兩者基本是類似的。利用3個經(jīng)過過濾的敏感器使其具有與人眼相同的X（λ）、Y（λ）、Z（λ）靈敏度來測量物體的反射光，從而直接測量三刺激值X、Y和Z，這種方法被稱之為三色刺激法，用這種方法設(shè)計出來的色彩色差計，以與人眼如何感覺光相等同的方法來測量光。

圖4 測色計測量過程

另外一種測色方法被稱為分光光譜分析法。使用這種方法的測色儀器用來測量光的光譜特性，然后根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察函數(shù)的方程式來計算三刺激值。分光光譜分析法利用復(fù)合敏感器（在CM-2600d中有40個）來測量物體在每一個波長或每一個載波長范圍內(nèi)的光譜反射比，于是該儀器的微計算機(jī)根據(jù)光譜反射比數(shù)據(jù)通過積分來計算三刺激值。利用分光光譜分析法的儀器，除了以各種色空間來顯示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之外，還可以直接顯示光譜數(shù)據(jù)，提供有關(guān)該物體的、更為詳細(xì)的信息。

在實(shí)際工作中，利用測色計給出的測色數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色控制及調(diào)色，控制產(chǎn)品的顏色質(zhì)量，保證顏色的一致性，確保產(chǎn)品顏色達(dá)到各行業(yè)要求的顏色標(biāo)準(zhǔn)以滿足用戶對顏色的要求。

在用戶拿到一個標(biāo)準(zhǔn)樣品的時候，需要重復(fù)打樣，從而再現(xiàn)和樣品相同的顏色，以便產(chǎn)品的顏色能與樣品的顏色控制在一定的范圍之內(nèi)，即希望產(chǎn)品的顏色更接近樣品的顏色。此時可用測色計來測量小樣和標(biāo)準(zhǔn)樣品的色空間差值，并根據(jù)差值來確定樣品的色差是否符合范圍，以及進(jìn)行調(diào)色。調(diào)色可利用測色計的CIE 1976 L*a*b*色空間或HunterLab色空間來解決。在CIE 1976 L*a*b*色空間中，明度指數(shù)L*代表亮度軸，表示黑白，0為黑色，100為白色，0-100之間為灰色；色品指數(shù)a*代表紅綠軸，正值為紅色，負(fù)值為綠色。色品指數(shù)b*代表黃藍(lán)軸，正值為黃色，負(fù)值為藍(lán)色。此時，小樣與標(biāo)準(zhǔn)樣品的L*a*b*之 差 ，用 ΔL*Δa*Δb*表示，ΔE*表示總色差。ΔL*為正，說明小樣比標(biāo)樣顏色淺；為負(fù)，說明小樣比標(biāo)樣顏色深。Δa*為正，說明小樣比標(biāo)樣紅（或少綠）；為負(fù)，說明小樣比標(biāo)樣綠（或少紅）。Δb*為正，說明小樣比標(biāo)樣黃（或少藍(lán)）；為負(fù)，說明小樣比標(biāo)樣藍(lán)（或少黃）。根據(jù)這些ΔL*Δa*Δb*值，配色人員可適當(dāng)?shù)卦鰷p灰色料，紅綠色料，或黃藍(lán)色料。

在顏色測量過程中，有時會出現(xiàn)兩中顏色在一種光源下顯示相同，但在另一種光源下顯出不同的現(xiàn)象，這稱為條件等色（也叫同色異譜）現(xiàn)象。對于有條件等色現(xiàn)象的物體，兩物體顏色的光譜反射特性是不一樣的，從而出現(xiàn)在某一種光源照射下產(chǎn)生的三刺激值是一樣的，而在另一種光源照射下卻互顯差異。此時選用正確類型的測色計就顯得尤為重要。這是因?yàn)槿碳ぶ禍y色計通常只在標(biāo)準(zhǔn)光源

5 測色計的應(yīng)用

C和標(biāo)準(zhǔn)光源D65下作測量，這兩種光源均相當(dāng)于日光并具有非常相似的光譜能量分布，正因?yàn)槿绱?，三刺激值測色計不能用來測量條件等色現(xiàn)象；而另一方面，分光測色計則裝備有各種各樣光源的光譜能量分布特性，因此能測量條件等色現(xiàn)象。此外，分光測色計還能顯示光譜反射比曲線，從而可以確切地看到這兩種顏色的光譜反射比是如何不一樣的，更適用與復(fù)雜的色彩分析。

鑒于兩種測色計的不同特點(diǎn)，三刺激值測色計主要用于生產(chǎn)線及產(chǎn)品檢查中的色差測量；而分光測色計通常用于實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)品開發(fā)研究中的高精度色差分析和管理。

6 結(jié)束語

基于測色計在顏色測量發(fā)面的卓越表現(xiàn)，測色計被廣泛應(yīng)用于塑料、涂料、染料、紡織、印刷、建材、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、電影電視、家用電器、教育、圖書、文物管理等行業(yè)。

參考資料：

[1]國防科工委科技與質(zhì)量司編輯委員會.光學(xué)計量（上冊[M].北京：原子能出版社，2002.

[2]郝允祥，陳避舉，張寶洲.光度學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1998.

[3]朱小清，詹云翔.光度測試技術(shù)及儀器[M].北京：中國計量出版社，1992.