色差仪的常见类型及不同类型色差仪的原理

色差仪作为一种“标准眼”，它根据CIE推荐的测色原理，采用标准的照明条件和观察条件，排除了人为因素和外界因素的干扰，能做到“铁眼无私”，从而客观、准确地量化颜色及颜色差异值。本文对色差仪的常见类型及不同类型色差仪的原理做了介绍。

双光束和单光束色差仪：

双光束色差仪有两个光栅和两个检测器。测量时光源只闪一次，同样测样品和参比白。这样就克服了系统变化所带来的误差，测量数据的精度非常高。只是色差仪成本较高。

单光束色差仪只有一个光栅和一个检测器。所以测量时光源闪两次，分别测样品和参比白。而两次测量时的系统误差（光源光强分布差异，光路变化，温度变化，电路漂移等）被当做样品和参比白间的差异，所以误差比较大，仪器的台间差也比较大。

透射式色差仪和反射式色差仪：

色差仪从检测方式来分，可分为透射式和反射式两类。透射式只能用于液体颜色的测量，而反射式的应用范围就广一些。但主要还是用于固体方面，因为根据比尔-朗伯定律，使用透射法测量能够得到可靠的光谱响应曲线，从而能够更加可靠的表征液体的颜色。针对这种情况，我们有时也把这两类色差仪称为液体色差仪和固体色差仪。

液体色差仪的测色原理是：，由光源发出准直的光线垂直穿过比色皿和待测溶液到达颜色芯片，这样样品将自身波段的光谱吸收了，剩下的光谱经过特制的颜色传感器就可以得到需要的颜色信息。在光路上一定要保证光垂直的穿过比色皿和溶液，这样可以避免光的反射和散射从而尽可能的提高测量的精度和稳定性。

对比于液体色差仪的光路，固体色差仪要复杂一些。因为光线在反射时有很多干扰，并且反射光的强度比透射光要小的多。不过，两种仪器的操作过程都是一样的，都是系统单片机控制电路开关，让电源模块工作，由光电检测器模块中测得电压值，经A/D转换后将数字量送入单片机，计算得到三刺激值及色品坐标等参数，送入数据存储器并在液晶显示屏上显示。

钨灯、氙灯和LED灯色差仪：

钨灯是颜色测量仪器最常用的光源，它是一个内充惰性气体或者卤素（防止钨丝氧化和热蒸发）的白炽灯泡。用钨作灯丝材料是因为钨具有足够的强度，并能经受高温。经测试在可见光区钨灯的光谱曲线与黑体发射器光谱曲线几乎完全重叠。随着近年稳压电源和脉冲电源的发展，钨灯能够提供重复稳定的，高色温的光束，完全可以满足外观颜色测量对光源的需要。

氙灯是另一种常用于颜色测量仪器的光源。它是一个装有一对电极的充满氙气的密封玻璃管。当在电极上加上高电压时，内部氙气就会受到激发瞬间产生弧光，这属于一种充气放电灯。氙灯的优点在于谱线比白炽灯的谱线更接近于日光并且能量较高。但是氙灯光源需要比较复杂的高压震荡激发电路，维修亦非常复杂，在更换时，除了要更换灯泡外，还要更换整组电容，所以价格较贵。所以采用卤素钨灯（石英外壳）从技术和经济上均是最适宜的。特别是便携式仪器，需要轻巧，省电，便于维护和操作。

随着LED技术的发展，越来越多的仪器生产商采用LED作为便携式色差仪的测量光源。LED光源寿命长、响应快、功耗低，为了保证照明光源在可见光光谱范围内有充足的光谱分布，需要用多个LED光源组合成复合LED光源。复合LED光源在实际使用中，由于其结温变化，会使单个LED的发光强度和光谱分布发生改变。在进行仪器设计时，需要在仪器结构和算法设计上进行考虑以保证仪器重复性。

在分光颜色测量仪器的测量原理中，仪器首先测量出被测物体表面的光谱反射率，再通过光谱反射率计算出颜色数据。在仪器设计中，首先要保证照明光源在可见光范围内有充足的光谱分布，照射到被测样品表面后，反射光进入分光光路，之后以一定的光谱分辨率投射到阵列传感器上。

三刺激值色差仪和分光色差仪：

三刺激值型色差仪是利用反射或者透射方式获取可见光范围内被测物的所有波长信息，然后经过一次性积分得到被测物的三刺激值，再计算出相应的颜色参数。三刺激值型色差仪主要由光源、探测器以及数模转换软件组成，其中探测器一般是采用有色玻璃滤光片进行校正的硅光电二极管或光电倍增管。三刺激值型色差仪由于原理和结构的特点，尤其是有色玻璃滤光片的种类有限且加工工艺复杂，使得不同批次的滤光片往往存在一定的误差，故不能精确测量出被测物的三刺激值和相关的颜色参数，但对于两种待测物之间的颜色差异却可以准确测量。对于只需要控制物体颜色一致性，不需要进行配色的行业来说，三刺激值型色差仪具有测量速度快、价廉且精度适当的优点。

光型色差仪和三刺激值型色差仪不同，其并不是直接测量待测物的三刺激值，而是通过测量待测物的反射或者透射光谱，然后根据国际照明委员会推荐的某种颜色计算标准，进行计算得到待测颜色的三刺激值和其他颜色参数。在分光型色差仪中，最早常用的光源有钨丝灯和弧灯，随着工业的进步，目前通常使用在可见光波段范围内相对稳定的卤钨灯和氙灯，同时采用阵列探测器作为传感器，光栅作为色散器件，导致此类型的测色仪的结构复杂，体积较大，价格较高，难以实现普及。目前，该类仪器主要还是由国外仪器厂商和科研机构进行开发研制，而国内仪器厂商亦有所建树，深圳市三恩时的分光型色差仪产品均己达到较高水平。分光型色差仪通过获取待测物的可见光光谱，进而计算出所需的各颜色参数，所以精度较三刺激值型色差仪要高很多，它适用于具有配色或较高颜色精度的场合。

45/0°环形照明式色差仪和D/8°积分球色差仪：

对应CIE标准的测色几何条件，色差仪主要有两种光路结构：D/8°结构和45/0°结构，也就是我们所说的D/8°积分球色差仪和45/0°环形照明式色差仪。

理想漫反射物体对于任意一束光都将以漫反射形式即各方向等效地反射出去，为此入射光和观察者的角度并不重要，不会影响到观察结果，但真实物体表面并非理想漫反射表面，多少都会由于镜面反射成分和表面纹理而造成由于入射光和观察者的几何位置不同而表现出来的微小颜色差异。而环形照明则可以消除这种影响，其是以45°环形照明，0°（法线方向）观测的，可以缩写为：45/0：c。由于光路可逆，它与0°照明45°方向环形接收是等效的，该测色几何条件对应的色差仪有三恩时公司的NR145+等。这种结构的仪器是完全不包括镜面反射光的，测得的数据与人眼观察一致，另外这种仪器只能测量不透明样品的颜色。

积分球是一个中空的金属球，其内表面涂有中等灰色的高反射漫射物质，如硫酸钡或聚四氟乙烯。进入这个球体的光线经过多次反射后都只能从测量孔或光源孔射出积分球。一束光从任意的不通过球心的角度照进积分球，经过球壁的多次反射后会从各个角度照射到样板，最终通过测量孔或光源射出积分球。测量孔是在与法线夹角成8°的位置，由一组光电管构成的探测器。例如三恩时公司的TS7020、TS7030、TS7036等色差仪就是这种结构的色差仪。

CIE没有明确规定积分球的开孔尺寸，只要求所有开孔面积不超过内表面积的10%，因此不同厂家的产品的开孔位置、尺寸及光源入射角度会有区别。与观测孔关于法线对称的地方有一个光阱，关闭光阱时镜面反射成分包含在内，简写作d/8：i（d表示漫反射照明，8是8度角接收，i指包括镜面反射），也可简写作SPIN。当光阱打开时去除了镜面反射，此条件简写作d/8：e，e指去除镜面反射。这种仪器不仅能测量不透明样品的颜色，还可以测量透明样品的颜色。