颜色测量的原理是什么?颜色测量的标准化条件有哪些?

  DOHO标准光源箱     |      2023-05-03

颜色怎么测量?颜色是光源照射到物体上,物体对光谱有选择的反射或吸收,引起人眼视觉感受器的响应,从而产生颜色的感觉。颜色测量包括光源色的测量和物体颜色的测量,其测量的根本任务就是测量待测物体的颜色刺激值。本文对颜色测量的原理、标准化条件、测量方法和测量仪器做了简要的介绍,对颜色测量知识感兴趣的朋友不妨了解一下!

颜色测量仪器

颜色测量的原理:

颜色是光的属性,是外界光投射到物体上,经过颜色物质对光有选择的吸收后,其反射(或透射)光对人眼的辐射作用结果。人眼只能看到 380~780nm的光,即可见光。人眼对不同波长光的感受性是不一样的。虽然不同的人对同一外界光刺激的主观感受不尽一致,但人的生理视觉对可见光的感受却呈现着共性的规律。人们根据这共性规律,制定了一个“标准人眼”。它是我们在颜色测量和评价中所遵循的生理学依据。

现代颜色测量采用 CIE(国际照明委员会)所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法、称为CIE标准色度学系统。这一系统以两组基本视觉实验数据为基础。一组数据叫做"CIE1931标准色度观察者”,或叫做“CIE1931-XYZ 系统”;另一 组叫做"CIE1964补充标准色度观察者”,或叫做“CIE1964-X10Y10Z10系统”,前者适于2°视场的测量,后者适于10°视场的测量,每组数据即相当于“标准人眼”,是由三条曲线组成,根据这三条曲线,我们便可以通过各种手段、测得颜色的三刺激值XYZ(X10Y10Z10)。具体公式为:

颜色三刺激值计算公式

式中x(λ)、y(λ)、z(λ)即为“标准人眼”的三条曲线,称之为CIE光谱三刺激值:φ(λ)为颜色刺激函数,对于自发光体(如光源),φ(λ)=S(λ),S(λ)为待测发光体的相对光谱功率分布:对于透射物体,p(λ)=τ(λ)S(λ),τ(λ)为待测物体的光谱透过率;对于反射物体,φ(λ)=B(λ),B(λ)为待测物体的光谱反射率因数。式中 K 为常数。

常数K值

Se(λ)是所采用的标准照明体的相对光谱功率分布,XYZ(X10Y10Z10)是表征颜色的最基本参数。它们是假定的理想三原色。测色仪器的目的就是要测出被测对象的XYZ(X10Y10Z10)值,色度学中其它各种表色数据都是由这三个参数换算而来的。


颜色测量的标准化条件:

1.颜色测量标准照明体

在颜色测量中,光源是至关重要的,不同的光源照射会得到不同的测量结果。为了实现颜色测量标准化,CIE推荐了四种标准照明体(A、B、C、D)和标准光源(A、B、C),这样,人们就可以在共同约定的具有代表性的光源下标定物体的颜色。

为了实际使用方便,CIE在标准照明体D中推荐了三种具有特定相对光谱功率分布的照明体D55、D65、D75作为在光度、色度和颜色测量中的标准日光,其中相关色温为6504K的标准照明体D65使用最为普遍。

2.颜色测量照明观测条件

在测量颜色时,待测物体表面的状态、光源入射角以及人眼的观察角度等的不一致都会影响测量结果。为了统一测量结果,CIE规定了反射物体(不透明物体)测量的四种标准照明和观测条件:0/45(垂直照射/45°接收)、45/0(45°照射/垂直接收)、0/d(垂直照射/漫反射接收)和d/0(漫射照射/垂直接收)。

测量待测物体颜色时必须满足这四种条件中的一种。不过此标准照明观测条件并不适用于透射物体颜色的测量。对于透射物体,测量时直接对待测物体表面垂直方向照明,透射方向探测即可。

3.颜色测量标准色度观察者

测量待测物体的颜色三刺激值时,要根据视场要求选用标准观察者,小于4°的视场选用CIE1931标准色度观察者,大于4°的视场要选用CIE1964补充标准色度观察者。这一点很重要,否则可能会造成不必要的混乱。


颜色测量的方法:

颜色测量可以用3种不同的方法:目视法、光电积分法(三刺激值法)和分光光度法。

1.目视法

目视法是一种传统的颜色测量方法,它是一种完全主观的评价方法,同时也是最简单的一种方法。它将被测样品与标准色样直接进行人为比对,评价印刷品与标准样张的颜色差异。其实是一种目视光度测定法,是简单的定性测量,但是由于观测人员的经验和心理、生理因素的影响,使得该方法的不确定因素太多,并且无法进行定量描述,从而影响到评估的准确性和可靠性。其最大缺点是不能测出颜色的组成部分。

2.光电积分法

随着科技的发展,密度测量已不能满足印刷或其他行业的需要,人们越来越意识到色度的重要性,并且现代色度学的迅速发展也为光电积分仪器客观评价颜色奠定了基础。

根据国际照明委员会(CIE)色度学理论,任何一种颜色都可以用一组三刺激值X、Y、Z表示。光电积分法是20世纪60年代仪器測色中采用的常见方法,它不是测量某一波长的色刺激值,而是在整个测量波长区间内,通过积分测量测得样品的三刺激值X、Y、Z,再由此计算出样品的色品坐标等参数。通常用滤光片覆盖在探测器上,把探测器的相对光谱灵敏度S(λ)修正成CIE推荐的光谱三刺激值X(λ)、Y(λ)、Z(λ)。用这样的3个光探测器接收光刺激时,就能用一次积分测量出样品的三刺激值X、Y、Z。滤光片需满足卢瑟条件,以精确匹配光探测器。

此类型仪器的测色准确度与仪器符合卢瑟条件的程度有直接关系,仪器不可能完全符合卢瑟条件,因此光电积分式仪器不能精确测量出色源的三刺激值和色品坐标,但能准确测出两个色源的色差,因而又被称为色差计。

3.分光光度法

分光光度法又叫测色光谱光度计,它是通过比较样品反射(透射)的光能量与同样条件下标准反射(透射)的光能量,得到样品在每个波长下的光谱反射率,然后利用CIE提供的标准观察者和标准光源按公式计算,从而得到三刺激值X、Y、Z,再由 X、Y、Z按 CIEYxy、CIELab等公式计算色品坐标x、y,以及CIELab色度参数等。

它通过探测样品的光谱成分确定其颜色参数,不仅可以给出X、Y、Z的绝对值和色差值△E,还可以给出物体的分光反射率值,并可以画出物体色的分光反射率曲线。它可以测出颜色的组成部分和确定颜色在色表中的位置。因此,被广泛用于颜色的配色及色彩分析中,采用此类仪器可实现高准确度的颜色测量,故分光式仪器是颜色测量中的权威仪器。


颜色测量的仪器:

根据获得三刺激值的方式不同,测色仪器主要可分为两大类:分光式测色仪器和光电积分式测色仪器。

1.分光式测色仪器

分光光度计是颜色测量中最基本的仪器,这类仪器不是直接测量颜色的三刺激值本身,其测量颜色的过程主要包括物体反射或透射光度特性,也就是测得物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比,由此根据CIE标准色度观察者光谱是三刺激函数计算出样品的三刺激值X、Y、Z等色度的参数。

常规的测色分光光度计局限在可见光范围内。CIE推荐精度计算,波长间隔为1nm,在大多,数使用中可取5nm,光谱范围取360nm~830nm,在大多数使用中可取380nm~780nm的波段内测得各波长的光谱反射(或透射)率。由于这类仪器测得的是最基本的颜色光学数据,它可以用计算的方法灵活地得出物体颜色在各种条件的三刺激值 XYZ。根据光谱信号采集的方式,分光式仪器可分为单通道扫描式和多通道采集式。

2.光电积分式仪器

光电积分式仪器是模拟人眼的三刺激值特性,用光电积分效应,直接测得颜色的三刺激值。

光电积分式颜色测量是在整个测量波长范围内对被测颜色的光谱能量进行一次性积分测量。如果通过三路积分测量分别测得样品颜色的三刺激值X、Y、Z,那么就能进一步计算出样品颜色的色品坐标及其他相关色度参数。

这类仪器使用颜色滤光片,对所用的光电探测器的光谱响应进行滤色修正,使它与 CIE 标准观察者相一致。同时对照明光源也加以滤色修正,使之符合标准照明体的相对光谱功率分布(实际中均把这两种滤色修正混成一组来设计),由于在测量原理和具体元器件精度方面的不足,往往在某些波长上会出现光谱匹配误差,同时在测量探测器的相对光谱灵敏度时也存在一定的测量误差,其精度比不上分光式仪器,所以光电积分式仪器对颜色的绝对测量精度不高,但对颜色的相对测量,尤其对中色差测量还是比较常见的。