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色度計基礎(三)常見測色方法和儀器

更新時間:2022-05-06 點擊次數:3659

色度計基礎(三)常見測色方法和儀器

 

摘要

針對不同的測試環境和要求,需要選不同的測試儀器。在只需要知道樣品色坐標的情況下,可以選用光電積分測色儀(色度計),滿足

盧瑟條件的色度計能滿足許多場景的測色要求。在需要獲取樣品的精確光譜信息時,可選用分光光度計,多通道平行測色的分光光度

計,測色速度快,精度高。

 

正文

 

目視測色:

在某些特定的行業和環境中,依然保留著目視測色法,即通過人眼去判斷顏色是否與預期存在誤差,有時會用到標準光源或標準色樣。

目視測色法*依賴觀察者的經驗和敏銳的分辨力來判斷顏色的差別,且速度較慢。

 

  

圖 1 左:一種常見于紡織和服裝設計的比色卡

         右:一種判斷溶液中物質濃度的標準比色液

 

光電積分測色:

將入射光分別通過濾光片透射率-探測器聯合響應曲線滿足CIE標準三刺激值譜線(也有可能是某一特定譜線)的三條或四條通道(因為針

對紅光,在CIE三刺激標準中有兩個峰,很難在一片濾光片做出吻合度很好的透射率曲線,有些設計中會做成四個通道),再經過信號

放大與模數轉換電路,獲得樣品在標準光源下的三刺激值。這種測色方式,獲得的三刺激值大小,與光電探測器上接受到的光強成比

例。這種測試方法速度快,可以獲得滿足大部分情況的色坐標準確度。各種色度計(或稱作光電積分測色儀、比色計或色差計)普遍采

用這種結構。缺點是無法獲得樣品的光譜信息。

圖 2荷蘭Ademesy公司高速高精度色度計結構示意圖

 

這是一類仿人眼結構的測試設備,即用光電二極管和三色(也有可能是四色)濾光片模擬人眼中的三種色覺感受細胞,在不考慮系統電

子系統穩定性、精度和環境等因素的情況下,測色結果的準確度,主要跟濾光片-探測器組成的通道的光譜響應曲線和CIE標準譜線的吻

合程度有關,即盧瑟條件。該條件還指出三個線性無關的原色,經過混合能夠表示任意一種顏色,故可以用在儀器做測色結果的校準,

在相機和色度計中常見。

 

 

圖 3 左:Hyperion色度計譜線與標準CIE-XYZ體系譜線比較

     右:顏色校準矩陣

 

分光測色:

(1)光譜掃描測色:

這種工作方式的分光光度計往往將光源集成在設備內,通過分光器件和單色器,將光源發出的光分成一路或兩路單色光(兩路光路居

多),將經過樣品透射或反射后的光譜,與空樣品池或標準白板做對比,獲得樣品的透射(或反射)光譜曲線。直接獲得的是樣品的光

譜信息,需再經數據處理,才能獲得樣品的三刺激值。

因為采用參比法測量物體透射(反射)光譜,消除了光源不穩定、光學器件效率等一些干擾因素。且往往這類設備體積較大,測試環境

穩定,光學器件精密,故這種方法獲得的樣品光譜信息尤為準確,但速度較慢,且常受限于測試場景和樣品尺寸,使用成本較高。

 

(2)多通道平行測色

光源發出的光照射在樣品上,經樣品透射(或反射)后,通過狹縫進入設備。設備中分光器件將不同波長的光線分到不同的方向角上,

經凹面反射鏡聚焦到線性ccd上,CCD將光強轉換為電信號,每一個CCD單元獲取的光能量,對應樣品光譜中某一波長范圍的光譜能

量,從而獲得樣品的透射(反射)光譜。

   

圖 4  左:Rhea光譜儀的結構示意圖

 右:測得某樣品的光譜圖

 

這樣獲得的樣品光譜實際上是一系列底邊較窄的柱狀圖,是一種實際光譜的近似,通過計算樣品每一小段波長的光能量,對CIE標準下

的XYZ三刺激值產生的作用并求和,就可以獲得樣品的三刺激值。

這樣的設備,將經過標準光源校準后的數據存儲在設備中,在測量光源,發光屏時不需要額外的參考光路,這要求設備有較好的穩定性

和光譜準確度。這樣的測試方法容易獲得較為準確的色坐標值,且測試速度較快。

 

測色標準相關器件:

歸根結底,顏色是物體對光源光譜的選擇性透射和反射,需要評價樣品的顏色,就必須要建立標準,在相同條件下獲得的樣品光譜或色

坐標,才具有可比性。除了測色儀器本身以外,我們還需要用到這些器件:如標準光源、積分球和標準白板等。這些儀器的搭配使用,

也拓展了測色儀器的使用場景。

1. 標準光源:

標準光源有固定的光譜,和很好的穩定性。可以用于測試儀器的標定,也可以用做樣品的照明,常用的有A光源,C光源,D65光源。

2. 標準白板

將標準白板屬于全反射漫射體,波長選擇性低,反射比接近1,常見的涂覆層材料有硫酸鋇(BaSO4)、碳酸鈣(CaCO3)、氧化鎂

(MgO)等。常放置于雙光路分光光度計的參比光路中,作為反射測量的標準參照,可以用于儀器的校定,也可以用來和樣品做對比

來獲得樣品色度信息。

3. 積分球

積分球為一種內壁涂有低光譜選擇性的高反射材料的球體,光在積分球中經過漫反射可以變得均勻。

(1)可以讓標準光源發出的光變成均勻光,這對儀器標定,樣品照明都很重要;

(2)可以在積分球上加光陷阱,吸收不需要的樣品反射光(如吸收樣品鏡面反射光)。

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