目视比色仪器与光谱测色仪器的现状与局限性探讨

2023-03-10

目前市场已有的测色仪器按照工作原理可分为基于光谱的测色仪器和基于目视比较的测色仪器,前者需要采集物体的连续光谱特性而机构复杂,后者因依赖于操作者的主观判断而精度不高。本文对目视比色仪器与光谱测色仪器的现状与局限性做了简要的分析,对色度仪器知识感兴趣的朋友可以了解一下!

光谱测色仪器

目视比色仪器的现状与局限性:

目视比色仪器在应用与测量精度上都受到以下几个条件的限制。

1.限定的照明条件

该照明条件能够在相当的时间内保持稳定,这也就是说要使用光暗室,且光暗室的光谱功率分布应该与样品所需的照明条件一致。当样品需要人工照明时,这个要求既合理又可实现,但当样品需要自然光照明时,这个需要就成问题了,因为所有用于目测评估的光源与自然白昼光在光谱功率分布和照度上都极不相同。CIE公布了一种用同色异谱样品评估白昼光发生器质量的方法(CIE 51),这种方法可以用来对各种不同的光暗室定级。CIE显色指数也可用来评估差别极大的人造光源(CIE 13.3),但却还没有相应可用于光室的 CIE 自然光标准光源,CIE 标准白昼光照明体(如D50,D65,D75)也仅仅是色度学中假想的标准照明体。除此之外,周围场、背景、样品外形等也受到严格限定。

2.具有一维标尺的均色系统

用来作为对比测色的参照样品应当具有单色彩变化均匀的特点,这就好比用来测量距离的尺应当是刻度均匀的一样。但CIE 三刺激值系统和色品坐标系统本身不是均色系统,虽然已有颜色科学家和工程师已开发出新的颜色空间,提供均匀的视觉间距并与颜色感知相对应,但仍然存在各种问题且未被采纳为标准。实验中通过大量样本建立起来的一维颜色标尺样品本身的颜色就可能和标准的颜色不同,试验样品不像任何一种标准,也不介于两个标准之间,因此样品与标准色之间形成了同色异谱对。在这种情形下,对样品在标尺上的位置做出一个可靠的判断是非常困难或不可能的,实际中标尺上可能根本没有这个位置。此时试图利用单一数字标尺描述颜色可能产生错误或误导。一个普通的例子就是使用一套纯黄色的样品,对偏红或者偏蓝的样品的黄度估计就极可能不准确,这也直接导致基于此原理的仪器只能针对特定颜色色调的物品。

3.稳定的观察测量操作者

这样的操作者应当是对颜色有相当鉴别能力的,能够指出微小颜色差别的大致趋势,是样品一比样品二黄还是样品二比样品一红,只能够回答两个颜色有没有差别是不够的。虽然一般人具有这个辨别本能,但在相近色的判断上还需要特定的训练。即使如此,人的主观差异所导致的测色误差也是不能忽视的。

据此可以知道目视测色这一类仪器的局限性:照明条件要求严格,系统误差不可回避,一种仪器只能测量特定一类的颜色,需要对样品预分类而不能自动化检测,易受主观因素影响等缺点。


光谱测色仪器的现状与局限性:

目前市场上已有的测色仪器中,基于光谱的测色仪器占据主要位置,这类仪器通过测定物体在可见光范围内(380nm-780nm)的反射或透射谱线、光源的功率谱线,通过CIE标准的三刺激值计算公式计算出三刺激值和色品坐标。所有测色光谱光度计的主要组成部分是光学辐射源、一个限定几何条件的光学系统、一些分光的组件及探测器将光信号转换成编译处理的电信号。此类测色仪器由于采用CIE标准化的测色计算方法因此在测量精度及测量结果的表达方式的上都有显著优势,但在以下几个方面都存在缺陷:

1.在光源上采用恒定光源

大多数采用波长范围在380nm到780nm的恒定光源,使用玻璃滤光器调节光谱特性,使之有与D65光源接近的光谱性能,测量的结果仍需复杂的数学运算以处理这些匹配的光源与D65光源的差别。

2.需要有机械装置的分光系统

仪器通常需要采用棱镜和机械调节的挡板来分离复合色光,或者采用机械转动的干涉转盘来分离色光。随着新型检测器件的出现,也可用COMS或CCD来直接检测棱镜色散后色光面。不管是那种检测方法,运动的机械装置和对精密度要求极高的光学装置(棱镜、积分球)却增加仪器的复杂程度和不稳定性。

3.测量数据过多

由于需要测量经物体反射或者透射后的连续光谱,因此可能需要几百个数据点(以5nm或1nm为间隔),测量结果需复杂的数学运算,才能得到颜色参数,因此这类仪器常带有高速的MCU或直接使用PC系统,这无疑要增加成本或测色仪器体积。

从这些可以看出,虽然光谱测色仪器有着精度高的特点,但仍然具有结构复杂、成本高、系统稳定性受到限制等缺点,因此这种仪器只能停留在大型分析测试实验,应用范围难以扩展。

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