第 十 章 色度测量

1. 第十章 色度测量

2. 主要内容 • 目视测色 • 仪器测色的色度基准 • 颜色测量的几何条件 • 色度测量仪器

3. 10.1 目视测色 • 在进行目视评价时，首先要确定标准的照明和观察条件，该条件能够在较长的时间内保持稳定，因此通常需要采用光暗室(light booth)，并且光暗室的光谱功率分布和照度应该正好与样品需要的照明条件一致。 • 实际上没有相应的应用于光室的CIE自然日光标准光源。

4. 周围场：指光暗室的内壁，其应该是无光泽和中性的，而且其特定的明度取决于被模拟的照明环境。周围场：指光暗室的内壁，其应该是无光泽和中性的，而且其特定的明度取决于被模拟的照明环境。 • 内壁黑色时，照明基本上是定向的，与直射太阳光照射物体的情况类似；随着壁面明度提高，二次反射增加，增加了漫反射特征，可模拟多云的天空； • 明度L*一般在60~70； • 如果待测物体不是高光泽材料，最好不要改变周围场特征；若是高光泽材料，光暗室背景应是黑色或用黑色的天鹅绒覆盖，这可消除由镜面反射导致的光暗室背景的象。

5. 背景： 指的是样品放置其上的表面，一般多指光暗室的底面。 • 应该无光泽，具有中等明度(L*=50) • 光暗室照度要求： • 理论上所有光源照度要非常一致(约在100lx以内)，但实际上差别较大 • 一般，在颜色的目视评估中，照度控制在1000lx

6. 样品： • 尺寸保持一致，且越大越好 • 至少13cm2，如果尺寸达不到，视角应不小于2°； • 如果标准色的尺寸比样品色小，用罩子罩住，以达到相同尺寸，同时罩子的明度和表面性能要和背景一致

7. 已知样品尺寸和观察者距离时，观察角为：

8. 当判定色差时： • 样品的制备方法应相同，且边界接触放置 • 试样平放于光暗室的底面上，使照明和试样平面垂直 • 观察者离光暗室口15~30cm，保持45°观察角

9. 因此，用于目视评价测色的光暗室的照明和观测条件包括：因此，用于目视评价测色的光暗室的照明和观测条件包括： • 相对光谱功率分布 • 色品坐标 • 相关色温 • 照度 • 显色指数 • 日光模拟器分类等级(Daylight Simulator Category Rating) • 光室内壁和底面的明度

10. 10.2 仪器测色的色度基准 • 按照CIE规定，反射颜色样品的光谱反射率因数是相对于完全漫反射体（在整个可见波长范围的反射率都是1）来测量的，然而，实际上不存在，所以用已知绝对光谱反射率的氧化镁(MgO)、硫酸钡(BaSO4)等工作标准白板来校准分光光度计，才能在仪器上测量样品的绝对光谱反射率。因此，必须准确测量工作白板的绝对光谱反射比。 • 中国计量科学研究院根据光度测量的积分球原理，利用辅助积分球法（双球法）来实现绝对光谱反射比的测量

11. MgO（烟积或喷涂）、BaSO4、海伦(Halon)：漫反射性能好、反射比高；光学稳定性差、容易污染、完好保持及重复使用困难，无法长久保持反射比量值的稳定性和准确性MgO（烟积或喷涂）、BaSO4、海伦(Halon)：漫反射性能好、反射比高；光学稳定性差、容易污染、完好保持及重复使用困难，无法长久保持反射比量值的稳定性和准确性 • 乳白玻璃、高铝瓷板、陶瓷白板、搪瓷白板：光学性能稳定、经久耐用、表面便于清洁，因此用作副基准白板

12. 中国色度计量器具检定系统(JJG2029-2006),它规定了色度单位（以绝对光谱反射比表示）国家基准的用途，基准所包括的全套基本计量器具，基准的基本计量学参数和借助于副基准、工作基准和标准向工作计量器具传递色度单位量值的程序，并指明其不确定度和基本检定方法等。国家色度基准用于复现国家的色度计量单位，通过色度副基准、工作基准、一级标准、二级标准和专用标准反射板，向全国传递量值，以保证我国色度量值的准确和统一。中国色度计量器具检定系统(JJG2029-2006),它规定了色度单位（以绝对光谱反射比表示）国家基准的用途，基准所包括的全套基本计量器具，基准的基本计量学参数和借助于副基准、工作基准和标准向工作计量器具传递色度单位量值的程序，并指明其不确定度和基本检定方法等。国家色度基准用于复现国家的色度计量单位，通过色度副基准、工作基准、一级标准、二级标准和专用标准反射板，向全国传递量值，以保证我国色度量值的准确和统一。

13. 10.3 颜色测量的几何条件 • 物体的颜色是由物体本身的光谱反射率、观察颜色时所用的光源（即光源的相对光谱功率分布）、视场来决定的。但是当物体所处的背景、环境等发生变化时，对人眼所产生的视觉感受也会发生变化，在物体色的测量中，仪器所采用的几何条件也会影响最终的测量结果。

14. 光源的漫射和定向性能、观察位置以及光源与样品、样品与观察者之间的特定几何关系决定了光源、物体和观察者的相互作用，所以可以通过调整相关的条件参数来强化或减弱所产生的颜色、纹理或光泽。光源的漫射和定向性能、观察位置以及光源与样品、样品与观察者之间的特定几何关系决定了光源、物体和观察者的相互作用，所以可以通过调整相关的条件参数来强化或减弱所产生的颜色、纹理或光泽。

15. 半透明材料的反射、透射和吸收 物体表面对光的几种反射情况

16. 10.3.1 基本术语 • 参照平面(reference plane) • 反射样品测量时，参照平面就是放置样品或参比标准的平面。几何条件就是相对于此平面确定出来的。 • 透射样品测量时，有两个参照平面，第一个是入射光参照平面；第二个是透射光参照平面。它们的距离等于样品的厚度。CIE推荐书假定样品厚度可以忽略，两个参照平面合为一个。

17. 10.3.1 基本术语 • 采样孔径(sampling aperture) • 采孔样径是在参照平面上被测量的面积。它的大小由被照明面积和被探测器接收的面积中较小的一个来确定。如果，照明面积大于接收面积，被测面积称为过量（over filled）；如果照明面积小于接收面积，被测面积称为不足（under filled）。

18. 10.3.1 基本术语 • 调制(modulation) • 调制是反射比、反射因数、透射比的通称。 • 照明几何条件 • 照明几何条件是指采样孔径中心照明光束的角分布。 • 接收几何条件 • 接收几何条件是指采样孔径中心接收光束的角分布。

19. 10.3.2 定向照射的命名法 • 45°方向几何条件（45°x） • 测量反射样品颜色时，45°x表示：与样品法线成45°，且只有一条光束照明样品，符号“x”表示该光束在参照平面上的方位角。方位角的选取应考虑样品的纹理和方向性。

20. 10.3.2 定向照射的命名法 • 45°环形几何条件（45°a） • 测量反射样品颜色时，45°a表示：与样品法线成45°，从所有方向同时照明物品。符号“a”表示环形照明。这种条件能使样品的纹理和方向性对测量结果影响较小。这种几何条件可用一个光源和一个椭球面环形反射器或其他非球面光学系统来实现，称作45°环形照明，记作45°a。这种几何条件，有时也采用在一个圆环上由多个光源或用一个光源由光纤分成多束，其端部装在一个圆环上来完成。这种离散的环形照明记为45°c。

21. 10.3.2 定向照射的命名法 • 0°方向几何条件（0°） • 在反射样品的法线方向照明。 • 8°方向几何条件（8°） • 与反射样品法线成8°角，且只有一个方向照明样品。在许多实际应用中，该条件可用于代替0°方向几何条件。在反射样品测量中，这种条件就可以实现包含或排除镜面反射成分两种几何条件的区别。

22. 10.3.3 反射测量条件 • 2004年CIE 15出版物反射样品测量的标准照明和观察几何条件

23. (1) di:8° 漫射照明，8°方向接收，包括镜面反射成分。 样品被积分球在所有方向上均匀地漫射照明，照明面积应大于被测面积。接收光束的轴线与样品中心的法线之间的夹角为8°，接收光束的轴线与任一条光线之间的夹角不应超过5°，探测器表面的响应要求均匀，并且被接收光束均匀地照明。

24. (2) de:8° 漫射照明，8°方向接收，排除镜面反射成分。 几何条件同di:8°，只是接收光束中不包括镜面反射成分，也不包括与镜面反射方向成1°角以内的其他光线。

25. (3) 8°:di 8°方向照明，漫反射接收，包括镜面反射成分。 几何条件同di:8°，只是di:8°的逆向光路。

26. (4) 8°:de 8°方向照明，漫反射接收，排除镜面反射成分。 几何条件同de:8°，是de:8°的逆向光路。

27. (5) d:d 漫射照明，漫反射接收。 几何条件同di:8°，只是漫反射光用积分球从所有方向上接收。在这种几何条件下测试，照明面积和接收面积是一致的。

28. (6) d:0° 漫射照明，0°方向接收，排除镜面反射成分。 d:0°是漫射照明的另一种形式。样品被积分球漫射照明，在样品法线方向上接收。这种几何条件能很好地排除镜面反射成分。

29. (7) 45°a:0° 45°环形照明，0°方向接收。 样品被环形圆锥光束均匀地照明，该环形圆锥的轴线在样品法线上，顶点在样品中点，内圆锥半角为40°，外圆锥半角为50°，两圆锥之间的光束用以照明样品。在法线方向上接收，接收光锥的半角为5°，接收光束应均匀地照明探测器。 如果将上述照明光束改为：在一个圆环上装若干离散光源或装若干光纤束来照明样品，就成为45°c:0°几何条件。

30. (8) 0°:45°a 0°方向照明，45°环形接收。 几何条件同45°a:0°，只是45°a:0°的逆向光路。

31. (9) 45°x:0° 45°定向照明，0°方向接收。 几何条件同45°a:0°相同，但照明方向只有一个，而不是环形。“x”表示照明的方位。在法线方向上接收。

32. (10) 0°:45°x 0°定向照明，45°方向接收。 几何方向同45°x:0°，不过是45°x:0°的逆向光路。

33. 10.3.4 透射测量条件 透射样品颜色测量的照明和观察几何条件 :

34. （1）0°：0° 0°照明，0°接收。 照明光束和接收光束都是相同的圆锥形，均匀的照明样品或探测器。它们的轴线在样品中心的法线上，半锥角为5°。探测器表面的响应要求均匀。

35. （2）di:0° 漫射照明，0°接收。包括规则透射成分。 样品被积分球在所有方向上均匀的照明；接收光束的几何条件同0°：0°。

36. （3）de:0° 漫射照明，0°接收。排除规则透射成分。 几何条件同di:0°，只是当不放样品时，与光轴成1°以内的光线均不直接进入探测器。

37. （4）0°：di 0°方向照明，漫透射接收。包括规则透射成分。 此几何条件是di:0°的逆向光路。

38. （5）0°：de 0°方向照明，漫透射接收。排除规则透射成分。 此几何条件是de:0°的逆向光路。

39. （6）d:d 漫射照明，漫透射接收。 样品被积分球在所有方向上均匀的照明，透射光均匀地从所有方向上被积分球接收。

40. 几何条件的选择 • 对于反射样品： • 镜面反射成分的处理 • 几何条件对偏振的影响 • 测试结果与目视评价的相关性 • 被测样品的性质 • 行业差别 • 仪器之间测试结果的一致性

41. 10.3.5 多角几何条件

42. 10.4 色度测量仪器 • 分光光度测色仪 • 光电积分式色度计

43. 10.4.1 分光光度测色仪 采用分光光度测色的过程主要包括： • 物体反射或透射的光度特性测定以及由此根据CIE标准色度观察者光谱三刺激值函数计算出样品的三刺激值X、Y、Z等色度参数

44. 分光光度测色仪器分类 • 按照光路组成 • 单光束 • 双光束 • 按照色散元件 • 棱镜 • 光栅 • 棱镜－棱镜 • 光栅－光栅 • 棱镜－光栅 • 按照光探测器 • 目视分光光度仪 • 自动分光光度测色仪 双单色仪色散系统

45. 物理分光光度测色方法分为： • 常规的光谱扫描 利用分光色散系统（单色器）对被测光谱进行扫描，逐点测出各个波长对应的辐射能量，由此达到光谱功率分布的测定。属于机械扫描式分光光度法，精度很高，但速度慢。 • 同时探测全波段光谱 基于列阵光电探测器的多通道检测技术，通过探测器内部的电子自动扫描来实现全波段光谱能量分布的同时探测，也称为电子扫描式分光光度法。测量速度快。

46. (1) 机械扫描式分光光度测色仪

50. (2) 电子扫描式分光光度测色仪 • 快速分光光度测色仪的出现和光电探测半导体技术是分不开的，是随着固体图像传感器的发展而产生的。 • 固体图像传感器(Solid State imaging Sensor)有三类： • 电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD) • 自扫描光电二级管阵列(Self-scanning Photodiode Array, SPD), 属于MOS图像传感器，应用最普遍 • 电荷注入器件(Charge Injection Device, CID)