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浅谈仪器测色中几个易混淆的概念

2022-04-14 06:44:38

涂料工业:


颜色是产品给人的第一印象,随着工业的快速发展,颜色控制已经成为工业生产中品质保证的关键因素。仪器测色因其结果的准确性和客观性,广泛应用于国防、纺织印染、化妆品、造纸、油漆、塑料、交通、医疗、汽车和家电等行业。

颜色科学是一门多学科的研究领域,涉及生理学、心理学、物理学、数学、化学、计量学等。颜色从感知、描述、测量到制造,经历了相当漫长的一段时间,颜色科学涉及到大量的理论知识,有很多的专业术语,因此,非专业人员在接触时可能会有很多疑问。本文就是出于颜色测量相关人员进行解惑的目的,从颜色体系和仪器两方面出发,,并结合其在高分子材料测试中的应用,予以阐述和解析。

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颜色体系和颜色测量

1.1   2°标准观察者和10°标准观察者

标准观察者是一个专有名词,了解颜色体系的发展过程,就不难理解2°标准观察者和10标准观察者(以下简称观察者)。2°观察者和10°观察者的实质是一组标准观察者的配色函数。这组配色函数是通过一些正常色观察者统计得出的。它与人眼的结构相关。

2°观察者的配色函数是1931年建立起来的,而10°观察者的配色函数是1964年在2°观察者的统计数据的基础上发展起来的。2°观察者的视场比10°观察者的视场小,10°观察者的视场包含了2°观察者的视场。10°观察者具有更为严密的统计基础,因为它是建立在更多位正常色观察者的统计数据基础之上的。2°和10°观察者的视场如图1所示。


图1  2°和10°观察者

应用实例,计算白纸板的黄度值。在ASTM E313中黄度的计算公式为:YI=100(CxX-CzZ)/Y。式中,X、Y、Z——物体的三刺激值,无单位;YI——黄度值,无单位,Cx,Cz——系数,无单位。Cx和Cz的数据见表1。首先使用积分球分光测色计,在包含镜面光泽模式下测量白纸板的X、Y和Z三刺激值,再根据表1查找相应的系数,代入黄度计算公式计算出黄度值。当选择C光源,2°观察者(1931年建立)测量得到X=81.64,Y=83.25,Z=93.57。查表1得知Cx=1.2769,Cz=1.0592,计算得出YI=6.17。同样C光源下,10°观察者(1964年建立)测量得到X=81.08,Y=83.38,Z=91.83。查表1得知Cx=1.2871,Cz=1.0781,计算得出YI=6.42。


表1 黄度计算公式的系数

1.2表色系统Lab和L*a*b*

Lab指的是Hunter Lab,它是建立在颜色对立理论基础上的三维直角坐标系,是不带星号的。CIE L*a*b*(CIELAB)是惯常用来描述人眼可见的所有颜色的最完备的色彩模型。L、a和b后面的星号(*)是全名的一部分,因为它们表示L*、a* 和b*,不同于L、a和b。这两种表色系统都是建立在颜色对立理论基础上的,应用都比较广泛,区分这两种表色系统还是很有必要的。

Hunter Lab和CIELAB颜色体系的计算公式不同,虽然都是由XYZ经数学计算而来,但是色度量的取值不同。比如同样是校车的颜色--黄色,Hunter Lab体系的颜色参数值为L=61.42,a=+18.11,b=+32.23,而CIELAB体系的颜色参数值则分别为L*=67.81,a*=+19.56,b*=+58.16。

两个色度空间与视觉感官的均匀性都存在差异。比如虽然CIELAB色空间是CIE推荐的均匀颜色空间,而实际上CIELAB空间对于人眼的色彩感觉来说也还是不均匀的。在该空间的某个区域(如红色区域)取两个色样点与另一区域(如绿色区域)同等距离的两个色样点作比较,会发现在红色区域的两个色样的视感觉差别和绿色区域的两个色样的视感觉差别不一样,即在不同颜色区域,色彩的宽容量数值是不相等的。Hunter Lab和CIELAB的色空间示意图见图2和图3。


图2 Hunter Lab色空间


图3 CIELAB色空间


1.3色调角hab和色调差△H*ab

根据CIELAB计算公式得到L*a*b*值,一组L*a*b*数据对应CIELAB色空间中的一个点,为了表述任意两种颜色在色空间的相对位置,引入了饱和度C*ab和色调角hab。

CIEL*a*b*(CIELAB)色空间方程如下:

L*=116(Y/Yn) 1/3-16;

a*=500[(X/Xn)1/3-(Y/Yn)1/3];

b*=200[(Y/Yn)1/3-(Z/Zn)1/3];

C*ab= (a*2+b*2)1/2;

hab =tan-1(b*/a*) =arctan(b*/a*)

同时引入的还有色调差△H*ab,有如下公式(△H*ab)2=(△E*ab)2-(△L*)2-(△C*ab)2,经过换算后得到一个比较简单的公式:△H*ab=2(C*SC*B)1/2sin(△hab/2) 。

式中  X、Y、Z——物体的三刺激值,无单位;Xn、Yn、Zn——参比白色的三刺激值,无单位;L*——明度,无单位;a*、b*——色度坐标,无单位;C*ab——饱和度,无单位;hab——色调角,单位为度(°);△E*ab——色差值,无单位;△H*ab——色调差,无单位。

综上所述,色调角的写法是hab,取值范围为0°~360°;色调差的写法是△H*ab,单独的H*是不存在的,只有△H*ab。色调差△H*ab可以通过标准样的饱和度C*S和批次样的饱和度C*B,以及色调角差△hab快速计算出来。

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 测色仪器及其几何结构

2.1色彩色差计和分光测色计

色彩色差计是一种测量光刺激的CIE三刺激值的仪器,可直接测量颜色的色度量。此类三刺激式仪器的优点在于体积小和便于携带,它们主要在生产部门和检验部门用来测量色差。而分光测色计是一种用于测量以波长为函数的特定光学性能的仪器,它是根据光谱数据计算色度量的。精确度较高,主要用于科研部门。

在颜色测量过程中,有时会出现两种颜色在一种光源下显示相同,但在另一种光源下显示出不同的现象,这称为条件等色(也叫同色异谱)现象。对于有条件等色现象的物体,两物体颜色的光谱反射特性是不一样的。色彩色差计通常只在标准光源D65和标准光源C下作测量,这两种光源均相当于日光并具有非常相似的光谱能量分布。正因为如此,色彩色差计不能用来测量条件等色现象;而另一方面,分光测色计则装备有各种各样光源能量分布特性,因此能测量条件等色现象。分光测色计还能显示光谱反射率曲线,从而可以确切地看到这两种颜色的光谱反射率是如何不一样的,更适合于复杂的色彩分析。

举个例子,根据色彩色差计可以测试出D65光源下试样A和B各自的L*a*b*值和两者之间的色差值△E*ab,见表2。可以得出在D65光源下两者的L*a*b*值是完全一样的,△E*ab值为0。这是利用色彩色差计能得到的信息。

用分光测色计则可以得到如图4所示的可见光范围内物体的反射率曲线,可以看出两种颜色的反射率曲线有很大的不同。同时,利用分光测色计还可以得到A光源下两试样的L*a*b*值和色差值△E*ab。从表2可以看出,A光源下两种颜色差别还是挺大的。

也就是说,利用色彩色差计不能区分试样A和试样B,而分光测色计则可以。

表2 试样A和试样B的颜色参数



图4 试样A和试样B的反射率曲线

2.2几何结构

2.2.1 三种几何结构

光与材料的相互作用产生了镜面反射和漫反射、定向透射和散射透射以及光吸收,每种成分的特定组合取决于光源、材料的性能以及它们的几何关系。

1931年CIE在定义标准观察者、标准照明体时,就提出了把与法向成45°角的入射和沿着法向观察,作为测量反射率的标准几何条件。这种几何条件标记为45°/0°,该写法表示照射角度/观察角度,通常将法向定义为0°。

另一种常用的几何条件是漫射/垂直,它要用到积分球。积分球是一个直径等于或大于十几厘米的中空金属球,它的内表面涂布有高反射漫射物质,如硫酸钡或聚四氟乙烯。为测色设计的积分球,球体会有多个开孔。其中有一个观测孔,即接收器孔,它在测量孔对面,一般与法线呈8°,用于采集物体的反射光。因此这种几何条件标记为d/8°。含义是漫射照明,8°观察。

光线是可逆的,上面两种几何条件就可以衍生出0°/45°和8°/d两种几何条件。

在某一时期CIE推荐了以上4种几何条件,那时当在整个漫射角范围内旋转样品时,大多数材料具有一致的体色。今天,许多材料都具有因角变色性,它们颜色的改变是照明条件和观察几何条件的函数。含有金属片或珠光颜料的涂料就是一个典型的例子。因此,多角几何条件应运而生。多角测量是以逆定向反射(aspecular)角(与镜面反射光的夹角)来定义的。图5所示从左至右分别为0°/45°,积分球和多角度几何结构的示意图。


图5几何结构

对应上面的几何条件,发展出来的测色仪分别为45°/0°(0°/45°)测色仪,积分球分光测色计和多角度分光测色计。其中积分球分光测色计又可以区分为便携式和台式,值得一提的是,台式分光测色计可以测量透明样品的颜色参数。

2.2.2镜面光泽包含与镜面光泽排除

特别注意,只有积分球才会区分镜面光泽包含和镜面光泽排除,这是很多初学者经常容易忽略的点。在看光泽样品时,他们总是旋转样品以消除镜面反射,从而看到样品的真实颜色。因此,光泽排除的积分球。测色时除去这部分光,得到的结果与目视测量有更好的一致性。它的原理是在积分球上开一个孔,该孔放在镜面反射的方向,可根据测量需要分别将与球的内壁相同的材料或黑色光阱放在镜面开孔处,这样就可将镜面反射光包含在测量中,也可以将镜面反射光从测量中除去。缩写形式(Specular Component Included)用于表示镜面成分包含在内的积分球测量,而“SCE”(Specular Component Excluded)用于表示除去镜面成分的积分球测量。测色时最好说清楚使用的是哪种模式。

包含镜面光泽的测量方法,可以把样品表面的影响降低到最小程度,特别适合颜色质量监控和计算机配色,反映的是样品材质的颜色,与样品表面条件无关;而排除镜面光泽的测量方法,所测量的结果和肉眼观察的比较相似,考察了样品表面状态和纹理的影响。这两种模式在材料性能测试过程中被应用得很广泛。

举两个实例。第一个是关于镜面光泽包含(SCI)的应用。在汽车内外饰件氙灯老化测试标准SAE J2412和SAE J2527中,汽车内外饰件在经过光老化后,要求检验样品的变色情况。考虑到长时间的人工加速老化可能对材料结构产生破坏作用,如材料发生降解,助剂析出等变化,所以标准明确规定是采用镜面光泽包含模式进行颜色测量。

另外一个例子是关于镜面光泽排除(SCE)的应用。汽车材料的测试标准GMW 14688中,考察刮擦对材料的影响。测试方法是用直径为1mm的球形尖端在规定的负载下对样品表面进行划线测试,划出间隔2mm的不小于40mm*40mm范围的纵横交错的网格刮擦痕(如图6所示),在这个区域上用积分球分光测色计测试样品刮擦测试前后明度值△L*的变化。标准规定采用镜面光泽排除模式测量明度值的变化。可以这样理解,刮擦对材料的作用力主要是使材料发生表面状态的变化,镜面光泽排除模式正是这样应用的。


图6 网格刮擦痕示意图

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结束语

以上所举几例是在工作中碰到的比较容易混淆的问题,应用起来可以总结为以下几点:

1

CIELAB,Hunter LAB是行业内被普遍接受的两种颜色体系,是两种不同的色彩模型,色度量的表示方法也不相同,当然测试的色度数据也不同。在进行色度数据的测量时要选对正确的色度量输出才能得到正确的色度数据,举个例子,在使用分光测色计测量色度量时,要测量试样的L*、a*和b*值,就不能选择不带*号的L、a和b。

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要根据需求来选择适当的仪器进行颜色测量,色彩色差计只能得到少数几种光源下的色度量,而分光测色计则可以得到色彩的光谱指纹,可以计算得到几乎所有光源下的色度量,更加适合于研究两种色彩之间的细微差别。

3

目前应用普遍的几何结构是积分球d/8°。积分球的光泽包含模式更多的时候是用于控制产品的配方,从而进行质量控制,而光泽排除模式的优点则在于某些情况下跟人眼的感觉比较接近。但是在样品是含珠光颜料或者金属片的样品如汽车漆时,则应该选择多角度几何结构的分光测色计来进行颜色测量。

实际上,关于颜色的理论知识还远远不止这些。对于从事颜色相关工作的人,基础概念还是值得去仔细探讨和研究的。希望能为仪器测色相关方提供一定的帮助。

来源:《涂料工业》2015年第四期


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