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色度计(三)常见测色方法和仪器

发布时间:2020-10-16 16:53:43 浏览量:69 作者:Grin

摘要

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。


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。

目视测色法完全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最为准确,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)。