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  • 測色儀器在不同樣品光澤條件下的應用

  • 信息來源：彩譜品牌廠家   瀏覽次數(shù)：0    發(fā)表時間：2019-12-24
  • 摘要： 人眼和顏色測量儀器對物體表面進行顏色判別時都會受到物體表面光澤的影響。由于人眼觀察顏色時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，導致對物體表面顏色進行測量時測色儀器和人眼很多情況下會得出不同的判別結(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)應用范圍進行了分析，對于具體應用提出了建議。
    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：O438.2    文獻標識碼： 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烈的色彩感，所以在這些行業(yè)中普遍應用高光澤表面。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行測量?，F(xiàn)在通用的顏色測量儀器，多采用CIE(國際照明委員會)推薦的測量幾何條件進行設計。由于人眼觀察顏色時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，導致對物體表面顏色進行測量時測色儀器和人眼很多情況下會得出不同的判別結(jié)果。
            CIE推薦的幾何條件中，每一種都有其特殊的特點和應用環(huán)境，在對顏色進行測量時需要根據(jù)實際情況進行選擇。文章通從理論上分析了物體表面的顯色機理，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)應用范圍進行了分析，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，導致入射光的傳播方向發(fā)生改變。圖1中光線方向和強度大小可以根據(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，當材料表面不光滑時，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)生的反射實際上應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。在汽車表面噴涂的應用中比較典型，一般汽車表面都應用了高光澤的涂層處理，對于汽車表面進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行觀察時，感受到的是鏡面反射光，會覺得表面有很強的光澤感；如果更改觀察角度，不正對光源的鏡面反射方向從A方向進行觀察時，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行觀察時，會覺得車身漆面顏色不是很鮮艷，飽和度降低，這種情況就是因為進入人眼的光線混進了反射光線，“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。當一束光強為I的平行光入射至樣品表面時，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公式進行計算，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。實際上，表面越光滑，代表材料表面的微結(jié)構(gòu)越細致、越平整。當光線以一定角度入射至材料表面時，表面越光滑，則有更多的光線遵循鏡面反射定律，在相應的方向進行觀察，就會覺得反射光線越強。實際上，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）
    為反射光強度，為漫射光強度。
    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，也包括一部分攜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，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。為由于表面光澤導致接收到的表面反射光信號，只與光源光譜相關(guān)。在觀察顏色和用儀器測量顏色時，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，當進入傳感器觀察角度的光中表面反射光比例越大時，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。在通常的儀器設計中，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置了透鏡等光學器件，會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°位置的光強是非常接近的，不會對測量結(jié)果產(chǎn)生太大的影響。在D/0-SCI結(jié)構(gòu)中，進入觀察角度的光強，包括一部分在材料表面發(fā)生的鏡面反射光。當被測材料是高光澤鏡面時，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，鏡面反射光會進入測量孔徑。

            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，從各個方向入射。當材料表面是高光澤面時，如圖6（a）所示，一部分鏡面反射光會直接入射至觀察孔徑；當材料表面是粗糙面時，如圖6（b）所示，進入觀察孔徑的全部是漫反射光。但是，無論是那種情況，因為在材料表面發(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。當光線入射至光阱位置時，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的具體情況。由于光阱的作用，鏡面反射光不能進入觀察孔徑。在這種情況下，進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產(chǎn)生差別。由于在測量粗糙表面時，混入了材料表面反射光，所以會“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結(jié)果保持一致，但是并不是在所有測量中都能達到這個目的。另外，由于CIE沒有對光阱尺寸做出明確的規(guī)定，不同儀器設計中由于光阱尺寸和位置的偏差，也會導致測量結(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材料表面進行照明，以和表面法線成45°方向進行探測。45/0測量結(jié)構(gòu)中光源以表面法線成45°方向?qū)Ρ粶y材料表面進行照明，以和
    表面垂直方向進行探測。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)的儀器設計中，通常采用環(huán)形照明，從各個方向以45°對材料進行照明。如圖8所示，45/0幾何結(jié)構(gòu)在測量高光澤材料表面時，幾乎去除了所有的表面反射光，進入觀察口徑的只是涂料層反射光；在測量粗糙表面時，進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，習慣于避開光源的鏡面反射光，從其它角度進行觀察。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，尤其不適用于計算機配色系統(tǒng)。在測量粗糙表面的顏色時，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。所以在實際應用中，幾乎所有的計算機配色系統(tǒng)中，均選擇了D/0-SCI對目標色和顏色配方進行檢驗。

            D/8-SCI結(jié)構(gòu)用積分球收集了所有反射光線，因為表面反射光的總量是不變的，光澤只改變了表面反射光的空間分布，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，這種影響會非常顯著。表1列出了不同幾何結(jié)構(gòu)的顏色測量儀器進入探測器的反射光比例。
            值得注意的是，雖然各個不同的儀器生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的顏色測量儀器可能都選擇同一個測量幾何結(jié)構(gòu)。但是，即使在同一個測量幾何條件下，由于儀器的設計不同，其測試結(jié)果也會有很大差異。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行測量時，光澤會導致不同廠家的儀器有顯著的區(qū)別。圖9所示為兩臺不同廠家生產(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行觀察會觀察到不同的顏色。所以，為了使兩臺儀器對鐳射材料的測量結(jié)果相同，必須要保證兩臺儀器在測量時，入射到材料表面的光線空間分布完全一致。實際上，即使這兩臺儀器是同一家生產(chǎn)商生產(chǎn)的，也會由于光源燈絲的形狀區(qū)別，裝配精度區(qū)別，機械結(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，導致測量結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。如果兩臺儀器的測試幾何結(jié)構(gòu)尺寸不同，則會導致更大的測量偏差。圖10顯示了用兩臺不同儀器生產(chǎn)商的測色儀器對相同的測試樣品檢測結(jié)果。所以，在對鐳射紙表面進行檢測時，建議采用同一臺儀器進行顏色差異的判斷，并不建議用不同生產(chǎn)商甚至同一生產(chǎn)商的儀器進行量值傳遞。另外，由于鐳射紙從不同方向進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)點和局限性，顏色檢測目的的不同也會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行顏色測量時，應根據(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應用本文介紹的原理綜合分析確定選擇幾何結(jié)構(gòu)進行測量。

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