1、第 10章 色度的测量及其仪器 人眼有敏锐的辨别颜色能力人眼有敏锐的辨别颜色能力 , 人们长期利用目视比较法人们长期利用目视比较法来区别颜色。但目视法测量结果带有主观性来区别颜色。但目视法测量结果带有主观性 , 受到视觉适应受到视觉适应性、人眼光谱响应差异、测量时人的状况等因素的影响。性、人眼光谱响应差异、测量时人的状况等因素的影响。CIE标准色度系统为客观地测量标准色度系统为客观地测量物体颜色奠定了基础物体颜色奠定了基础 , 可通过对物体可通过对物体颜色三刺激值的测量确定颜色。颜色颜色三刺激值的测量确定颜色。颜色测量仪器就是通过一定的途径求得三测量仪器就是通过一定的途径求得三刺激值的工具。由
2、于获得三刺激值的刺激值的工具。由于获得三刺激值的方式不同方式不同 , 测色仪器主要可分为两类测色仪器主要可分为两类：分光测色仪器和色度计。：分光测色仪器和色度计。第 10章 色度的测量及其仪器 l 分光测色仪器是颜色测量最基本的仪器，其不直接测量颜色分光测色仪器是颜色测量最基本的仪器，其不直接测量颜色的三刺激值本身，而是测量物体的光谱反射或光谱透射特性，的三刺激值本身，而是测量物体的光谱反射或光谱透射特性，即测量物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比。再选用即测量物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比。再选用 CIE的标准的标准照明体和标准观察者，通过积分计算求得颜色的三刺激值。照明体和标准观察者，通过积
3、分计算求得颜色的三刺激值。l 色度计的响应类似人眼视觉，通过直接测得与颜色三刺激值色度计的响应类似人眼视觉，通过直接测得与颜色三刺激值成比例的仪器响应，换算出颜色三刺激值。三刺激值的获取由成比例的仪器响应，换算出颜色三刺激值。三刺激值的获取由仪器内部完成，即用滤色镜来校正仪器光源和探测元件的光谱仪器内部完成，即用滤色镜来校正仪器光源和探测元件的光谱特性，使输出信号正比于颜色的三刺激值。特性，使输出信号正比于颜色的三刺激值。l 密度计密度计 不是标准颜色测量的仪器，其响应与标准观察者不是标准颜色测量的仪器，其响应与标准观察者的响应无严格的对应关系。然而它也具有红、绿、蓝响应，故的响应无严格的对应
4、关系。然而它也具有红、绿、蓝响应，故彩色密度计的响应和人类观察者的响应之间存在一定的关系。彩色密度计的响应和人类观察者的响应之间存在一定的关系。密度计在某些情况下能给出颜色测量的近似值，能十分精确地密度计在某些情况下能给出颜色测量的近似值，能十分精确地探测到颜色和色差的变化，因此，彩色密度计是颜色和颜色处探测到颜色和色差的变化，因此，彩色密度计是颜色和颜色处理过程中进行质量控制的有效仪器，尤其在照相和印刷业。理过程中进行质量控制的有效仪器，尤其在照相和印刷业。10.1 分光测色仪器分光测色仪器 现代分光光度计由照明光源、色散系统和探测器等组成。现代分光光度计由照明光源、色散系统和探测器等组成。
5、通常在仪器内部将由色散系统产生的单色辐射分成样品和参考通常在仪器内部将由色散系统产生的单色辐射分成样品和参考两条光路。当样品放在样品光路内时两条光路。当样品放在样品光路内时 , 两条光束相等的状态被破两条光束相等的状态被破坏坏 , 探测器检测到差别探测器检测到差别 , 得到该波长上样品的透射比或反射比。得到该波长上样品的透射比或反射比。10.1.1 比较法测量与比较的标准比较法测量与比较的标准分光光度计测量光谱透射比或光谱反射比都采用比较法，分光光度计测量光谱透射比或光谱反射比都采用比较法，l 测量透射样品时选用空气作为参照标准，空气是理想透射体测量透射样品时选用空气作为参照标准，空气是理想透
6、射体，在整个可见光谱范围内透射比均近似为，在整个可见光谱范围内透射比均近似为 1；液体样品则采用同；液体样品则采用同样厚度的溶剂作为标准；样厚度的溶剂作为标准；l 测量反射样品时，虽然全反射漫射体的反射比在各波长上均测量反射样品时，虽然全反射漫射体的反射比在各波长上均为为 1，是理想的参照标准，但实际材料难以达到这样的特性，只，是理想的参照标准，但实际材料难以达到这样的特性，只能选择与它性质比较接近的材料作为工作标准。能选择与它性质比较接近的材料作为工作标准。10.1 分光测色仪器分光测色仪器 比较的标准比较的标准颜色测量中所选用的反射标准常采用的有硫酸钡颜色测量中所选用的反射标准常采用的有硫
7、酸钡 (BaSO4)、海龙海龙 (Halon)、氧化镁、氧化镁 (MgO)、碳酸钙、碳酸钙 (CaCO3)和陶瓷等。和陶瓷等。 硫酸钡稳定性好，但不易清洁，常用于传递标准。硫酸钡稳定性好，但不易清洁，常用于传递标准。 海龙是一种多氟树脂海龙是一种多氟树脂 , 在可见光波段反射率非常接近硫酸钡在可见光波段反射率非常接近硫酸钡 , 在红外波段优于硫酸钡在红外波段优于硫酸钡 , 但在但在 250280nm处有微弱的发光性。处有微弱的发光性。 氧化镁光谱选择性小，反射比大，但稳定性差，过去曾用作氧化镁光谱选择性小，反射比大，但稳定性差，过去曾用作原始标准，原始标准， 1969年年 CIE已用完全反射漫
8、射体取而代之。已用完全反射漫射体取而代之。 陶瓷使用方便，容易清洁，多用作仪器的工作标准。陶瓷使用方便，容易清洁，多用作仪器的工作标准。10.1 分光测色仪器分光测色仪器 比较的标准比较的标准标准白板标准白板 的技术条件在的技术条件在 GB3979-83中有相应的规定：中有相应的规定：u 传递标准白板要求漫反射性能好传递标准白板要求漫反射性能好 , 在在 380760nm波段的反射波段的反射比在比在 95%以上以上 , 并且光谱选择性小并且光谱选择性小 , 尽可能接近完全反射漫尽可能接近完全反射漫射体。当反射比值变化超过射体。当反射比值变化超过 0.5%时时 , 须重新校准。须重新校准。u 传
9、递标准白板要求用高纯度硫酸钡粉末压制而成。传递标准白板要求用高纯度硫酸钡粉末压制而成。u 工作标准白板应具有机械的耐久性和光学稳定性，有足够工作标准白板应具有机械的耐久性和光学稳定性，有足够好的漫反射性；在好的漫反射性；在 380760nm波长范围内光谱反射比高，波长范围内光谱反射比高，且光谱选择性小；便于清洁，可用陶瓷白板或乳白玻璃等且光谱选择性小；便于清洁，可用陶瓷白板或乳白玻璃等作为工作标准白板。作为工作标准白板。u 参比白板应具有充分的漫反射特性，在参比白板应具有充分的漫反射特性，在 380780nm波长范波长范围内的光谱反射比较高，且光谱选择性小，有一定的机械围内的光谱反射比较高，且
10、光谱选择性小，有一定的机械强度和光学稳定性。强度和光学稳定性。10.1 分光测色仪器分光测色仪器 比较法测量的实现方式比较法测量的实现方式 :l采用单光路，仪器只有一条光路，将参照物和样品依次放在采用单光路，仪器只有一条光路，将参照物和样品依次放在光路中进行测量。其优点是能严格保持参照物和样品在完全光路中进行测量。其优点是能严格保持参照物和样品在完全相同的光路中进行测量，但缺点较多，因此很少采用。相同的光路中进行测量，但缺点较多，因此很少采用。l分光光度计中广泛采用双光束法。将单色光分成两束光，一分光光度计中广泛采用双光束法。将单色光分成两束光，一束通过参照物，另一束通过样品。双光束系统最基本
11、的要求束通过参照物，另一束通过样品。双光束系统最基本的要求是保持两光路对称，光学特性一致。在微机控制的仪器中，是保持两光路对称，光学特性一致。在微机控制的仪器中，可用数值方法校正光学特性的不一致性。可用数值方法校正光学特性的不一致性。采用比较测量能够补偿测量中由于光源的不稳定以及控制器灵采用比较测量能够补偿测量中由于光源的不稳定以及控制器灵敏度、光学系统透射比、分光元件效率等随波长而变化的各种敏度、光学系统透射比、分光元件效率等随波长而变化的各种因素影响，由于这些因素对样品和参照物有相同的影响而自动因素影响，由于这些因素对样品和参照物有相同的影响而自动地互相抵消。地互相抵消。10.1 分光测色
12、仪器分光测色仪器 10.1.2 颜色测量的标准化颜色测量的标准化由于颜色视觉的复杂性，颜色测量条件必须标准化，仪由于颜色视觉的复杂性，颜色测量条件必须标准化，仪器间的测量结果才有可比性。器间的测量结果才有可比性。u 测量样品的三刺激值时测量样品的三刺激值时 , 照明光源选择标准照明体，常用的照明光源选择标准照明体，常用的标准照明体有标准照明体有 A， C， D65u 测量样品的三刺激值时测量样品的三刺激值时 , 要选用标准观察者，小视场要选用标准观察者，小视场 (14)选用选用 CIE1931标准色度观察者，大视场标准色度观察者，大视场 (10)时选取用时选取用 CIE1964标准补充色度观察
13、者。标准补充色度观察者。u 标准照明观察条件标准照明观察条件颜色测量时，光源照明和控制器收集光能的几何条件很重颜色测量时，光源照明和控制器收集光能的几何条件很重要，几何条件不一致会造成测量结果的差异。为统一测量结要，几何条件不一致会造成测量结果的差异。为统一测量结果果 , CIE规定了统一的几何条件。规定了统一的几何条件。10.1 分光测色仪器分光测色仪器 u 标准照明观察条件标准照明观察条件在透射样品测量中在透射样品测量中 , 一般采用对样品表面垂直方向照明，透一般采用对样品表面垂直方向照明，透射方向探测。照明光束的光轴与样品表面法线的夹角不超过射方向探测。照明光束的光轴与样品表面法线的夹角
14、不超过 5, 照明光束中任一光线与光轴的夹角不应超过照明光束中任一光线与光轴的夹角不应超过 5, 此几何条件不适此几何条件不适合于漫透射物体。合于漫透射物体。在反射样品在反射样品 (不透明物体不透明物体 )测量中，测量中， CIE1931年正式推荐四种年正式推荐四种测色的标准照明和观察条件测色的标准照明和观察条件 垂直垂直 /45(缩写缩写 0/45)。 10 ; 45 2; 8 45/垂直垂直 (缩写缩写 45/0)。 垂直垂直 /漫射漫射 (缩写缩写 0/d)。 10; 5; 10%。 反射率反射率 漫射漫射 /垂直垂直 (缩写缩写 d/0)。10.1 分光测色仪器分光测色仪器一些带有漫反
15、射和镜面反射混合反射的样品 , 其镜面反射的影响可用光泽吸收阱来削减。照明光束和观测方向不应完全在样品的法线方向上 , 以避免照明器或探测器与样品之间的相互反射。 CIE规定在 0/45, 45/0, d/0条件下测得的光谱反射因数称为光谱辐亮度因数 , 记为 0/45, 45/0, d/0。在 0/d条件下测得的光谱反射因数称为光谱反射比 0。我国制定了国家标准 (GB 3978-83)，反射测量中采用 45/0(0/45)有利于目视观察样品，其比积分球法更有效地排除镜面反射部分。积分球照明或积分球探测的主要优点是几乎与样品表面结构无关。这一点对许多纺织品和纸张的测量特别有用，因为它们的毛面和光面有显著的差别。镜面反射部分可包括在内，只要不加光泽吸收阱去消除样品的第一次表面反射即可，此时测得的是全反射量。用光泽吸收阱消除样品的镜面反射则测得的是漫反射量。10.1 分光测色仪器分光测色仪器样品光源样品光泽吸收器(a) d/0分光光度计(b) 0/d分光光度计分光测色仪器设计时必须按照以上规定的几何条件安排光路，可选择其中一种或多种条件。仪器测试的数据也应说明是在何种条件下测量的结果。
