比色法：色差仪如何测量色差

比色法是一门颜色测量科学，广泛应用于商业、工业和实验室，以数字形式表达颜色并测量样本之间的色差。应用包括油漆、油墨、塑料、纺织品和服装、食品和饮料、药品和化妆品、显示器以及其他反射或传输颜色的零件和产品。

随着全球制造和加工的增长，比色法的使用和重要性也随之增长。例如，当一个大陆生产的塑料汽车装饰必须与另一大陆生产的涂漆金属饰面相匹配时，客观而精确的颜色描述就变得绝对必要。

不幸的是，人类的颜色感知差异很大，并且受到照明、样本大小、周围颜色和观察角度的影响。比色仪器提供了一组标准化条件，有助于确保一致性和可重复性。

虽然术语比色法通常用于一般意义上的颜色测量，但它与分光光度法不同，分光光度法是一种相关但不同的颜色测量方法。

在比色法中，颜色的量化基于色觉的三分量理论，该理论指出人眼拥有三种原色(红、绿和蓝)的受体，并且所有颜色都被视为这些原色的混合物。在比色法中，这些分量称为 XYZ 坐标。色差仪基于这种颜色感知理论，采用三个光电管作为接收器，以与人眼大致相同的方式看到颜色。

另一方面，分光光度法使用更多的传感器(在某些分光光度计中为 40 个或更多)来将反射或透射光分成其组成波长。它测量物体在可见光谱连续谱上每个波长的光谱反射率。分光光度法具有高精度，通常用于研究和颜色配方应用。色差仪通常用于生产和质量控制应用。

色差仪的剖析

由光源、固定几何观察光学器件、与国际建立的标准观察器匹配的三个光电管以及板载处理器或连接到处理器/显示单元或计算机的电缆组成。

在操作中，色差仪的传感器透镜通常直接放置在待测量样本的区域上——例如，一块染色的布或一块彩色塑料片。对于必须测量透射光的液体或彩色薄膜样本，样本被放置在仪器的透射室或特殊的样本架中。接下来，操作员激活从样本反射并穿过三个光电管的光源，光电管确定红色、绿色和蓝色分量并将数据传输到微型计算机。微型计算机计算 XYZ 三刺激值并捕获数据，然后显示或打印。

虽然三刺激值对于定义颜色很有用，但它们不允许轻松可视化颜色。因此，在国际照明委员会 (CIE) 的支持下，开发了许多数学模型和绘图方法。这些概念化称为色彩空间。色彩空间更紧密地表达颜色的相对属性，例如明度/暗度、饱和度(色度)和色调。它们在测量和比较两个样本之间的色差时特别有用，例如在生产过程中必须重复再现的目标颜色。

图 1.与人眼相对应的光谱灵敏度(1931 标准观察者的颜色匹配功能)

色调是用于颜色一般分类的术语，即可见光谱区域(380 至 700 nm)，其中光反射率最高。被感知为蓝色的色调倾向于反射光谱低端的光，绿色在中间区域，红色则朝向高端。图 1 显示了与人眼相对应的光谱灵敏度。

亮度/暗度可以独立于色调来测量。例如，柠檬的亮度可以与樱桃的亮度进行比较。饱和度描述了感知颜色的鲜艳度/暗度，并且与亮度一样，可以独立于色调进行测量。用于定义和以数学方式表达这些属性的最广泛使用的色彩空间之一是 CIE 的 Yxy 色彩空间，该空间于 1931 年建立;1976 L*a*b* 色彩空间;和 L*C*h 色彩空间。其他色彩空间，如CIELUV;Hunter Lab，由 Richard S. Hunter 开发;和孟塞尔颜色表示法系统也正在使用。

图 2. 1931 年 X、Y 色度图

随着时间的推移，色彩空间表示已经得到完善，以更接近地对应于通过持续实验和统计平均所定义的人眼的色差感知。

XYZ 值和 Yxy 颜色空间

早期的颜色空间表示形式之一是 CIE 1931 X,Y 色度图(图 2)。该图用于颜色的二维绘图，与亮度无关。X和Y是根据三刺激值XYZ计算的色度坐标。在此图中，无彩色朝向中心，色度朝向边缘增加。色度坐标为 X = 0.4832 且 Y = 0.3045 的比色测量红苹果可以位于该颜色空间中的位置 A(蓝色圆圈)。

L*a*b* 色彩空间也称为 CIELAB，于 1976 年颁布，旨在针对原始 Yxy 色彩空间的问题之一进行调整。X、Y 色度图上的相等距离并不对应于相等的感知色差。在L*a*b*图中，球形彩色实体，L*表示明度，a*和b*是色品坐标。这里a*和b*表示颜色方向(+a*是红色方向，-a*是绿色方向)。

图 3.a *、b* 色度图

L*C*h 颜色空间使用与 L*a*b* 颜色空间相同的图表，但采用柱坐标而不是直角坐标。L*与L*a*b*图的L*相同。C*是色度，h是色调角。对于无彩色，C*的值在中心处为0并且根据距中心的距离而增加。色相角定义为从 +a* 轴开始，并以色度轴逆时针旋转时的度数表示。

色差仪的测量输出以测量样本的 XYZ 值以及其他可接受的统一色彩空间的单位表示。通过将目标颜色的测量值与样本进行比较，用户不仅可以获得颜色的数字描述，还可以表达两个测量样本之间色差的性质。色差仪可精确定位目标和样品之间的亮度、色度和色调差异。

图 4.便携式色差仪允许在生产现场或远程位置进行测量

然后，可以将在一个位置进行的、以给定色彩空间的单位表示的颜色测量值与在另一位置或另一时间进行的测量值进行比较，并以国际公认的语言进行交流。通过这种方式，比色测量消除了颜色感知和色差判断中的主观性。

当今的色差仪情况

有多种三色色差仪可用于生产颜色采样、检查和颜色质量控制。许多是便携式、电池供电的设备，可以在生产车间或远程位置进行客观的色彩测量。它们具有适合特定应用的一系列孔径和照明/观察几何形状、各种级别的数据处理能力以及众多配件。

类似显微镜配置的色差仪用于精确测量小物体，例如药丸和药物试剂。非接触式色差仪可对生产线上的纺织品、纸张和涂层卷材进行在线颜色测量。小型掌上仪器甚至专为非常特殊的应用而设计，例如烘焙、油炸和加工食品的对比度测量。

通过密切监控生产和加工操作中颜色的一致性，商业和工业显着降低了浪费和产品废品的成本，同时提高了操作效率和生产率。