不同分光測(cè)色儀器精度與穩(wěn)定性的對(duì)比與分析

謝宛姿，楊志暉，張靖晶，惠志奎，張家耀

(中原工學(xué)院紡織學(xué)院，河南鄭州 450000)

1 紡織品顏色測(cè)量發(fā)展與分類

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，顏色評(píng)價(jià)已經(jīng)成為紡織印染行業(yè)、涂料行業(yè)、造紙行業(yè)等諸多行業(yè)評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。同時(shí)，顏色的精準(zhǔn)測(cè)量也是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)配色的重要基礎(chǔ)。因此，顏色評(píng)價(jià)與測(cè)量工作極其重要。

目前顏色測(cè)量方法主要分為主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)方法兩類。1960年前主要以人眼目視的主觀評(píng)價(jià)為主。這種方法是一種較為傳統(tǒng)、簡(jiǎn)單的顏色測(cè)量方法，但是易受光源、樣品大小、觀察者生理以及心理等因素的影響，正逐步被客觀評(píng)價(jià)方法所取代。

客觀評(píng)價(jià)方法是用客觀儀器對(duì)紡織品顏色的測(cè)量代替人眼主觀評(píng)價(jià)以滿足人們對(duì)顏色質(zhì)量控制的要求，這也是顏色工作者一直追求的目標(biāo)。物體、光源以及視覺系統(tǒng)是看到一個(gè)物體顏色三個(gè)必要條件。因?yàn)閷?duì)光選擇吸收性的差異，使物體顯示不同的顏色[1]。不同顏色的物體，它吸收和反射的光是不同的，例如，一個(gè)物體顯示黃色，是因?yàn)樗樟?00nm～420nm的藍(lán)紫色光。而光就是一種電磁波，是可以“捕捉”到的，因此可以用反射光和入射光的比值(反射率)定義物體的顏色。測(cè)色儀器就是模擬光源以及視覺系統(tǒng)，“捕捉”被測(cè)物體的反射率，從而實(shí)現(xiàn)顏色的測(cè)量。

客觀儀器測(cè)量方法主要分為接觸式顏色測(cè)量和非接觸式顏色測(cè)量方法。接觸式顏色測(cè)量?jī)x器主要包括1960年～1970年出現(xiàn)的以光電積分法為原理和1970年后以分光光度法為原理的顏色測(cè)量?jī)x器，而非接觸式顏色測(cè)量主要是2003年后出現(xiàn)的以數(shù)碼測(cè)色法為原理的顏色測(cè)量?jī)x器[2]。接觸式顏色測(cè)量?jī)x器與非接觸式顏色測(cè)量?jī)x器的區(qū)別在于待測(cè)樣品是否與測(cè)試儀器緊密接觸。目前，國(guó)內(nèi)外顏色測(cè)量?jī)x器品牌眾多，測(cè)量精度、算法各具特點(diǎn)，使得不同儀器測(cè)試出的顏色在數(shù)字化傳遞過程中存在一定問題。

光電積分法的原理是將探測(cè)器的光譜匹配成CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線，或某一特定的光譜響應(yīng)曲線，進(jìn)而獲得光譜功率[3]。該方法測(cè)量速度快且此種測(cè)試儀器價(jià)格相對(duì)便宜，但測(cè)試物體色的三刺激值以及色度坐標(biāo)的絕對(duì)精度相對(duì)弱一些[4]，可用于日常對(duì)精度要求不高、大批量樣品的顏色測(cè)量，它的典型應(yīng)用為色差計(jì)。而對(duì)于計(jì)算機(jī)配色等相關(guān)算法的研究就可能出現(xiàn)一定的偏差。工作流程圖如下頁(yè)圖1所示。

圖1 光電積分是測(cè)色系統(tǒng)工作流程圖

分光光度法定量分析的基礎(chǔ)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[5]。它的測(cè)色原理是首先對(duì)光源的光譜功率分布和物體的光譜反射率進(jìn)行測(cè)定，然后計(jì)算顏色的三刺激值，最后再由三刺激值計(jì)算出所需的各種顏色參數(shù)[6]。此種儀器的主要由光源、單色器、積分球、光電檢測(cè)器和數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)部分組成。

非接觸式測(cè)色儀器主要應(yīng)用于不規(guī)則物品的測(cè)色[7](如藝術(shù)品、牙齒等)、紡織品紗線、地毯等使用傳統(tǒng)方法無法進(jìn)行測(cè)量的細(xì)小樣品的顏色測(cè)量等[8]。該方法以數(shù)碼拍照的方式在紡織品的顏色測(cè)量時(shí)可以綜合考慮織物的組織結(jié)構(gòu)、光澤、質(zhì)地等多種因素。此方法是對(duì)接觸式顏色測(cè)量方法的補(bǔ)充，由于該方法原理的限制，無法準(zhǔn)確給出被測(cè)物的不同波長(zhǎng)下的反射率。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上[9]，使用不同色差公式，對(duì)測(cè)量精度較高的、可以給出不同反射率曲線的三種不同顏色測(cè)量?jī)x器的精度與穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，以期為顏色信息的傳遞、計(jì)算機(jī)配色以及顏色相關(guān)科學(xué)理論工作奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品與條件

不同分光測(cè)色儀器的基本性能參數(shù)以及穩(wěn)定能性在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)時(shí)都有具體規(guī)定。本實(shí)驗(yàn)是在前期對(duì)比分析Datacolor、Cary5000、X-Rite分光測(cè)色儀的研究基礎(chǔ)上，選用儀器校準(zhǔn)用白板、綠板以及滌綸染色織物作為樣品，分別用不同測(cè)色儀器測(cè)試，以期找到臺(tái)式分光測(cè)色儀與便攜式分光測(cè)色儀的穩(wěn)定性的差異，具體內(nèi)容如下：

2.1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

(1)X-Rite標(biāo)準(zhǔn)白板、X-Rite標(biāo)準(zhǔn)綠板；

(2)“漢風(fēng)色典”色卡中的20個(gè)不同顏色深度的中性灰滌綸染色織物，該色卡是由中國(guó)紡織中心邀請(qǐng)從事染整研究工作二十多年的許云鵬先生共同研發(fā)的。

(3)自制紅、黃、藍(lán)純滌綸染色樣品，其染色工藝曲線如下[9]：

圖2 滌綸染色工藝曲線

2.1.2 測(cè)量?jī)x器

(1)X-Rite Color i7分光光度測(cè)色儀；

(2)X-Rite Ci64UV便攜式分光測(cè)色儀；

(3) 彩譜CS-650B便攜式分光測(cè)色儀。

2.1.3 測(cè)試條件

(1)D65光源、d/8;

(2)大致統(tǒng)一孔徑：6mm(部分樣品面積較小，為了統(tǒng)一測(cè)試條件故采用6mm測(cè)試孔徑);

(3)測(cè)試環(huán)境：室溫。

2.1.4 測(cè)試方法

為了保證實(shí)驗(yàn)的一致性與精準(zhǔn)性，確保每種儀器測(cè)試都在相同位置點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，樣品每次旋轉(zhuǎn)90°測(cè)試。同一位置測(cè)量20次，每次間隔1min。

2.2 三種測(cè)色儀器參數(shù)對(duì)比

X-RiteCi64UV便攜式分光測(cè)色儀和彩譜CS-650B便攜式分光測(cè)色儀都屬于手持分光測(cè)色儀，體積小易于攜帶，使用簡(jiǎn)便，測(cè)試樣品方便快捷，且X-Rite Ci64UV便攜式分光測(cè)色儀采用復(fù)色光照明系統(tǒng)，可直接測(cè)試帶熒光的樣品。這三種儀器具體基本參數(shù)對(duì)比見下頁(yè)表1。

表1 三種測(cè)色儀器基本參數(shù)對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果討論與分析

3.1 三種測(cè)色儀器之間測(cè)色誤差計(jì)算分析

三種儀器均可以給出被測(cè)樣品的反射率和色度參數(shù)，如果用它們進(jìn)行對(duì)比與分析，數(shù)據(jù)較多且雜亂，本實(shí)驗(yàn)為避免不同儀器廠家采用算法不同所導(dǎo)致的差異，在前期研究的基礎(chǔ)上，采用360mm～780nm區(qū)間的反射率，根據(jù)ASTM Table-6算法中推薦的D65光源、CIE10°標(biāo)準(zhǔn)觀察者光譜三刺激值[10]，使用Matlab軟件編程計(jì)算被測(cè)樣品的三刺激值，并以X-Rite Color i7測(cè)試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)樣，以其他儀器測(cè)試結(jié)果為批次樣，計(jì)算CIELAB色差、CMC色差和CIE2000色差，其中，因?yàn)镃MC(1:1)色差適用與涂料與塑料等行業(yè)，而紡織品通常采用CMC(2:1)色差，所以計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)白板和標(biāo)準(zhǔn)綠板時(shí)用的是CMC(1:1)色差，計(jì)算滌綸布時(shí)用的是CMC(2:1)色差，從而分析比較不同儀器測(cè)試結(jié)果的差異。

表2 三種測(cè)色儀器之間的色差

X-Rite Colori7與X-Rite Ci64UV的CIELAB、CMC和CIE2000色差都小于X-Rite Color i7與彩譜CS-650B的，很可能是因?yàn)閄-Rite Color i7與X-Rite Ci64UV是同一家公式生產(chǎn)的，產(chǎn)品性能參數(shù)比較接近。國(guó)際上認(rèn)為，正常情況下當(dāng)CMC色差小于0.2時(shí)，人眼無法區(qū)分顏色的變化，0.3～0.6之間表示兩者有一點(diǎn)差異[11]，而這里CMC色差值均大于0.2，所以不同型號(hào)測(cè)色儀器之間的匹配程度還是很弱的，不同測(cè)色儀器不能混用，且儀器自身穩(wěn)定性都在變化，更何況兩種不同的測(cè)色儀器。

3.2 三種儀器測(cè)色穩(wěn)定性能分析

眾所周知，儀器穩(wěn)定性是指儀器在使用過程中計(jì)量的特性隨時(shí)間不變化的能力。對(duì)與顏色測(cè)量工作，一般會(huì)在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量大量樣品，如果測(cè)色儀器穩(wěn)定性較差，那么會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響。為了避免紡織品染色不勻造成的誤差，本次實(shí)驗(yàn)以X-Rite Color i7分光測(cè)色儀校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)白板和標(biāo)準(zhǔn)綠板為試樣，分別計(jì)算時(shí)間間隔1min、5min、10min、15min和20min的CIELAB、CMC(1:1)和CIE2000色差。

圖3 X-Rite Color i7白板CIELAB色差

圖5 X-Rite Color i7白板CIE2000色差

圖6 X-Rite Color i7綠板CIELAB色差

圖7 X-Rite Color i7綠板CMC(1:1)色差

三種測(cè)色儀器測(cè)試時(shí)選取的統(tǒng)一大小孔徑，同一光源，采用同樣的測(cè)試樣品和時(shí)間間隔，從圖中可以看出，三種測(cè)色儀器不同時(shí)間測(cè)試結(jié)果均有一定的差異。其中對(duì)與標(biāo)準(zhǔn)白板，彩譜CS-650B的色差值最大，其穩(wěn)定性最差。標(biāo)準(zhǔn)綠板為試樣時(shí)，X-Rite Ci64UV的穩(wěn)定性最差。而X-Rite Color i7測(cè)試的不同時(shí)段的標(biāo)準(zhǔn)白板和標(biāo)準(zhǔn)綠板的色差值都基本較小，所以它的穩(wěn)定性能是最好。因此可以認(rèn)為，雖然CS-650B和X-Rite Ci64UV便攜式分光光度計(jì)體積小、易于攜帶、測(cè)色簡(jiǎn)單快捷且價(jià)格相對(duì)較便宜，但是它的穩(wěn)定性劣于X-Rite Color i7分光光度計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

顏色作為紡織品的物理性能之一，它可以提高紡織品的檔次，增加附加價(jià)值。測(cè)色儀器作為測(cè)配色和顏色質(zhì)量控制的便捷工具，了解其性能特點(diǎn)有助于顏色實(shí)驗(yàn)研究以及工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品銷售。本文通過實(shí)驗(yàn)、使用不同儀器對(duì)不同樣品進(jìn)行測(cè)試，用Matlab編程計(jì)算分析可以得出如下結(jié)論：

(1)這三種不同的測(cè)色儀器在相同測(cè)試條件下測(cè)量同一樣品，它們之間產(chǎn)生的色差值較大，因此在顏色測(cè)量過程中，不同測(cè)色儀器測(cè)色結(jié)果沒有可比性。

(2)同為愛色麗公司生產(chǎn)的X-Rite Color i7臺(tái)式分光測(cè)色儀與X-Rite Ci64UV手持分光測(cè)色儀在測(cè)試同一樣品時(shí)，其產(chǎn)生的色差值雖然是最小的，但是CMC色差值大于0.2，是人眼可識(shí)別的差異，因此臺(tái)式分光測(cè)色儀和手持測(cè)色儀的顏色測(cè)量結(jié)果的差異較大。

(3)同一測(cè)色儀器在相同環(huán)境下測(cè)試同一樣品，不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)色結(jié)果不同，其中X-Rite Color i7分光光度測(cè)色儀不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)試產(chǎn)生的色差值較小，且色差值曲線較平緩，因此與其它三種測(cè)色儀器相比，其穩(wěn)定性是最好的。

因此，為了避免產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失和不必要的浪費(fèi)，對(duì)與精致的、高品質(zhì)的紡織品，在貿(mào)易接單、生產(chǎn)加工以及銷售的工程中，盡量選用穩(wěn)定性能好的同一型號(hào)的測(cè)試儀器進(jìn)行配色和檢驗(yàn)。