第三节 色度测量的类型及仪器

一、两种色度测量方法比较

　　密度测量也是一种对色彩进行测量的重要形式。密度计本身有其独特的优点，这主要是对印刷过程控制而言。密度计价格便宜、读数迅速，在许多方面超过其它精密制作测量仪器，例如在控制墨层厚度中应用，它们还被用在一些简单而有意义的测量中。但密度计有下列缺点：


　　①仪器之间的一致性差，这是由于光源、光电倍增管和滤色片之间光谱特性上的差异造成的。然而，技术上的进步也提高了密度计的使用价值。现在已经出现带有频闪氙光源、光电二极管传感器和不接触样本面进行测量的联机密度计；装有微处理器的密度计还可作简单的计算（如计算油墨叠印率）。

　　②密度计不能提供与人眼灵敏度相关的心理物理测量，其分析测量能力是有限的。

　　③密度测量不能以某种形式跟CIE*表色系统相关联，而CIE*表色系统却是公认的色彩语言。


　　新型色度计和分光光度计已经使印刷工业认识到色度测量的潜力，这种测量跟人眼的光谱灵敏度密切相关并提供CIE表色系统参数。

　　色度测量方法主要有两种。第一种方法是利用光电色度计测色的方法，光电色度计在原理上非常类似于密度计，其外观、操作方法及价格也跟密度计相近。光电色度处在接显示三刺激值x（λ）、y（λ）、z（λ），大多数还把三刺激值转换成为匀色空间标度，例如转换成为CIELAB标度，但大多数只有一或二种照明，所以用光电色度计测得的色彩并不总是表现视觉色彩，另外，CIELAB色彩空间对印刷复制来说并不是最好的表色系统，因为它不能像CIELUV那样计算饱和度。光电色度计的精度在确定色差方面肯定是足够的，可以在印刷车间用作色差比较的测量。许多光电色度计的精度也高到足以进行绝对色彩和相对色差的测量，但是一般说来，人们更喜欢用分光光度计去完成上述各项任务。

　　色度计可以看成是一个反射率计，或一个不带对数变换器但带有一套专门滤色片的密度计。当然，这是一种能完成色度测量的方法。附加一套滤色片的目的是根据CIE光谱三刺激值在色度计的每个通道中给光谱的各个波长加权。但色度计不同于密度计，它涉及的主要是反射率问题而不是一个对数问题，但反射率很容易转换成密度，反之也是可以的。色度计的光谱成分被认为跟人的视觉灵敏度有良好的线性关系。但事实上这是不可能的（涉及到卢瑟条件问题），因此光电色度计在原理上存在误差。


　　第二种方法是利用分光光度计测量色彩的方法。正像三滤色片光电色度计可看成是一个专门的反射率测量仪器一样，分光光度计也可以这样看，但它与光电色度计不同，分光光度计测量的是一个物体的整个可见反射光谱，分光光度计是在可见光谱域逐点测量，即在一些离散点上进行测量，通常每隔10或20nm测量一个点，在400～700mm的范围内测量16～31个点。有些分光光度计是连续地对光谱进行测量，而三滤色片光电色度计只对三个点进行测量，所以杜光光度计能提供的信息要多得多，至少是对16个点进行测量。


　　分光光度计把色彩作为一种不受观察者支配的物理现象进行测量。为了获得三刺激值它可以对反射光谱进行积分，可以把色彩作为视觉响应加以解释，它是一种最灵活的色彩测量仪器。


　　对于非荧光材料来说，分光光度计提供的测量结果可以不依赖于所用的照明，可以在荧光灯下、白炽灯下及日光下评价调墨效果，因为分光光度计测量的是反射光谱，它可以自动地、客观地对调墨效果进行评价。事实上，如果两个色样的反射光谱是匹配的，那么就可以认为这两个物体具有相同的色彩，而在什么光源下进行观察是无关紧要的。


　　荧光材料在印刷工业中是常用的，许多纸张含有荧光材料（如增白剂），许多黄油墨也
会产生一定程度的荧光，荧光对印刷材料的色彩是有影响的。


　　印刷工艺中的某些现象如纸上网点覆盖率、油墨强度等本质上就是在窄波段范围内发生的物理现象，当然最好还是用窄带测量进行评价。但是应当指出，窄密度测量（如A状态密度）不能用于测量视觉色彩，但分光光度测量能解决这个问题。因为它所作的测量是窄带测量，它对光谱的抽样是充足的，所以可以做与视觉一致的色彩测量。为了进行预期类型的测量（窄带或宽带），可以为分光光度计预先编写计算程序。许多新型分光光度计包含有计算机，根据程序去完成标准的印刷复制质量控制和窄带测量都是合适的，但它明显的比密度计昂贵。

　　众所周知，对颜色进行测量展最基本的方法是主观目视法。这种方法是根据色谱中的颜色用目视匹配未知的颜色，用分光光度计测得的色彩数据比人眼的分辨能力要精细，这对分析颜料的浓度是有用的，只需要根据一些公式进行计算，便可以分析和控制原材料的份量。

　　根据分光光度计的测量数值可以计算密度值和色度值（但反向计算是不正确的）；可以分析同色异谱现象；新型分光光度计还可以把分光光度测量数据直接转换成其它表色系统的参数，转换方法与色度计是一样的。

二、色度测量标准化的三要素

　　照明、观测的几何条件、标准白是实现色彩测量近渔业到三个主要因素。

　　各表色系统参数值的计算取决于照明种类。A、B、C和D65光源分别是模拟白炽灯、中午时分的日光、阴天的日光或多云的中午日光，特别是D65光源，它的辐射分布是对不同时间、不同气候和不同地点的目光光谱作了许多测量之后，经过复杂的求平均值过程得出来的。C光源和D65光源对印刷工业是最有用的。

　　标准光源C在紫外线区的功率很小，对于不发荧光的色彩来说，这是无关紧要的。但对于发荧光的色彩而言，采用C光源照明时，该色彩发生的荧光就比在真实的日光中发出的荧光少。伴随着荧光添加剂在白色颜料中的广泛应用，很需要一种更能表达日光，包括紫外线区的光源，因此CIE于1963年推荐了标准光源D65。为D65定义的光谱范围是300～830nm，色温6500K，是一系列D光源中的一种。因为许多油墨和纸张呈现荧光，所以对于印刷工业来说D65光源是重要的，如果不需要紫外光，可用滤光片除去。

　　通过表2－2可以说明荧光对测量结果带来的影响。虽然纸和黄墨表现出较明显的荧光性质，但对总的测量结果没有产生太大的影响。当光源中含紫外线成分时，正如预料的那样，纸张和黄墨显得更蓝一些，纸张的L*值也稍微大一些，这种变化倾向是正确的，但黄墨的L*微微下降，表现出错误的变化倾向。

　　表2－2 紫外线对测量数据的影响

参数	纸		青	品红	黄
	有紫外线	无紫外线				有紫外线	无紫外线	有紫外线	无紫外线	有紫外线	无紫外线
x（λ）	88.77	86.46	19.23	19.27	37.40	37.36	67.90	67.13
y（λ）	86.61	85.56	24.90	25.00	20.70	20.65	74.60	73.79
z（λ）	98.85	95.29	72.31	71.95	26.30	25．80 10.80	10.55
L*	94.57	94.12	60.56	60.97	55.95	56.22	94.36	94.42
u*	－10.76	－10.44	-51．50	－59.97	107．92	109.66	25.85	25.44
v*	－12.09	－9.5	－15．79	-77.00	－20.86	－20.55	106.48	104.23

　　在印刷工业中，观察原稿类的透射样本时推荐采用D50光源，观察印刷品等反射样本时推荐采用D65光源，两种光湖的色温不同，这是应当注意的。

　　在对半透明薄纸样本进行测量时，在样本下面衬一白色表面具有特殊的意义。

　　对于大多数情况应当衬一白色表面，这样最接近于标准观察状态。但对于一些质量控制测量的情况而言，衬一黑色表面可能更可取。

　　如果观察一个非常光滑的反射表面，那么物体的色彩取决于光相对于表面的入射角度和眼睛相对于入射光的观察角度。如果光线只从一个方向射入，为了避免看到光源的镜像，可以适当地转动一下表面，这样就可以看到物体表面的色彩了。如果这个反射表面从不同的方向上被照明，在一个房间内，物体的反射表面被来自许多窗子的光线照明或用许多人造光源照明，那么，想找到一个方向完全避免光源的镜面反射是不可能的。如果在一个很大的光源下观察这个反射表面，例如在阴天的日光下或在一个均匀照射的顶灯下面，那么总是在部分镜面反射的情况下看到表面的色彩。镜面反射是由物体表面产生的，除非物体是金属，否则，反射的光总是和光源的色彩相像。如果照明的色彩是白色，镜面反射一般总是把白光加到表面色彩中去，除非反射表面的本身就是白色，否则，其效果总是降低色彩的饱和度。这就是光泽表面在定向照射情况下比在慢射照明情况下看起来更饱和的原因。

　　对于一个完全粗糙的表面来说，入射的每一束光不管其入射角度如何，如果没有进入表面就会有一些进入眼睛，这部分光不受颜料影响（除非是金属）。因此当在白光中观察粗糙表面时，由于表面反射，饱和度总是降低。由于这个原因，粗糙表面一般不像光泽表面那样饱和，除非光泽表面是用非常扩散的光照明的情况。

　　大多数表面既不是完全粗糙，也不是非常光泽，照明和观察的几何条件的影响处于上述两种极端状况之间，表现的色彩饱和度比光泽面的情况低、比粗糙面的情况高，表面性质上的区别对物体的色彩感觉有很大的影响。

　　显然，照明和观察的几何条件对色彩效应起着重要的作用。国际照明委员会根据实际应用的需要推荐了一些供色度测量应用的照明与观察的几何条件。

　　在测量反射（透射）率参数时，国际照明委员会推荐理想漫反射（透射）体作为标准白色。理想没反射体即理想的各向同性漫射体，在反射空间的各个方向具有相同的发光密度，因此标准白色是一个完全无光泽的白色面，它满足下列条件：

　　①入射到该面上的光全部反射到空间，因此在可见光谱范围内所有波长的光都不被吸

　　收；

　　②反射光完全是漫射的，无光泽、均匀地朝各个方向散射，1lx的照度在各个方向产生出的光亮度等于104cd／m²。

　　③上面两个特性与入射光的方向完全无关。

　　标准白可以用硫酸钡粉压制而成，倘若硫酸钡很纯，光吸收率很低，只有2％左右，相当近似于理想的漫反射标准白色，并且在可见光谱范围内与波长无关，当波长短至小于410nm时吸收率才增加，用来制造这种白色标准的硫酸钡有精确的规定。测量时用校正的方法补偿理想无光泽白色面和实际白色标准之间的差别。必须强调，理想漫反射的Y刺激值规定为100，在任何照明下一切彩色物体（非荧光体）中理想漫反射体的发光密度最高，是计算三刺激值的基准参数。

　　就标准白色而言，理想漫反射体仅是一种选择，通常用来评价纺织品、油漆也许是合适的，可是在某些应用中，理想漫反射体作为标准白色可能是不合适的。例如在评价油墨的时候把所用的纸张作为标准白色一般来说是更好的选择。这是因为，如果纸张轻微泛黄，那么一个非选择性的中性油墨相对于理想漫反射体来说也将带淡黄色，但油墨本身并不是泛黄的，因此把未印刷的纸张作为标准白评价油墨更好；但理想漫反射标准白对评价纸张来说是合适的。

　　就一个逼真的反射印刷品而言，用理想漫反射体作为标准白测量纸张是恰当的，而在评价图像面的时候，用画面上具有代表性的白色作为标准则是合适的。这个有代表性的白色（设刺激值为Yn）不仅可能是一个不同的颜色，而且可能比理想漫反射体明显的暗，理想漫反射体（设刺激值为Y）就会有一个比单位值明显要高的值Y／Yn，这说明标准漫反射体的亮度比图像中的白色的亮度要大。

三、分光光度计与三滤色片色度计

　　当前市售的分光光度计大多数不是真正的分光光度计，而是简化的分光光度计。用这种分光光度计只能对预先给定的波长进行测量，而不能对可见光谱的全部波长连续地进行测量。

　　图2－7是分光光度计光路简图。分光光度计跟眼睛不同，眼睛是同时在感受的全部波长上评价接受的光能，而反射曲线的测量必须逐波长地进行。这就必须把光源的光在各个波长上进行分解，这既可以在照射样本之前分解成单色光，也可以在从样本上反射之后进行分解。几乎所有的新型仪器都按后一种方式工作，只有这样才能对具有荧光性质的样本进行正确的测量。



图2－7

　　1．光源。测量所用的照明必须包含可见光谱的全部波长。测量发荧光的样本时，反射率曲线和由反射率曲线算出的三刺激值要正确地再现视觉色彩，测量所用光源的辐射分布要符合彩色匹配要求的辐射分布。

　　2．光的色散。为了逐波长地测量样本的反射率，必须对样本反射的光进行色散。在散光的传统元件是用棱镜，但在现代仪器中则常用弯曲光栅。后者得到的不同波长的间隔可以是相等的，这可以使光圈结构不必是可变的。色散光的第三种可以选择的元件是彩色干涉滤色片。

　　3．测量的几何条件。人们用视觉评判样本时，换句话说，人们用视觉匹配样本的色彩时，被评判的样本应放在临北面窗口的桌子上被漫射的自然光照明。这时，只有在某个方向反射并达到眼睛的光被观察到。测量色彩时不用日光照明，而是用模拟日光的光源照明，两者关系是相似关系。

　　大多数分光光度计有一个称作积分球的元件。球的内壁涂以白色，壁上开有小孔，以便让照明标本所必需的光线出入。光源放在球内或至少放在球旁边，以便用扩散的光照明球壁。所以，小球上有一或两个小孔，以便放置被测样本或标准白板。对着样本的孔因测量仪不同而有不同的尺寸，在大多数仪器中这个孔的孔径是可以连续改变的，以便适应被测样本的大小。最常用的孔径是2～3cm，孔径小于0．5cm时只作为特别附件提供。由于技术上的原因，大于5cm的孔径不常用。被测样本的大小经常是不一样的，应该使孔径像样本那样大，但孔径大于5cm时，测量结果容易出现不均匀性（不像较小的孔那样稳定）。

　　带积分球的分光光度计，样本通常是在慢射照明的状态下，测量从样本某个方向反射的光。一般是测量8°方向反射的光（图2－8），其优点是可以在积分球的另一个孔的旁边安装一个所谓光泽吸收饼的东西，借此使样本避免来自8°的情况下照明，样本的光泽在测量时被排除。然而，带光泽吸收阱的测量方式只是在高光泽度样本的情况下选用，通常总是同时测量光泽，然后用计算的方法把它扣除。扣除量取决于空气与样本界面的光学性质，平均光泽校正量为4％。这对计算网点覆盖率的场合具有特殊意义。



图2－8

　　在用积分球测量的情况下，样本上表面的结构只是一个次要的因素。这就是说当样本以不同的方向放在测量孔下测量时，测量值的变化是较小的。即使这样，样本还是应当保持相同的方向放置。

　　虽然积分球内表面是涂白的，但它还是吸收一小部分光，导致光源的辐射分布发生变化，特别是在测量发荧光的样本时更是如此。因而在一些新型分光光度计中，用45°环状光源取代了积分球，而在0°方向进行测量，这样光泽总是被排除在外了。环状光源具有积分球的全部优点，克服了它的缺点。

　　有用于测量光泽样本的分光光度计，用这种仪器，样本被定向照明，与环形照明的情况不同。照明只从45°方向入射，在0°方向测量（见图2－9），即用45°／0°几何条件测量。该图清楚地表明在此种测量方式下光泽被排除的原因，只要样本的光泽度小，对测量结果的影响是可以忽略不计的。对于光泽样本一般是用计算的方法排除光泽的影响。45°／0°几何条件应用较少，因为测量结果明显地受样本上表面的无规律性影响，结果的重复性不像用积分球测量那样好。



图2－9

　　4．传感器。在分光光度计中，传感器是用光电池、光电二极管或光电倍增管装配成的。以前通常只用一个传感器，单色光按时间顺序地照射在传感器上并被量化。为了改善测量速度，一些新式仪器配备了16个传感器，可以同时对16个波长进行测量（从400～700nm，间距20nm）。

　　5．仪器的标定。现在仪器的标定比以前简单得多，因为几乎所有通过机械调节并用数学方法校正的方式都已被取代。尽管如此，也不要忘记标定，因为一个分光光度计的测量值在很大程度上取决于仔细的、定期的标定。

　　标定的内容有100％线定标（标准白色定标）、0％线定标，如果可能的话还要进行波长和光电梯尺定标。

　　100％线是用标准白色标定的，这是要再度校准到绝对白色上。常用的标准白是用硫酸钡粉压制的，其绝对反射率在全部波长范围内总计达到98％。虽然现在的分光光度计都能长时间保持稳定，但每天至少还要标定一次，最好每天校正多次。

　　0％线校正是用与上述类似的方法完成的，一般是用一个黑体作0％线定标，由于黑体吸收全部入射的光能，其反射率为0。零线定标同样每天进行，也有一些仪器不做0％标定，但这是不推荐的。

　　波长检查和光电梯尺检测在新型仪器中一般不再进行。

　　6．分光光度计的精度。仪器的精度可用短时间可重复性、长时间可重复性及绝对精度等指标衡量。

　　一个仪器的短时间可重复性是重要的，特别在质量控制中测量色差时是这样。一个短时间重复性不好的仪器是不符合技术要求的，可以把样本放在检测头下连续地进行测量，得到的反射率值木应有大于 0．02～0．03％的差别，然后用测得的值计算色差ΔE（指ΔE^* CIELAB值），可用全部测量值的平均值或第一次测量值作基准值，ΔE的值不应大于0.05～0.01，现代测色系统一般都能满足这个要求。如果在检查的时候测量值是连续变动的，这不是仪器的问题，而是样本造成的。样本放在检测头下被光照射会变热，样本受热时其颜色会发生变化，用户应注意购买探测头释放能量小的仪器，如选购采用氛闪光灯的仪器。现代仪器测量速度很快，由于样本变热造成的影响比以往的仪器小得多了。

　　长时间可重复性对于配方计算是重要的，因为着色剂和样本要在不同的时间进行测量（放置时间甚至不只一年）。

　　长时间稳定性可以通过一个长时间稳定的样本进行检查，色差应该不大于1。对于好的仪器来说ΔE＝0．5。对检查和监督长时间稳定性的意义往往强调得不够。对于长时间稳定的仪器来说，在做配万计算时可以省却校正步骤，只用统计质量管理即可，这时测量值只受生产条件影响而不受仪器的影响。

　　测色仪器的绝对精度远不如它的重复性那么好，绝对精度的检查可以用校正好的标准样本进行。如果用不同的仪器测量同一个长时间稳定的样本，就会得出一个不一致的结果。在标准制定之前，标准委员会一直在对由不同系统测得的色值进行比较，通过研究发现，用同类型仪器测量同一样本时能表现出几个单位色差。被测样本越暗和越亮，则偏差越大，在比较不同类型的仪器时偏差更大，降低绝对偏差目前是无望的。

　　根据这些事实推断，如果仅把反射率值和三刺激值作为样本传送，以希望的精确度匹配色彩是不可能的。

　　这里还必须提出一个与仪器的绝对精确度无关的警告，因为还涉及其它一些不易确定的因素，所以对色谱中的某个色彩来说想取得一致的色彩匹配是不可能的。

　　7．色度计（三滤色片测色仪器）的精度。三滤色片测色仪器在过去是工业上应用范围很广的测色仪器。为了模仿人的视觉过程以便提供符合标准的测量值，必须采用标准光源（光源辐射分布的转换是用滤色片）照明要评判的样本，传感器的灵敏度也要用滤色片转换成与观察者的视觉灵敏度相吻合，然而多数只安装一组滤色片，同时完成这两项任务。色度计通常只有一个传感器，在传感器前面并置3个、最好4个滤色片〔4个滤色片是为了更好地调节短波部分的x（λ）曲线〕，在仪器标定正确有情况下，读取的值容易换算成三刺激值，有时也直接读取三刺激值或一个转换色空间的值。这种仪器的优点是具有很好的短时间可重复性，缺点在于，由于视觉灵敏度跟滤色片一传感器的关系难以调节正确，所以这种仪器的绝对精度不好。虽然色差测量的绝对精度是作为高阶偏差考虑的，但在有些色度计中，这种偏差是如此之大，以致于只能用它测量色差较小和同色异谱很小的样本。通常产品质量控制就属于这种情况，在这种场合下，较老的三滤色片色度计也能取得好的效果。

　　由于现代电子学和现代器件如光导纤维的发展，制造小型可携带的三滤色片色度计是完全可能的，它们虽有上述的缺点，但价格是便宜的。

　　由于测量精确度和样本精度的限制，计算结果不要以太多的位数输出，反射率值（％）、三刺激值、a*，b*和L*值及色差值通常精确到小数点后面两位，最后一位已经是靠不住的了。

四、步距、光泽度与测量误差的关系

　　如果色彩测量误差不是由被测样本造成的。那么仪器精度对色差数据的影响很小。

　　Sttocka 1973年已经指出，对于饱和度高的样本来说，以20nm的步距测量也可以正确地计算色差。例如：分别以10nm和20nm的步距测量一对同色异谱样本的色差。由排列在表2－3中的数值可知，差别是很小的。

　　必须认识到，对于一对反射曲线具有明显差别的样本而言，色差作为步距的函数仅有微小的变化。这个变化远比改变光源和改变观察者所起的影响作用要小，计算时不仅色差仍然相同，而且三刺激值仍然相同，大多数情况只在小数点后面第二位出现差别。因此一再提出制造符合技术水准的步距10nm的简化分光光度计的要求肯定不是紧迫的事。

　　表2－3 步距对测量的影响

同色异谱样本对	ΔE（10nm）	ΔE（20nm）
1	0.04	0.03
2	0.11	0.23
3	0.33	0.16
4	0.05	0.17
5	0.04	0.02

　　表2－4带或不带光泽校正的比较D65／10°

被测样本的色别	Rmin	a*		b*		样本与基准样本之间的色差ΔE*CIELAB
								带	带	不带	带	不带	带	不带
红	23.8	38.6	40.9	14.0	15.2	0.73	0.81
黄1	8.3	－14.7	－15.2	70.4	75.4	1.59	1.71
黄2	7.8	0.3	0.3	76.6	84.5	0.33	0.34
蓝	16.8	－5.3	-5.8	－36.3	－38.7	0.46	0.50

　　光泽样本常常在排除光泽的情况下进行观察。经常是一起测量光泽，再用计算方法扣除，根据表面的光泽情况降低三刺激值，降低的数值不大于4，以增加饱和度。如果在计算色差时不考虑光泽修正问题直接用三刺激值计算，这时三刺激值就太大（大约大4）。虽然在同一色空间内，三刺激值色空间的转换是非线性的，但这个误差对色差没有大的影响，如果不作光泽校正计算色差，则色差值最多降低0．1。表2－4表示考虑光泽校正和不考虑光泽校正计算得到的色差，二者区别不大；表内也给出了a*、b*值，变化比较明显；色度计算值几乎没有不同（样本与基准样本在色度方面的不同总是微不足道的）。尽管如此，不推荐用带光泽吸收阱的积分球色度计测量具有中等光泽的样本，因为在这种情况下被比较的样本可能有不同量的光泽被消除掉。

[时间：2001-11-05  作者：刘世昌  来源：《印刷品质量质检测与控制》·第二章　色度测量技术及其应用]