针对不同的测试环境和要求,需要选不同的测试仪器。在只需要知道样品色坐标的情况下,可以选用光电积分测色仪(色度计),满足
卢瑟条件的色度计能满足许多场景的测色要求。在需要获取样品的精确光谱信息时,可选用分光光度计,多通道平行测色的分光光度
计,测色速度快,精度高。
正文
目视测色:
在某些特定的行业和环境中,依然保留着目视测色法,即通过人眼去判断颜色是否与预期存在误差,有时会用到标准光源或标准色样。
目视测色法*依赖观察者的经验和敏锐的分辨力来判断颜色的差别,且速度较慢。
图 1 左:一种常见于纺织和服装设计的比色卡
右:一种判断溶液中物质浓度的标准比色液
光电积分测色:
将入射光分别通过滤光片透射率-探测器联合响应曲线满足CIE标准三刺激值谱线(也有可能是某一特定谱线)的三条或四条通道(因为针
对红光,在CIE三刺激标准中有两个峰,很难在一片滤光片做出吻合度很好的透射率曲线,有些设计中会做成四个通道),再经过信号
放大与模数转换电路,获得样品在标准光源下的三刺激值。这种测色方式,获得的三刺激值大小,与光电探测器上接受到的光强成比
例。这种测试方法速度快,可以获得满足大部分情况的色坐标准确度。各种色度计(或称作光电积分测色仪、比色计或色差计)普遍采
用这种结构。缺点是无法获得样品的光谱信息。
图 2荷兰Ademesy公司高速高精度色度计结构示意图
这是一类仿人眼结构的测试设备,即用光电二极管和三色(也有可能是四色)滤光片模拟人眼中的三种色觉感受细胞,在不考虑系统电
子系统稳定性、精度和环境等因素的情况下,测色结果的准确度,主要跟滤光片-探测器组成的通道的光谱响应曲线和CIE标准谱线的吻
合程度有关,即卢瑟条件。该条件还指出三个线性无关的原色,经过混合能够表示任意一种颜色,故可以用在仪器做测色结果的校准,
在相机和色度计中常见。
图 3 左:Hyperion色度计谱线与标准CIE-XYZ体系谱线比较
右:颜色校准矩阵
分光测色:
(1)光谱扫描测色:
这种工作方式的分光光度计往往将光源集成在设备内,通过分光器件和单色器,将光源发出的光分成一路或两路单色光(两路光路居
多),将经过样品透射或反射后的光谱,与空样品池或标准白板做对比,获得样品的透射(或反射)光谱曲线。直接获得的是样品的光
谱信息,需再经数据处理,才能获得样品的三刺激值。
因为采用参比法测量物体透射(反射)光谱,消除了光源不稳定、光学器件效率等一些干扰因素。且往往这类设备体积较大,测试环境
稳定,光学器件精密,故这种方法获得的样品光谱信息尤为准确,但速度较慢,且常受限于测试场景和样品尺寸,使用成本较高。
(2)多通道平行测色
光源发出的光照射在样品上,经样品透射(或反射)后,通过狭缝进入设备。设备中分光器件将不同波长的光线分到不同的方向角上,
经凹面反射镜聚焦到线性ccd上,CCD将光强转换为电信号,每一个CCD单元获取的光能量,对应样品光谱中某一波长范围的光谱能
量,从而获得样品的透射(反射)光谱。
图 4 左:Rhea光谱仪的结构示意图
右:测得某样品的光谱图
这样获得的样品光谱实际上是一系列底边较窄的柱状图,是一种实际光谱的近似,通过计算样品每一小段波长的光能量,对CIE标准下
的XYZ三刺激值产生的作用并求和,就可以获得样品的三刺激值。
这样的设备,将经过标准光源校准后的数据存储在设备中,在测量光源,发光屏时不需要额外的参考光路,这要求设备有较好的稳定性
和光谱准确度。这样的测试方法容易获得较为准确的色坐标值,且测试速度较快。
测色标准相关器件:
归根结底,颜色是物体对光源光谱的选择性透射和反射,需要评价样品的颜色,就必须要建立标准,在相同条件下获得的样品光谱或色
坐标,才具有可比性。除了测色仪器本身以外,我们还需要用到这些器件:如标准光源、积分球和标准白板等。这些仪器的搭配使用,
也拓展了测色仪器的使用场景。
1. 标准光源:
标准光源有固定的光谱,和很好的稳定性。可以用于测试仪器的标定,也可以用做样品的照明,常用的有A光源,C光源,D65光源。
2. 标准白板
将标准白板属于全反射漫射体,波长选择性低,反射比接近1,常见的涂覆层材料有硫酸钡(BaSO4)、碳酸钙(CaCO3)、氧化镁
(MgO)等。常放置于双光路分光光度计的参比光路中,作为反射测量的标准参照,可以用于仪器的校定,也可以用来和样品做对比
来获得样品色度信息。
3. 积分球
积分球为一种内壁涂有低光谱选择性的高反射材料的球体,光在积分球中经过漫反射可以变得均匀。
(1)可以让标准光源发出的光变成均匀光,这对仪器标定,样品照明都很重要;
(2)可以在积分球上加光陷阱,吸收不需要的样品反射光(如吸收样品镜面反射光)。
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