比色法：色差儀如何測量色差

比色法是一門顔色測量科學，廣泛應用於(yú)商業、工業和實驗室，以數字形式表達顔色並(bìng)測量樣本之間的色差。應用包括油漆、油墨、塑料
、紡織品和服裝、食品和飲料、藥品和化妝品、顯示器以及其他反射或傳輸顔色的零件和産品。

随著(zhe)全球制造和加工的增長，比色法的使用和重要性也随之增長。例如，當一個大陸生産的塑料汽車裝飾必須與另一大陸生産的塗漆金屬飾面相匹配時，客觀而精確(què)的顔色描述就變得絕對必要。

不幸的是，人類的顔色感知差異很大，並(bìng)且受到照明、樣本大小、周圍顔色和觀察角度的影響。比色儀器提供瞭(le)一組标準化條件，有助於確保一緻性和可重複性。

雖然術語比色法通常用於(yú)一般意義上的顔色測(cè)量，但它與分光光度法不同，分光光度法是一種相關但不同的顔色測(cè)量方法。

在比色法中，顔色的量化基於(yú)色覺的三分量理論
，該理論指出人眼擁有三種原色(紅、綠和藍)的受體
，並(bìng)且所有顔色都被視爲這些原色的混合物。在比色法中
，這些分量稱爲 XYZ 坐标。色差儀基於(yú)這種顔色感知理論，採用三個光電管作爲接收器，以與人眼大緻相同的方式看到顔色。

另一方面，分光光度法使用更多的傳感器(在某些分光光度計中爲 40 個或更多)來将反射或透射光分成其組成波長。它測(cè)量物體在可見光譜連續譜上每個波長的光譜反射率。分光光度法具有高精度，通常用於(yú)研究和顔色配方應用。色差儀通常用於(yú)生産和質量控制應用。

色差儀的剖析

由光源、固定幾何觀察光學器件、與國際建立的标準觀察器匹配的三個光電管以及闆載處(chù)理器或連接到處(chù)理器/顯示單(dān)元或計算機的電纜組成。

在操作中，色差儀的傳感器透鏡通常直接放置在待測量樣本的區域上——例如，一塊染色的布或一塊彩色塑料片。對於(yú)必須測量透射光的液體或彩色薄膜樣本，樣本被放置在儀器的透射室或特殊的樣本架中。接下來，操作員激活從樣本反射並(bìng)穿過三個光電管的光源，光電管確定紅色、綠色和藍色分量並(bìng)将數據傳輸到微型計算機。微型計算機計算 XYZ 三刺激值並(bìng)捕獲數據，然後顯示或打印。

雖然三刺激值對於(yú)定義顔色很有用，但它們不允許輕松可視化顔色。因此，在國際照明委員會 (CIE) 的支持下，開發瞭(le)許多數學模型和繪圖方法。這些概念化稱爲色彩空間。色彩空間更緊密地表達顔色的相對屬性，例如明度/暗度、飽和度(色度)和色調。它們在測量和比較兩個樣本之間的色差時特别有用
，例如在生産過程中必須重複再現的目标顔色。

圖 1.與人眼相對(duì)應的光譜靈敏度(1931 标準觀(guān)察者的顔色匹配功能)

色調是用於(yú)顔色一般分類的術語，即可見光譜區域(380 至 700 nm)，其中光反射率最高
。被感知爲藍色的色調傾向於(yú)反射光譜低端的光，綠色在中間區域，紅色則朝向高端。圖 1 顯示瞭(le)與人眼相對應的光譜靈敏度。

亮度/暗度可以獨立於色調來測量。例如，檸檬的亮度可以與櫻桃的亮度進行比較。飽和度描述瞭(le)感知顔色的鮮豔度/暗度，並(bìng)且與亮度一樣，可以獨立於色調進行測量。用於定義和以數學方式表達這些屬性的最廣泛使用的色彩空間之一是 CIE 的 Yxy 色彩空間，該空間於 1931 年建立;1976 L*a*b* 色彩空間;和 L*C*h 色彩空間。其他色彩空間，如CIELUV;Hunter Lab，由 Richard S. Hunter 開發;和孟塞爾顔色表示法系統也正在使用。

圖(tú) 2. 1931 年 X、Y 色度圖(tú)

随著(zhe)時間的推移，色彩空間表示已經得到完善，以更接近地對應於(yú)通過持續實驗和統計平均所定義的人眼的色差感知。

XYZ 值和 Yxy 顔(yán)色空間(jiān)

早期的顔色空間表示形式之一是 CIE 1931 X,Y 色度圖(圖 2)。該圖用於(yú)顔色的二維繪圖，與亮度無關。X和Y是根據三刺激值XYZ計算的色度坐标。在此圖中，無彩色朝向中心，色度朝向邊(biān)緣增加。色度坐标爲 X = 0.4832 且 Y = 0.3045 的比色測量紅蘋果可以位於(yú)該顔色空間中的位置 A(藍色圓圈)。

L*a*b* 色彩空間也稱爲 CIELAB，於(yú) 1976 年頒布，旨在針對原始 Yxy 色彩空間的問題之一進行調整。X、Y 色度圖上的相等距離並(bìng)不對應於(yú)相等的感知色差。在L*a*b*圖中，球形彩色實體，L*表示明度，a*和b*是色品坐标。這裏a*和b*表示顔色方向(+a*是紅色方向，-a*是綠色方向)。

圖(tú) 3.a *、b* 色度圖(tú)

L*C*h 顔色空間使用與 L*a*b* 顔色空間相同的圖表，但採用柱坐标而不是直角坐标。L*與L*a*b*圖的L*相同。C*是色度，h是色調角。對於(yú)無彩色，C*的值在中心處爲0並(bìng)且根據距中心的距離而增加。色相角定義爲從 +a* 軸開始，並(bìng)以色度軸逆時針旋轉時的度數表示。

色差儀的測(cè)量輸出以測(cè)量樣本的 XYZ 值以及其他可接受的統一色彩空間的單位表示。通過将目标顔色的測(cè)量值與樣本進行比較，用戶不僅可以獲得顔色的數字描述，還可以表達兩個測(cè)量樣本之間色差的性質。色差儀可精確(què)定位目标和樣品之間的亮度、色度和色調差異。

圖 4.便攜式色差儀允許在生産(chǎn)現場或遠程位置進行測(cè)量

然後，可以将在一個位置進行的、以給定色彩空間的單位表示的顔色測量值與在另一位置或另一時間進行的測量值進行比較，並(bìng)以國際公認的語言進行交流。通過這種方式，比色測量消除瞭(le)顔色感知和色差判斷中的主觀性。

當今的色差儀情況

有多種三色色差儀可用於(yú)生産顔色採(cǎi)樣、檢查和顔色質量控制。許多是便攜式
、電池供電的設備，可以在生産車間或遠程位置進行客觀的色彩測量。它們具有适合特定應用的一系列孔徑和照明/觀察幾何形狀、各種級别的數據處理能力以及衆多配件。

類似顯微鏡配置的色差儀用於(yú)精確(què)測量小物體，例如藥丸和藥物試劑。非接觸式色差儀可對生産線上的紡織品、紙張和塗層卷材進行在線顔色測量。小型掌上儀器甚至專爲非常特殊的應用而設計，例如烘焙、油炸和加工食品的對比度測量。

通過密切監控生産和加工操作中顔色的一緻性，商業和工業顯著(zhe)降低瞭(le)浪費和産品廢品的成本，同時提高瞭(le)操作效率和生産率。