颜色测量知识----物体颜色测量仪器原理介绍

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颜色是一个心理物理量。人们对于颜色的感知是通过人眼接收物体反射或透射的光信号来认识的。颜色特性是个三变量的函数，可以通过颜色的三要素来描述：明度、色调、色饱和度。光源颜色是由光源的光谱分布决定的。物体颜色由物体表面的光谱特性决定。但是，人眼对于物体表面光谱特性相同的物体通常并不一定有相同的颜色感觉，另外一个影响人眼颜色感觉的关键因素是物体表面光空间分布的几何特性。几何特性的描述较为复杂，不同行业的关注点不同，也采用不同的描述和测量方法，例如物体表面光泽度、桔皮度等。
当光线入射至物体表面会出现以下四种情况：
1.        在物体表面发生镜面反射。它是物体表面光泽的主要原因。
2.        当光线入射至物体内部，在物体内部发生散射，产生了漫反射和漫透射。
3.        漫反射和漫透射光在物体内传播时，不同波段光会产生不同的吸收，从而产生和入射光不同的颜色。
4.        当物体较透明时，一部分光会直接透过物体，产生透射。
图1.1所示，当光入射至物体表面时，一部分光在物体表面反射了镜面反射，没有进入物体内部。镜面反射光的多少取决于物体材料的折射率和光的入射角度，遵循菲涅尔定律。

图1.1光与物体相互作用

图1.2不同的空间分布的表面反射光
镜面反射光的方向取决于物体表面的光滑程度。表面粗糙程度不同，镜面反射光会产生图1.2所示不同的空间分布。对于镜面反射光，由于没有在物体内部发生传播，就没有产生相应的吸收。所以，镜面反射光的光谱分布和入射光是一致的。进入物体内部的光线为折射光束，在物体内部传播的方向遵循折射定律。折射光在物体内部产生多次的反射和折射。光线在物体内部进行传播时，由于物体对光谱的选择性吸收，从而体现出于物体对应的颜色。一部分光经过物体表面返回到空气中的光线成为漫反射光，另外一部分光透过物体到达下表面，成为漫透射光。漫反射光和漫透射光与光源光谱不同。镜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号中镜面反射光的比例过大，会“冲淡”物体表面本身颜色，使人眼感觉颜色亮度偏高，饱和度偏低。
人们观测颜色必须有三个条件：照明光源、物体和眼睛。同样，对于测色仪器要得到测试结果，必须有三个条件：照明光源、被测样品和传感器。物体测色仪器发展至今，都是通过测量材料表面的光谱特性来进行颜色数据的测量。
要客观、定量的表示一个颜色，需要计算物体或光源的颜色所占匹配刺激三原色的份量多少，即根据现代色度学原理计算此颜色的三刺激值。三刺激值的计算方法是用样品的光谱反射值、所用标准照明体的相对光谱功率分布和所采用CIE推荐的2°或10°视场的色匹配函数，用等波长间隔法，在可见光光谱范围内加权计算，从而计算出样品颜色的色品坐标及其它相关色度参数。
根据对以上过程实施方法的不同，可以把颜色测量仪器分为两类：光电积分式测色仪器和光谱式测色仪器。如CS-200、CS-210、CS-220型号的色差仪采用的是光电积分式，而CS-580、CS-600、CS-610、CS-660型号的分光测色仪采用的是光谱式。
光电积分式测色仪器是在整个可见光范围内对被测颜色的光谱能量进行积分测量，分别测得样品颜色的三刺激值X、Y、Z。其光探测器一般为硅光电二极管，如果对仪器灵敏度要求很高，也可采用光电倍增管。一般采用有色玻璃构造滤光片对探测器的相对光谱灵敏度进行修正。修正方法为：结合照明光源的相对光谱分布和探测器的相对光谱灵敏度，计算出所需滤光片的相对光谱透过率。使仪器的相对光谱灵敏度符合标准色度观察者光谱三刺激值函数x(λ)、y(λ)、z(λ)。仪器的相对光谱灵敏度决定了仪器的性能。在光电积分仪器的设计中，滤光片的匹配精度在很大程度上决定了仪器的精度。由于有色玻璃的品种有限、加工工艺和过程比较复杂，所以滤光片往往存在一定程度的光谱匹配误差，使得实际的仪器相对光谱灵敏度相对于CIE标准色度观察者光谱三刺激值曲线存在偏差[23]。尤其在测量不同样品的颜色时存在较大误差。所以，光电积分式测色仪器在仪器性能上存在一定局限性，但是其成本相对较低，在一些对颜色数据绝对精度要求不高，或测试样品的色调比较单一的应用领域还有普遍的应用，大多应用于对产品的品质监测中。
另一类颜色测量仪器为光谱测色仪器，技术实现方法和光电积分测色仪器不同。光谱测色仪器通过测量被测物体表面的光谱反射率来计算颜色信息。被测物体表面光谱反射率可以实现准确测量，在各个波长处的测量误差差别不大，在测量不同表面光谱反射率的被测样品时，误差相对均衡。得到了被测样品的表面光谱反射率后，可以计算其在不同标准光源下的颜色三刺激值和其它色度参数。
光谱颜色测量仪器可以分为光谱扫描法和同时测量全部可见光波段的分光光谱法两种。
光谱扫描法通常采用单色仪作为照明光源，用单色仪中的分光色散系统产生不同波长的单色光，分别对于每个波长测量材料表面的反射光光辐射能量，和标准参比物进行对比计算出被测样品在特定波长处的光谱反射率。单色仪一般采用机械结构控制光栅转动，得到不同波长的单色光，可以达到较高的光谱分辨率，也可以实现较高的信噪比。光谱扫描法颜色测量仪器波长分辨率可达0.1nm甚至更高，在测量标准白板时可以达到测量重复性△E≤0.001，实现高精度的颜色测量。作为最高精度的测试方法，光谱扫描法颜色测量仍然在标准传递和高精度测色中发挥着不可替代的作用。但是，光谱扫描法扫描整个可见光波段需要的时间相对较长，工作效率较低，不适用工业应用中现场快速检测的需求。
同时测量全部可见光波段的分光光谱法是目前便携式颜色测量仪器的主流技术。如CS-580、CS-600、CS-610、CS-660型号采用分光光谱法测量颜色。和光谱扫描法类似，这种方法同样是通过测量被测样品表面的反射光谱率来计算颜色数据的。分光光谱法颜色测量仪器波长间隔通常为10nm，在测量标准白板时可以达到测量重复性△E≤0.01。和光谱扫描法相比，波长分辨率和测量重复性都稍差一些。但是，分光光谱法的测量速度较快，仪器的体积小，适用于现场快速检测的需求。
在基于分光光谱法的仪器设计中，通常使用在可见光范围内有充足分布的氙灯、卤钨灯作为照明光源，采用阵列探测器作为传感器，光栅作为色散器件。照明光源发出的光照在被测样品上，反射光进入分光色散系统，分光色散系统将反射光以一定波长分辨率分开投射在阵列传感器上，使阵列传感器获得整个可见光范围内的光谱分布。由于替代了传统的机械扫描式分光色散结构，分光光谱法的测试时间很短，大大降低了对照明光源的工作时间和光源稳定性的要求，兼顾了仪器的测量速度、光谱分辨率和测量重复性等指标。