色差仪工作原理是怎样的?色差仪组成结构有什么要求?

色差仪作为典型的光电积分式物体颜色测量的仪器,其在测量颜色时,通过模拟眼睛观看颜色的过程,然后经过系统处理与分析,最终给出数字形式的颜色数值。许多的用户对色差仪的工作原理及其组成结构的要求不是和了解,本文为家做了简要的介绍。

色差仪

色差仪工作原理是怎样的?

色差仪整个系统的工作原理就是在模拟眼睛观看颜色的过程,然后经过处理与分析,最终给出数字形式的数值。

人体眼睛通过视网膜结构来分辨物体细节,这一功能与视网膜上感光单元的分布有关。所以人们在不同位置看同一个物体时,差别可能会很大。色差仪的观察角度和测量角度是固定的,目的就是为了消除位置差异引起的色差偏差。

网膜中央靠近光轴的区域(称为黄斑,直径约为1.5 mm)分辨能力最高。该区域能分辨的最近两点对眼睛的张角,称为最小分辨角。人眼水平方向的视场角约为160°,垂直方向约为130°,但实际上只有中央视角中6°~7°小范围内才能较清楚地看到物体的细节。色差仪也是根据人眼的这个特点设计的,最大的观察视角只有10°,最小2°。

眼睛的分辨能力与照明环境有很大的关系,在夜间照明条件比较差的时候,眼睛的分辨率能力大大下降。色差仪根据这种情况内置标准照明光源,为测量提供稳定的光源,使其不受照明环境的影响。

正常人眼一次可以分辨多种颜色。单波长的色光非常鲜艳,人们称为纯色。然而,实际看到的色光大多数是由许多中波长的光组成的,比如日光,是由从红到蓝的连续光谱组成的。人眼对颜色的感觉是光辐射到视网膜上的锥体细胞作用的结果。由于锥体细胞分布不同,因此不同区域对颜色的感受能力也不同。视网膜中央能分辨各种颜色,由中央向外围部分过渡,对颜色的分辨能力逐渐减弱,最后对颜色的感觉消失。

人眼对颜色变化的辨识能力根据光谱中的不同位置而不同,能辨识颜色的最小变化就是颜色辨识的灵敏阀。最灵敏处为480nm(青)及600nm(橙黄)附近,最不灵敏处为540nm(绿)及光谱两端。灵敏处只要波长改变1nm,人眼就能感受到颜色的变化,而非灵敏处要改变 1~2nm才行。

理想的、完全反射的物体的反射率为100%,我们称它为纯白;理想的、完全吸收的物体的反射率为零,我们称它为纯黑。色差仪在研发过程中使用理想完全发射和理想完全吸收原理,并根据实际情况进行调整。白色、黑色和灰色物体对光谱各个波长的反射和吸收是没有选择性的,我们称它们为中性色。对光来说,非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化,即当白光的亮度非常高时,人眼就感觉到是白色的;当光的亮度较低时,就感觉到发暗或发灰,无光时就是黑色的。

分析眼睛观看颜色的过程其实就是在分析色差仪的工作原理,但是色差仪能排除光环境和人情绪变化的影响,因此是可靠的颜色检测精密仪器。


色差仪组成结构有什么要求?

色差计是典型的光电积分式物体颜色测量仪器,它广泛应用于工业领域颜色产品的品质管理中。色差计利用仪器内部的标准光源照明被测物体,经过透射或反射测出物体的三刺激值和色品坐标;在需要测量两种接近的颜色时,可以根据不同的色差公式计算出两种颜色的色差。该类仪器一般都配置专用微机系统,可以对被测颜色样品进行信号采集、数据处理以及测试结果显示打印等输出操作。

在系统结构上,色差计通常由照明光源、光电探测器、信号放大、数字显示和打印、数据处理单元等几大部分组成。其中光电探测器常用硅光电器件,并且分别带有三个修正滤光片组,使其光谱响应与光谱三刺激值曲线x(λ)、y(λ)、z(λ)相匹配。

色差计结构示意图

上图所示为一种能测量反射或透射颜色样品的色差计的俯视图和侧视图,其照明与观察条件是0/d。光源的光束经过会聚透镜(或透射样品),以及 45°反射镜投射到反射样品上,积分球收集样品表面反射(或透过透射样品)的辐射通量。积分球的内壁涂有中性白色漫反射材料,如氧化镁(Mg0)或硫酸钡(BaSO4)。光电探测器X、Y、Z分别安装在球壁的三个测量孔上,它们可以同时接收样品的反射或透射辐射通量测量透射样品时,在样品测量孔上放置氧化镁或硫酸钡中性白板。这类仪器可用于测量在某种CIE标准光源(如D65、C等)照明下,反射或透射颜色样品的三刺激值和色品坐标;如果需要测量荧光物体的荧光相关特性,则应该采用具有紫外辐射的 CIE 标准照明体D65作为照明光源(一般为模拟 D65照明),这样才能真实反映荧光物体的颜色特性。

同样,色差计的精度与其光谱特性符合卢瑟条件的程度有关。一般,在色差计探测器的光谱修正中,要使仪器完全符合卢瑟条件是不可能的,只能是近似匹配。为了减少光探测器光谱修正不完善所带来的误差,应该根据待测样品的颜色,选用不同的标准色板或标准滤色片来校正测色仪器。将选定的标准色板或标准滤色片放入仪器,并调节仪器的输出结果,使测得的三刺激值与标准色板或标准滤色片的定标值一致,然后仪器才能用于实际测试。通常,色差计配有4~10块不同颜色的标准色板或标准滤色片,其三刺激值由高精度分光光度计预先标定。如果被测的反射或透射色样与校正用标准色板或标准滤色片的颜色相近,则可以认为两者具有近似的光谱反射或透射特性,这时色差计测得的色度参数就有较高的可靠性。

此外,色差计的测量精度还与仪器的光源、光探测器的稳定性等密切相关。在整个测量过程中,如果光源色温变化,其相对光谱功率分布就会改变,导致其与卢瑟条件的匹配精度降低,故其测色精度也随之下降。光探测器的光谱灵敏度发生变化也会造成同样的后果。如果仪器的光探测器采用硅光电器件,那么该影响就可以大大降低。因此,为了保证测色仪器的长期测量精度,需要定期进行相关检查,必要时应该更换光源等器件。在仪器标定之后的测量过程中,为了消除或减弱光源可能发生的变化对测色精度的影响,可以通过双光路光学系统结构的设计来加以改进,其中参考通道用于监视照明光源的发光特性,并实时地修正光源波动对测量通道中颜色信号的影响。



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