顏色光譜測量解決方案

顏色是大腦對于射入人眼的光的主觀感受。一般人眼可感知的波段為380~780nm。顏色可以簡略分為反射顏色，透射顏色，光源色和結(jié)構(gòu)色，前三種最為常見。待測物的反射/透射顏色取決于待測物的光譜反射率/透射率，參考光源和觀察條件。光源色取決于光源光譜。結(jié)構(gòu)色與物體表面特殊的衍射結(jié)構(gòu)有關(guān)。

傳統(tǒng)的測色方法直接用人眼觀察，方法簡單靈活，但是結(jié)果依賴于觀測人員的經(jīng)驗和心理、生理等主觀因素的影響，也依賴于觀察條件，結(jié)果使得測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和公正性經(jīng)常受到質(zhì)疑，目前已經(jīng)被光譜測色技術(shù)取代。

一、測量原理

 反射-物體色光譜測量

?然界中的所有顏色分??和彩?兩個系列，?灰?以外的所有顏色均為彩色系列，如紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等，其波長范圍在380-780μm。彩色有三個特性，即明度（也稱亮度純度）、色調(diào)（也稱主波長或補?主波長），色純度（也稱飽和度）。物體的顏色可以由CIE1976（L*a*b*）顏色空間來表述。L*代表顏色的亮度，正a*值代表紅色，負a*值代表綠色，與此相似，正b*值代表黃色，負b*值代表藍色。L*a*b*值可由樣品（物體）的CIE三刺激值X，Y，Z和標(biāo)準(zhǔn)光源的三刺激值Xn，Yn，Zn推導(dǎo)得到，物體顏色的CIE三刺激值X，Y，Z是把標(biāo)準(zhǔn)光源的相對功率P、物體的反射率R（或透射率T）和CIE標(biāo)準(zhǔn)觀測函數(shù)X(λ)， Y(λ)， Z(λ)（2度或10度角）相乘得到。把所得到的值在可見光范圍內(nèi)對波長進行積分就可得到三刺激值。標(biāo)準(zhǔn)光源的三刺激值Xn，Yn，Zn為常量，僅取決于所選擇的標(biāo)準(zhǔn)光源的類型。專業(yè)的顏色測量軟件，測量得到的L*a*b*值和參考色，就可以得到色差

光譜測色是利用光譜儀獲取光源發(fā)射或物體透反射的可見光波段的光譜進行分析。根據(jù)色度學(xué)理論，任何顏色可用三個對人眼的顏色三刺激值來表示，因此獲得顏色三刺激值正是測色儀器的測量目的。顏色三刺激值可以通過顏色刺激函數(shù)分別乘以CIE光譜三刺激值，并在整個可見光譜范圍內(nèi)分別對這些乘積進行積分。計算公式如下：

其中，φ(λ) 為色刺激函數(shù)，由光源輻射特性或物體的透反射特性決定；X(λ)， Y(λ)， Z(λ)為標(biāo)準(zhǔn)觀察者的光譜三刺激值；k為歸一化系數(shù)。X，Y 和Z則是顏色三刺激值，它們雖然從數(shù)量上對顏色進行了定量的描述。

 輻射-光源色光譜測量

輻射光能量可以量化為輻射通量，即一種表征從光源發(fā)出的每秒輻射能量（W）的度量標(biāo)準(zhǔn)。輻射測量一般要通過已知光譜能量分布的標(biāo)準(zhǔn)光源，對光譜儀系統(tǒng)進行絕對輻射標(biāo)定，才能通過量化參數(shù)進行輻射測量。輻射能量與人眼視覺相關(guān)聯(lián)（光度學(xué)），就可以得到按照CIE中所定義的表征觀測者平均視覺的光譜發(fā)光效率函數(shù)。因此輻射測量定義輻射度學(xué)參數(shù)、光度學(xué)參數(shù)、色度學(xué)參數(shù)。輻射度學(xué)參數(shù)主要以輻照度μW/cm²、輻亮度μWatt/sr、輻射通量μWatt以及光子數(shù)μMol/s/m²，μMol/m²，μMol/s和μMol，光度學(xué)參數(shù)流明Lumens、光照度Lux、光強度Candela，色度學(xué)參數(shù)X，Y，Z，x，y，z，u，v，色溫、CRI顯色指數(shù)等。 

輻射顏色測量是光譜儀的一個重要應(yīng)用，利用輻射顏色測量可對LED進行分選（分選的標(biāo)準(zhǔn)：功能好差、顏色亮度標(biāo)準(zhǔn)等等），來保證產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性。還可以使用輻射對屏幕的顯色進行校準(zhǔn)，判定其是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍。輻射顏色測量在園藝方面也具有很大用處，因為LED是植物研究和溫室光源的主要部分；另外在生物醫(yī)藥應(yīng)用方面，比如與NASA合作的項目，使用LED激發(fā)細胞生長。

二、照明和觀察條件

n 漫反射、鏡面反射和逆反射

漫反射：指當(dāng)入射光投射到物體表面后，光線向各個方向以等能量反射。

鏡面反射：又叫規(guī)則反射、定向反射。指如果反射光線在某一方向強烈，常常出現(xiàn)刺眼現(xiàn)象。

逆反射：又叫回射。指與入射光線入射線路正好相反的反射光線。

表面結(jié)構(gòu)對色度測量的影響：理想毛面、光澤表面、金屬表面等。

n 定向投射和漫透射

定向透射：指當(dāng)入射光投射到透明物體表面后，光線穿過物體繼續(xù)沿原來方向出射。

漫透射：指從透射物體出射的透射光線在各個方向強度相等。

不同透射性質(zhì)的材料：濾色片、照相透明片基、玻璃、毛面薄膜、磨砂玻璃

                                       定向透射                                                             漫透射

n CIE標(biāo)準(zhǔn)顏色測量幾何

1、測量幾何（雙向幾何避開了鏡面反射，使測量與視覺觀察一致）

45°/0°：即以45°照射物體表面，在0°（垂直）方向觀測和采集光線。

0°/45°：即以0°（垂直）照射物體表面，在45°方向觀測和采集光線。

0°/0°：垂直照明，透射方向測量，包含了漫透射和規(guī)則透射。

d/0°：即以漫射光照射物體表面，在0°（垂直）方向觀測和采集光線。

0°/d：即以0°（垂直）照射物體表面，在漫射光觀測和采集光線。

                  垂直照明                      漫反射白板規(guī)則透射                     黑色陷阱漫透射                     漫反射白板總透射

2、積分球

漫射照明與測量中用到的積分球是一個直徑為十幾厘米的空心金屬球，內(nèi)表面涂有高度漫反射物質(zhì)，如硫酸鋇、聚四氟乙烯。開孔的總面積小于球內(nèi)表面的10%?？梢詼y得樣品的全部反射，包括漫反射和鏡面反射（部分）。

三、顏色測量方法

顏色測量包括光源色測量與物體色測量兩大類。物體色測量又分為熒光物體測量和非熒光物體測量。在實際生產(chǎn)和日常生活中，涉及到大量的非熒光物體測色顏色測量的方法分為目視測色和儀器測色兩大類。其中，儀器測色又包括密度法、光電積分法和分光光度法。光源色測量同樣的可以劃分為目視測色和儀器測色兩大類，其中的儀器測色主要有分光測色法和光電積分測色法兩類。

CIE1976（L*a*b*）顏色空間

 CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的建立，為客觀地測量物體以及光源的顏色奠定了基礎(chǔ)。無論物體色還是光源色，都可以通過測量它們在CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)下的三刺激值來確定顏色顏色。

測量的根本任務(wù)是測定色刺激函數(shù)φ(λ)，對于光源的測量，實際上是要測定光源的相對光譜功率分布P(λ)；對于物體色的測量，則是測定物體的光譜光度特性，如反射物體的光譜輻亮度因數(shù)β(λ)和光譜反射比P(λ)、透射物體的光譜透射比τ(λ)等。在測得了色刺激函數(shù)φ(λ)之后，就可以根據(jù)色度學(xué)的三個基本方程求出被測顏色的CIE三刺激值X、Y、Z，將所選擇的標(biāo)準(zhǔn)照明體的Y值調(diào)整到100。

 1、目視法

 目視法是一種傳統(tǒng)的顏色測量方法。它是一種完全主觀評價方法，同時也是最簡單的一種方法。它將印刷品與標(biāo)準(zhǔn)樣張直接進行人為比對，評價印刷品與標(biāo)準(zhǔn)樣張呈色差異，同時還借助放大鏡來細微地觀察各色網(wǎng)點的形狀和疊印狀況，對網(wǎng)點的調(diào)值作定性評估。其實質(zhì)是一種目視光度測定法，原理是利用加色混合定律，將各個分量的未知色加在一起，以描述所得的未知色。雖然對于色彩評價來說最可靠的方式是借助人眼，而且簡單靈活，但是由于觀測人員的經(jīng)驗和心理、生理因素的影響，使得該方法可變因素太多，并且無法進行定量描述，從而影響到評估的準(zhǔn)確性和可靠性。

2、密度檢測法

密度測量實際上并不直接測量密度值，只是測量反射光量和入射光量的大小，其中假設(shè)了反射光和密度計提供的光之間的差別是光的吸收量，即印刷表面油墨層的吸收光量大小。密度測量考慮的是整個反射光譜的總體光量特性，實質(zhì)上是評價印刷表面各色的亮度因數(shù)，而與色調(diào)無關(guān)。在彩色印刷中，印刷油墨呈色實際上就是，油墨印在反射率較高的白紙上，從照射其上的光線中選擇性地吸收了一部分波長的光，而反射剩余的光，此時密度反映了油墨對光波的吸收特性。

彩色密度儀的基本構(gòu)成

習(xí)慣上所指的“彩色密度”是指測量時，通過紅、綠、藍三種濾色片分別來測量黃、品、青油墨的密度。密度只是物理吸收特性的度量，只表示黑或灰的程度。從這個意義上說彩色密度測量也只是黑度的測量，是同一種油墨飽和度的相對值的反映。密度測量法中使用的密度計有透射和反射兩種，透射密度計測量透過膠片的光量或透過率，反射密度計測量從測試表面反射的光量或反射率。由于印刷品上油墨膜層由濕到干過程中反射光的強弱是不一樣的，故測定密度有一定誤差，而加有偏振濾光鏡的密度計可以克服墨膜的干濕造成的密度變化。彩色反射密度計已經(jīng)成為印刷車間不可或缺的工具，它直觀地反映了C、M、Y、K四色印刷的密度、網(wǎng)點百分比、油墨疊印率等，被廣泛用于顏色和墨層厚度控制當(dāng)中。

黑度與透射率的關(guān)系

理想油墨光譜分布

實際油墨光譜分布

3、光電積分法

長期以來，密度法在顏色測量中占有很高的地位，但是隨著CIE1976L*，a*，b*的應(yīng)用逐漸普遍，并已遍及從印前到印刷的整個工作流程，以及密度測量已不足以滿足印刷或其它行業(yè)的需要，人們越來越意識到色度的重要性，并且現(xiàn)代色度學(xué)的迅速發(fā)展也為光電積分儀器客觀地評價顏色奠定了基礎(chǔ)。

光電積分法是20世紀(jì)60年代儀器測色中采用的常見方法。它不是測量某一波長的色刺激值，而是在整個測量波長區(qū)間內(nèi)，通過積分測量測得樣品的三刺激值X、Y、Z，再由此計算出樣品的色品坐標(biāo)等參數(shù)。通常用濾光片覆蓋在探測器上，把探測器的相對光譜靈敏度S(λ)修正成CIE推薦的光譜三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)。用這樣的三個光探測器接收光刺激時，就能用一次積分測量出樣品的三刺激值X、Y、Z。濾光片需滿足盧瑟條件，以精確匹配光探測器。盧瑟條件如下：

此類型儀器的測色準(zhǔn)確度是與儀器符合盧瑟條件的程度有直接關(guān)系的，要做到完全符合上述條件是很困難的。在實際的濾色修正中，由于色玻璃的品種有限，儀器不可能完全符合盧瑟條件，只能近似符合應(yīng)用部分濾光片法可使x(λ)和z(λ)曲線的匹配積分誤差小于2%，y(λ)曲線的匹配積分誤差小于0.5%。

 光電積分式儀器不能精確測量出色源的三刺激值和色品坐標(biāo)，但能準(zhǔn)確測出兩個色源的色差，因而又被稱為色差計。國外色差計從上世紀(jì)60年代開始大量生產(chǎn)。我國從上世紀(jì)80年代初開始研制這類儀器，但和國外相比，我國研制的不同色差計的一致性不夠。彩色亮度計也是一種光電積分式儀器，通過望遠鏡系統(tǒng)對遠距離目標(biāo)進行顏色參數(shù)測量。

4、分光光度法（光譜儀）

分光光度法又叫測色光譜光度計，它是通過樣品反射(透射)的光能量與同樣條件下標(biāo)準(zhǔn)反射(透射)的光能量進行比較得到樣品在每個波長下的光譜反射率，然后利用CIE提供的標(biāo)準(zhǔn)觀察者和標(biāo)準(zhǔn)光源按如下公式計算，從而得到三刺激值X、Y、Z，再由X、Y、Z按CIEYxy，CIELab等公式計算色品坐標(biāo)x．y，CIELAB色度參數(shù)等。

它通過探測樣品的光譜成分確定其顏色參數(shù)，不僅可以給出X、Y、Z的絕對值和色差值△E，還可以給出物體的分光反射率值，并可以畫出物體色的分光反射率曲線。因此被廣泛用于顏色的配色及色彩分析中去，采用此類儀器可實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的色測量，可對光電積分測色儀器進行定標(biāo)，建立色度標(biāo)準(zhǔn)等，故分光式儀器是顏色測量中的權(quán)威儀器。

分光光度計工作過程圖

測量透射樣品時，一般選用空氣作為比較的標(biāo)準(zhǔn)樣品。由于在較短的距離內(nèi)可以不考慮大氣對光譜的吸收效應(yīng)，因此空氣是理想的透射體，其在整個可見光譜范圍內(nèi)的光譜透射因數(shù)或光譜透射比均近似為 1。

測量液體樣品時，一般采用同樣厚度的溶劑作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，該溶劑的光譜透射因數(shù)或光譜透射比是已知的。

測量反射樣品時，無論分光光度計還是色度計，都應(yīng)采用光譜輻亮度因數(shù)或光譜反射比在各波長上都近似為1的物體作為比較的標(biāo)準(zhǔn)樣品。雖然完全反射漫射體的反射比在各波長上均為 1，是理想的參照標(biāo)準(zhǔn)，但實際材料難以達到這樣的特性，只能選擇與它性質(zhì)比較接近的材料作為工作標(biāo)準(zhǔn)。顏色測量中所選用的反射標(biāo)準(zhǔn)常采用的是碗酸鋇 (BaSo₄,)、海龍（Halon）氧化鎖（MgO）碳酸鈣（CaCo₃）和陶瓷等。

分光光度計光路組成圖

5、光電積分測色法（光源色）

光源的顏色特性有兩方面的意義：一是人眼直接觀察光源時所看到的顏色，這與一般物體色類似，可用三刺激值和色品坐標(biāo)來表示；二是評價物體在光源照明下所呈現(xiàn)顏色效果，用顯色指數(shù)來標(biāo)識。光源的顏色特性和一般物體色類似，只取決于光源輻射的光譜分布。

光譜輻射計其光路結(jié)構(gòu)與上述分光光度計相似，僅比分光光度計減少了照明結(jié)構(gòu)。但由于測量對象是光源而不是一般物體，所以光譜輻射計與測色分光光度計相比有以下特點：

（1）對波長準(zhǔn)確度和波長分辨率要求高。因為光源的光譜分布可能存在線狀光譜，要將線譜準(zhǔn)確測量到，就必須有高的波長準(zhǔn)確度和分辨率。

（2）比較測量的標(biāo)準(zhǔn)不是標(biāo)準(zhǔn)白板和空氣，而是經(jīng)過精確定標(biāo)的已知光譜分布的標(biāo)準(zhǔn)光源。常用的標(biāo)準(zhǔn)光源有黑體、鎢帶燈和鎢絲燈等。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

顏色在生產(chǎn)和生活中扮演著重要的角色，顏色的控制已經(jīng)成為評價許多產(chǎn)品外在和內(nèi)在質(zhì)量中最受重視的要素之一，目前的主要應(yīng)用在：

1. 農(nóng)產(chǎn)品加工：肉類，果蔬等品質(zhì)分類

2. 照明行業(yè)：LED顏色分析

3. 紡織行業(yè)：紡織物色差鑒定

4. 造紙行業(yè)：紙品顏色控制

5. 化工行業(yè)：油漆，涂料等品質(zhì)控制

6. 醫(yī)學(xué)檢測：血跡檢測

LED顏色測量 

化學(xué)變色反應(yīng)測量

人體血液、油漆、醬油的反射率光譜測量

五、典型配置

反射-顏色測量

反射測量（積分球）

 輻射-光源顏色測量

輻照度測量

LED顏色測量

顏色測量包含三個基本要素：參考光源，參考標(biāo)準(zhǔn)源，光譜采集裝置。常用參考光源為鹵鎢燈或氙燈。參考標(biāo)準(zhǔn)源一般多用漫反射標(biāo)準(zhǔn)板。光譜采集裝置則有光纖光譜儀和配套附件組成。光譜儀必須涵蓋可見光波段，并且要具有足夠的靈敏度和穩(wěn)定性，配套附件包括光纖探頭和積分球等。

萊森光學(xué)的光譜儀具有體積小，穩(wěn)定性高，支持軟件二次開發(fā)，配件豐富等特點，已經(jīng)成功的廣泛應(yīng)用于玻璃、高分子材料等行業(yè)的測試。而光纖光譜儀采用光纖光路，解決了光路在儀器集成中的限制。并且萊森光學(xué)為用戶提供了以光譜儀為核心的光譜測量設(shè)備，利用這些配置豐富的設(shè)備，即可搭建各種常見的光譜測量系統(tǒng)。

當(dāng)我們對物體進行透射測量時，光譜儀的選擇很重要，但其實配件的選擇也同樣不可小覷。整套解決方案的每個部分都和測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性密切相關(guān)。接下來我們就透射測量解決方案（光譜配件、探頭等等）進行詳細分析。

? 光源：

iLight-HAL、iLight-HAL-HP、LS-UV-HAL鹵鎢燈、紫外增強鹵鎢燈

iLight-DH-ADJ 氚鹵組合光源

iLight-DHc、iLight-Xe 氙燈

Xe燈典型的發(fā)射光譜分布 汞燈典型的發(fā)射光譜分布

? 光纖：

采用純度很高的進口石英纖芯，光纖類型采用多模光纖，數(shù)值孔徑為0.22，也可以為用戶提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等數(shù)值孔徑的多模光纖。

? 積分球：

主要實現(xiàn)對漫散射強材料的光學(xué)透過率/反射率測量（可根據(jù)需要，切換使用SMA905光學(xué)光譜法或標(biāo)準(zhǔn)BNC探測器法），主要適用于手機屏、顯示屏、玻璃鏡片、膠水、油墨、鍍膜鏡片等透過率測量，特別適合IR油膜孔透過率測量。

? 鏡頭：

LS-FOL  光纖準(zhǔn)直聚焦鏡頭

推薦：

LiSpec-HS系列高靈敏度光譜儀

是萊森光學(xué)（LiSen Optics）光譜儀系列中基于面陣背照式BT-CCD傳感器開發(fā)而來明星產(chǎn)品之一，成功地把紫外可見近紅外高量子效率和高測量速度相結(jié)合。其獨有的消雜散光技術(shù)、降噪電路控制技術(shù)、再加上出眾的高量子效率探測器性能，使光譜儀的靈敏度、信噪比得到極大的提升。在200nm-1100nm波段的靈敏度較為出眾，非常適用于紫外輻射光譜、熒光測量、透反射測量等應(yīng)用。

iSpec-TMS-IND光譜透射/反射率測量系統(tǒng)

采用高靈敏度光譜儀，測試精度高、分辨率高，測量速度快，響應(yīng)迅速；具有超低雜散光及溫度穩(wěn)定性，高信噪比；可支持二次開發(fā)，可按用戶需求提供在線透反射解決方案。非常廣泛應(yīng)用于高分子材料、光學(xué)鏡片、薄膜樣品、干涉濾光片、光伏壓花玻璃、各種晶體、塑料、紡織品、LCD、背光板、手機/平板油墨孔等透射/反射測量。