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測色儀器在不同樣品光澤條件下的應(yīng)用
- 信息來源：彩譜品牌廠家 瀏覽次數(shù)：0 發(fā)表時(shí)間：2019-12-24
摘要： 人眼和顏色測量儀器對物體表面進(jìn)行顏色判別時(shí)都會(huì)受到物體表面光澤的影響。由于人眼觀察顏色時(shí)可以靈活更換觀察角度，而顏色測量儀器的測量結(jié)構(gòu)相對固定，導(dǎo)致對物體表面顏色進(jìn)行測量時(shí)測色儀器和人眼很多情況下會(huì)得出不同的判別結(jié)果。文章通過建立模型從理論上分析了物體表面的顯色機(jī)理，著重介紹了光澤的成因以及其對顏色判別的影響。對目前通用的測色儀器測量結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析，對于具體應(yīng)用提出了建議。
關(guān)鍵詞：測色儀器；光澤；幾何結(jié)構(gòu)；高光澤顏色測量
中圖分類號(hào)：O438.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
0 引言
物體表面的顏色受到其表面光澤的顯著影響，尤其是在印刷、涂料、油漆和有色塑料等行業(yè)中，由于高光澤表面可以給人更加強(qiáng)烈的色彩感，所以在這些行業(yè)中普遍應(yīng)用高光澤表面。尤其對于暗色或高飽和度顏色物體表面，物體表面顏色受到光澤變化帶來的影響更明顯。對表面顏色的測量和質(zhì)控，通常是采用顏色測量儀器對顏色進(jìn)行測量。現(xiàn)在通用的顏色測量儀器，多采用CIE(國際照明委員會(huì))推薦的測量幾何條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于人眼觀察顏色時(shí)可以靈活更換觀察角度，而顏色測量儀器的測量結(jié)構(gòu)相對固定，導(dǎo)致對物體表面顏色進(jìn)行測量時(shí)測色儀器和人眼很多情況下會(huì)得出不同的判別結(jié)果。
CIE推薦的幾何條件中，每一種都有其特殊的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境，在對顏色進(jìn)行測量時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。文章通從理論上分析了物體表面的顯色機(jī)理，著重介紹了光澤的成因以及其對顏色判別的影響。對目前通用的測色儀器測量結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析，對不同光澤條件下的顏色測量提出了建議。
1 光澤的概念
當(dāng)一束光以一定的角度入射到材料表面，一部分光在物體材料表面發(fā)生了反射，有一部分光入射至材料表面內(nèi)部。發(fā)生反射的這部分光會(huì)讓觀察者覺得表面光亮，這種表面效果就是表面光澤。如圖1所示，一束光強(qiáng)為I的光入射至一層表面平整的透明薄膜上，一小部分光發(fā)生了反射，如圖1中S所示，其它大部分光入射至薄膜內(nèi)部。由于反射定律，反射光線與表面法線所成的角度r1與入射角度i相同。由于空氣和薄膜折射率的差異，導(dǎo)致入射光的傳播方向發(fā)生改變。圖1中光線方向和強(qiáng)度大小可以根據(jù)折射定律和具體的折射率值來確定。
光反射和入射是發(fā)生在光滑表面的，當(dāng)材料表面不光滑時(shí)，反射光并不全部遵循鏡面反射定律。圖2歸納了幾種典型的反射光分布情況：鏡面反射（圖2（a））、漫反射(圖2（b）)、和方向反射(圖2（c）、（d）)。實(shí)際上多數(shù)自然表面都是粗糙表面，而對于表面有一定光澤的被測樣品，如圖2（c）(d)所示，表面發(fā)生的反射實(shí)際上應(yīng)屬于介于鏡面反射和漫反射之間的方向反射。只不過鏡面反射和方向反射的比例不同，所以體現(xiàn)出了不同的光澤情況，也影響到了人眼對顏色的評價(jià)。在汽車表面噴涂的應(yīng)用中比較典型，一般汽車表面都應(yīng)用了高光澤的涂層處理，對于汽車表面進(jìn)行清潔并打蠟處理后，如圖3(a)所示，人眼在沿著入射光的鏡面反射方向，即B方向?qū)ν繉颖砻孢M(jìn)行觀察時(shí)，感受到的是鏡面反射光，會(huì)覺得表面有很強(qiáng)的光澤感；如果更改觀察角度，不正對光源的鏡面反射方向從A方向進(jìn)行觀察時(shí)，幾乎觀察不到反射光線，只觀察到涂料層反射的光線，覺得車身漆面顏色很鮮艷，即飽和度很高，這時(shí)人眼觀察到的光線中，幾乎沒有光源光譜成分。而在車身表面經(jīng)過一段時(shí)間之后，打蠟的效果減弱，漆面變得不太平整之后，光入射到車身表面，反射光有很強(qiáng)的漫反射成分，如圖3（b）所示。雖然車身漆面涂料顏色并沒有變化，人眼不正對光源的鏡面反射方向，比如圖3（b）中的A方向?qū)ζ溥M(jìn)行觀察時(shí)，會(huì)覺得車身漆面顏色不是很鮮艷，飽和度降低，這種情況就是因?yàn)檫M(jìn)入人眼的光線混進(jìn)了反射光線，“沖淡”了本來比較鮮艷的車身漆面顏色。
2 理論分析
首先建立物理模型：構(gòu)建一個(gè)測試樣品，用涂料涂覆在基底材料表面，遮蓋住基底材料的本色。當(dāng)一束光強(qiáng)為I的平行光入射至樣品表面時(shí)，在空氣和樣品的交界處處發(fā)了反射和入射，可以用式1描述。
（1）
在這里為表面反射光，為入射至涂料內(nèi)部的光線。和的比例關(guān)系，可以按照Fresnel公式進(jìn)行計(jì)算，只和涂料的折射率相關(guān)，與其它因素不相關(guān)。但是，在人眼對材料表面的觀察過程中，好像表面越光滑的材料，反射光越強(qiáng)。實(shí)際上，表面越光滑，代表材料表面的微結(jié)構(gòu)越細(xì)致、越平整。當(dāng)光線以一定角度入射至材料表面時(shí)，表面越光滑，則有更多的光線遵循鏡面反射定律，在相應(yīng)的方向進(jìn)行觀察，就會(huì)覺得反射光線越強(qiáng)。實(shí)際上，對于任意的材料表面，都發(fā)生了鏡面反射和漫反射。而鏡面反射和漫反射光線總的光通量是一定的，可以用式（2）來表示，兩者的和等于式（1）中的。所以，材料表面結(jié)構(gòu)的光澤度變化，改變的只是反射光的空間分布，并沒有改變前表面反射光的總量。
（2）
為反射光強(qiáng)度，為漫射光強(qiáng)度。
對于入射至涂料內(nèi)部的光，在涂料內(nèi)部發(fā)生了透射和散射，如圖4所示。由于涂料本身相對均一，所以主要發(fā)生透射，而散射主要發(fā)生在涂料和基底的交界面。在透射和散射過程中，由于材料本身對不同光譜的光吸收的差異性，導(dǎo)致了對入射光不同波長產(chǎn)生了吸收。該部分光通過基底的反射，最終被人眼或探測器接收，這部分光是真正攜帶材料光譜信息的，稱之為涂料層反射。
綜上所述，人眼或傳感器所接收到的光線，不僅包括一部分反射光，也包括一部分?jǐn)y帶材料光譜信息后的光線，可以用式3表示。
(3)
式中，為人眼或傳感器接收的光信號(hào)，與材料表面反射光譜和材料表面光澤相關(guān)。為涂料層反射光線，是與材料表面反射光譜相關(guān)的。為由于表面光澤導(dǎo)致接收到的表面反射光信號(hào)，只與光源光譜相關(guān)。在觀察顏色和用儀器測量顏色時(shí)，測量和觀察的結(jié)果取決于表面反射光中哪一部分，有多少進(jìn)入了觀察范圍或測量角度。在這里我們可以理解為表面反射光對顏色測量有“沖淡”的影響，當(dāng)進(jìn)入傳感器觀察角度的光中表面反射光比例越大時(shí)，被測樣品的顏色被“沖淡”的程度就越大，從測量結(jié)果上看色飽和度就越小。
3 顏色測量儀器的幾何結(jié)構(gòu)
CIE推薦了幾種顏色測量儀器的幾何結(jié)構(gòu)，應(yīng)用較多的有D/0-SCI，D/0-SCE, 45/0或0/45。具體的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
D/0幾何條件包含反射光測量結(jié)構(gòu)
具體的測量結(jié)構(gòu)如圖6所示。在這種測量條件下，光源發(fā)出的光首先入射到積分球內(nèi)壁上，通過積分球?qū)悠愤M(jìn)行漫射照明，觀察角度接近垂直于材料表面方向。在通常的儀器設(shè)計(jì)中，通常選擇8°作為觀察角度，這樣做的原因是觀察口徑通常設(shè)置了透鏡等光學(xué)器件，會(huì)反射一部分入射光線。而根據(jù)Fresnel公式，鏡面反射光在8°和0°位置的光強(qiáng)是非常接近的，不會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生太大的影響。在D/0-SCI結(jié)構(gòu)中，進(jìn)入觀察角度的光強(qiáng)，包括一部分在材料表面發(fā)生的鏡面反射光。當(dāng)被測材料是高光澤鏡面時(shí)，測量孔徑相對表面法線對稱方向的積分球壁發(fā)出的光線經(jīng)過被測物體表面的鏡面反射之后，鏡面反射光會(huì)進(jìn)入測量孔徑。
圖6比較了在D/0-SCI幾何條件下測量高光澤表面和粗糙表面的情況。這兩種表面假設(shè)其材料本身顏色相同，只是表面光澤有區(qū)別。 入射至物體表面的光線來自積分球球壁，從各個(gè)方向入射。當(dāng)材料表面是高光澤面時(shí)，如圖6（a）所示，一部分鏡面反射光會(huì)直接入射至觀察孔徑；當(dāng)材料表面是粗糙面時(shí)，如圖6（b）所示，進(jìn)入觀察孔徑的全部是漫反射光。但是，無論是那種情況，因?yàn)樵诓牧媳砻姘l(fā)生的入射和反射的光的比例和總量沒有變化，由于積分球的均勻化作用，兩種情況下測量到的結(jié)果沒有區(qū)別。
D/0幾何條件去除反射光測量結(jié)構(gòu)（D/0-SCE）
D/0-SCE結(jié)構(gòu)如圖所示。這種結(jié)構(gòu)在D/0-SCI上進(jìn)行了更改，在積分球球壁上和觀察孔徑對稱的方向開孔，放置光澤陷阱。在D/8-SCE結(jié)構(gòu)中，光阱放置在-8°位置。當(dāng)光線入射至光阱位置時(shí)，被光阱吸收。圖7（a）為D/0-SCE結(jié)構(gòu)在測量高光澤表面時(shí)的具體情況。由于光阱的作用，鏡面反射光不能進(jìn)入觀察孔徑。在這種情況下，進(jìn)入觀察孔徑的只是涂層反射光。圖7(b)為在粗糙表面測量的情況，這種情況下進(jìn)入觀察孔徑的光線包括了表面漫反射光和所以，D/0-SCE結(jié)構(gòu)在測量本身顏色相同，只是表面光澤有區(qū)別的高光澤表面和粗糙表面是會(huì)產(chǎn)生差別。由于在測量粗糙表面時(shí)，混入了材料表面反射光，所以會(huì)“沖淡”所測得的材料顏色，使人感覺顏色不那么鮮艷，飽和度降低。D/0-SCE幾何條件的提出是為了在D/0測量中更好與人眼評價(jià)結(jié)果保持一致，但是并不是在所有測量中都能達(dá)到這個(gè)目的。另外，由于CIE沒有對光阱尺寸做出明確的規(guī)定，不同儀器設(shè)計(jì)中由于光阱尺寸和位置的偏差，也會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果的差別。
0/45和45/0測量結(jié)構(gòu)
0/45測量結(jié)構(gòu)中，光源以垂直方向?qū)Ρ粶y材料表面進(jìn)行照明，以和表面法線成45°方向進(jìn)行探測。45/0測量結(jié)構(gòu)中光源以表面法線成45°方向?qū)Ρ粶y材料表面進(jìn)行照明，以和
表面垂直方向進(jìn)行探測。由于被測樣品表面可能存在不同的紋理，所以在45/0幾何結(jié)構(gòu)的儀器設(shè)計(jì)中，通常采用環(huán)形照明，從各個(gè)方向以45°對材料進(jìn)行照明。如圖8所示，45/0幾何結(jié)構(gòu)在測量高光澤材料表面時(shí)，幾乎去除了所有的表面反射光，進(jìn)入觀察口徑的只是涂料層反射光；在測量粗糙表面時(shí)，進(jìn)入觀察口徑的有一部分表面漫反射光和涂料層反射光，但是通常表面漫反射光所占的比例小于D/0-SCE幾何條件。由于人眼在觀察樣品表面顏色時(shí)，習(xí)慣于避開光源的鏡面反射光，從其它角度進(jìn)行觀察。0/45和45/0幾何結(jié)構(gòu)更符合這種觀測條件，所以可以得到和目視檢測更加一致的判別結(jié)果。但是，0/45和45/0幾何并不適用于所有的顏色檢測，尤其不適用于計(jì)算機(jī)配色系統(tǒng)。在測量粗糙表面的顏色時(shí)，0/45和45/0幾何條件下的測量結(jié)果完整的體現(xiàn)出生產(chǎn)工藝和配方給材料帶來的整體效果。所以在實(shí)際應(yīng)用中，幾乎所有的計(jì)算機(jī)配色系統(tǒng)中，均選擇了D/0-SCI對目標(biāo)色和顏色配方進(jìn)行檢驗(yàn)。
D/8-SCI結(jié)構(gòu)用積分球收集了所有反射光線，因?yàn)楸砻娣瓷涔獾目偭渴遣蛔兊模鉂芍桓淖兞吮砻娣瓷涔獾目臻g分布，所以在這種測量結(jié)構(gòu)下測量結(jié)果并不受樣品表面光澤的影響。D/8-SCE通常使用光阱去除了進(jìn)入傳感器觀察角的鏡面反射光，這種結(jié)構(gòu)雖然也用積分球收集反射光，但是由于光阱的存在去除了一部分鏡面反射光。在這種測量結(jié)構(gòu)下測量結(jié)果會(huì)受到一定的樣品表面光澤的影響。45/0測量結(jié)構(gòu)儀器幾乎排除了所有的鏡面反射光，但是測量結(jié)果受到表面漫反射光的影響，尤其是在測量低光澤物體表面時(shí)，這種影響會(huì)非常顯著。表1列出了不同幾何結(jié)構(gòu)的顏色測量儀器進(jìn)入探測器的反射光比例。
值得注意的是，雖然各個(gè)不同的儀器生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的顏色測量儀器可能都選擇同一個(gè)測量幾何結(jié)構(gòu)。但是，即使在同一個(gè)測量幾何條件下，由于儀器的設(shè)計(jì)不同，其測試結(jié)果也會(huì)有很大差異。尤其是在測量樣品和測量條件不匹配的情況下，差異更加明顯。比如，用D/0-SCI或D/0-SCE結(jié)構(gòu)的儀器對高光澤樣品進(jìn)行測量時(shí)，光澤會(huì)導(dǎo)致不同廠家的儀器有顯著的區(qū)別。圖9所示為兩臺(tái)不同廠家生產(chǎn)的顏色測量儀器測量同一高光澤樣品結(jié)果比較。
特殊高光澤面的測量
正如前文所述，對于高光澤面的顏色測量，推薦采用45/0的幾何結(jié)構(gòu)。但是，不同廠商實(shí)現(xiàn)的45/0幾何結(jié)構(gòu)也有很大不同，對于一些特殊材料表面的測量結(jié)構(gòu)同樣會(huì)產(chǎn)生很大的差異。例如，對于鐳射工藝紙張的測量，鐳射膜材質(zhì)主要有BOPPPETPVC等；做成鐳射紙主要有三種途徑：直接把鐳射膜跟紙張復(fù)合，做成鐳射紙;通過轉(zhuǎn)移法將鐳射圖案轉(zhuǎn)移到紙上面；一種專用鐳射紙，可以直接把鐳射圖案壓印在紙上面，這種鐳射紙一般造價(jià)比較昂貴。鐳射膜在入射光方向固定的情況下，觀察者延不同的方向進(jìn)行觀察會(huì)觀察到不同的顏色。所以，為了使兩臺(tái)儀器對鐳射材料的測量結(jié)果相同，必須要保證兩臺(tái)儀器在測量時(shí)，入射到材料表面的光線空間分布完全一致。實(shí)際上，即使這兩臺(tái)儀器是同一家生產(chǎn)商生產(chǎn)的，也會(huì)由于光源燈絲的形狀區(qū)別，裝配精度區(qū)別，機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差等原因?qū)е氯肷渲敛牧媳砻娴墓饩€空間分布有一定區(qū)別，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。如果兩臺(tái)儀器的測試幾何結(jié)構(gòu)尺寸不同，則會(huì)導(dǎo)致更大的測量偏差。圖10顯示了用兩臺(tái)不同儀器生產(chǎn)商的測色儀器對相同的測試樣品檢測結(jié)果。所以，在對鐳射紙表面進(jìn)行檢測時(shí)，建議采用同一臺(tái)儀器進(jìn)行顏色差異的判斷，并不建議用不同生產(chǎn)商甚至同一生產(chǎn)商的儀器進(jìn)行量值傳遞。另外，由于鐳射紙從不同方向進(jìn)行觀察的顏色也有不同，建議采用漫射照明幾何結(jié)構(gòu)的儀器進(jìn)行檢測。
4 結(jié)語
每一種顏色測量儀器的測試幾何條件都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，顏色檢測目的的不同也會(huì)對測試幾何條件的選擇產(chǎn)生影響。對于不同光澤的物體表面進(jìn)行顏色測量時(shí)，應(yīng)根據(jù)表面的光澤程度、顏色測量的目的，表面的物理屬性結(jié)合不同幾何條件的特點(diǎn)應(yīng)用本文介紹的原理綜合分析確定選擇幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。
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