测色计的原理及应用

黄蓓

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

1 引言

质量控制在任何行业都是非常重要的，而颜色控制是工农业生产中品质保证的关键因素。

颜色，是一种有关感觉和主观解释的东西。正常视力的人可以分辨大约1000万种颜色，但却不能确切地给出颜色的量值。因为要表达一个颜色有各种各样的方法和词汇，但是要向某人描述特定的颜色是很难说得一清二楚的。为了进行色彩交流，人们希望量化色彩现象，建立色彩标准，用数字来表示颜色。

测量颜色的仪器被统称为测色计，通过测色计可以轻松地得到被测物体在不同光源及各种条件下的色度数据甚至光谱曲线，有利于进行色彩的管理、控制及研发，方便不同厂家间的色彩交流和沟通。使用仪器也可以避免人为或环境因素造成的色彩判断偏差，无论室内室外、都可以做到更准确、客观的评判色彩。

2 色彩理论知识

我们人眼之所以可以看到颜色，有3个要素必不可缺：光源、视觉和物体[1-2]。在全黑条件下，我们看不到颜色；如果我们闭上眼睛，我们就看不到物体的颜色；如果没有物体，颜色也就不存在。所以，光源、视觉和物体，三者缺其一，我们就看不到颜色。

当光源中的特定波长刺激了人眼中的视网膜时，人的眼睛就能看到物体的颜色。人眼可以看到的光区被称为可见光区，波长为380～780 nm。按照可见光的不同波长，色谱的顺序依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛蓝、紫；在波长最长的区域内的光线看起来就是红色，波长最短的区域内的光线看起来就是紫色。如图1所示。

图1 可见光区

在可见光380～780 nm之间，我们引入一个表示光的发光颜色的物理概念——色温。光源的色温是以光源发光时所显现的颜色与一个绝对黑体被高温燃烧时所显现的颜色相一致时的燃烧温度来定义的。它的单位是绝对温度Kelvin（K）。

根据色温的不同，光源可分为：D50光源、D65光源、A光源和F光源等。

国际照明委员会（简称CIE）对照明体进行了规范，并推荐用D65标准照明体进行测色，D65光代表其相关色温为6504 K的平均日光。

人眼是分辨颜色的最好仪器，这是由于人类在长期的演变和进化过程中所形成的。但由于人种不同、年龄不同在辨色功能上存在差异。为此，CIE推出了标准色度观察者，包括2°标准观察者和10°补充标准观察者。

3 色彩的属性

色彩世界由以下3个属性构成：色调、亮度和色饱和度（鲜艳度）。这三要素就构成了一个色立体，如图2所示。色调形成该立体的外缘，亮度作为中央主轴，而色饱和度作为水平副轴。

图2 色立体

色调用于色彩世界，并把颜色区分为红、黄、蓝等类别。不同的色调衔接排列，就形成了色环。

当比较各种颜色的亮度时，颜色就有明亮和深谙之分。可见，颜色亮度的测量与色调无关。从图2可以看出，亮度沿垂直方向变化。越往上去，色彩越明亮；越往下去，则越深谙。

当比较两个相似的颜色的时候，发现色有鲜艳和阴晦之别。这种差别就称之为色饱和度。从图2可以看出，色饱和度分别由中心向两侧随水平距离的增加而变化。离中心越近，色彩越阴晦；离中心越远，则越鲜艳。

为色调、亮度和饱和度建立标度，我们就能用数字来测量颜色。测色仪就是能实现这一功能的仪器。

4 测色原理

从图1可知，色谱的颜色包括有红、橙、黄、绿……。这些颜色中的红、绿、蓝色通常被看作光的三原色。这是因为人眼具有3种视网膜椎状细胞（色敏感器），它们对这三原色的波长很敏感，从而使我们看到颜色。图3表示根据CIE 1931标准观察者定义画出的，与人眼相符的光谱灵敏度曲线，这些被称为配色函数。

图3 CIE 1931标准观察者配色函数

测色计在测量时就是取代了光源和人的作用，用和人眼感知颜色的同样方法 “接收”颜色：将从某物体反射的光的主波长收集、滤光。如图4可以证实光、物件（以一个苹果为例）和观察者如何混合而形成对一朵 “红”苹果的感觉。当一台仪器是观察者的时候，它以一个定量的数值 “接收”反射的波长，这个数值是：三刺激数据（色彩色差计）或反射光谱数据（积分球式分光光度仪）[3]。

测色计按照其测量原理来分，可分为三刺激值型和分光型，测量过程如图4所示。

在图4可以看到人感觉颜色的原理以及色彩色差计感受颜色的原理，两者基本是类似的。利用3个经过过滤的敏感器使其具有与人眼相同的X（λ）、Y（λ）、Z（λ）灵敏度来测量物体的反射光，从而直接测量三刺激值X、Y和Z，这种方法被称之为三色刺激法，用这种方法设计出来的色彩色差计，以与人眼如何感觉光相等同的方法来测量光。

图4 测色计测量过程

另外一种测色方法被称为分光光谱分析法。使用这种方法的测色仪器用来测量光的光谱特性，然后根据CIE标准观察函数的方程式来计算三刺激值。分光光谱分析法利用复合敏感器（在CM-2600d中有40个）来测量物体在每一个波长或每一个载波长范围内的光谱反射比，于是该仪器的微计算机根据光谱反射比数据通过积分来计算三刺激值。利用分光光谱分析法的仪器，除了以各种色空间来显示数字数据之外，还可以直接显示光谱数据，提供有关该物体的、更为详细的信息。

在实际工作中，利用测色计给出的测色数据进行颜色控制及调色，控制产品的颜色质量，保证颜色的一致性，确保产品颜色达到各行业要求的颜色标准以满足用户对颜色的要求。

在用户拿到一个标准样品的时候，需要重复打样，从而再现和样品相同的颜色，以便产品的颜色能与样品的颜色控制在一定的范围之内，即希望产品的颜色更接近样品的颜色。此时可用测色计来测量小样和标准样品的色空间差值，并根据差值来确定样品的色差是否符合范围，以及进行调色。调色可利用测色计的CIE 1976 L*a*b*色空间或HunterLab色空间来解决。在CIE 1976 L*a*b*色空间中，明度指数L*代表亮度轴，表示黑白，0为黑色，100为白色，0-100之间为灰色；色品指数a*代表红绿轴，正值为红色，负值为绿色。色品指数b*代表黄蓝轴，正值为黄色，负值为蓝色。此时，小样与标准样品的L*a*b*之 差 ，用 ΔL*Δa*Δb*表示，ΔE*表示总色差。ΔL*为正，说明小样比标样颜色浅；为负，说明小样比标样颜色深。Δa*为正，说明小样比标样红（或少绿）；为负，说明小样比标样绿（或少红）。Δb*为正，说明小样比标样黄（或少蓝）；为负，说明小样比标样蓝（或少黄）。根据这些ΔL*Δa*Δb*值，配色人员可适当地增减灰色料，红绿色料，或黄蓝色料。

在颜色测量过程中，有时会出现两中颜色在一种光源下显示相同，但在另一种光源下显出不同的现象，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，从而出现在某一种光源照射下产生的三刺激值是一样的，而在另一种光源照射下却互显差异。此时选用正确类型的测色计就显得尤为重要。这是因为三刺激值测色计通常只在标准光源

5 测色计的应用

C和标准光源D65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，三刺激值测色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的光谱能量分布特性，因此能测量条件等色现象。此外，分光测色计还能显示光谱反射比曲线，从而可以确切地看到这两种颜色的光谱反射比是如何不一样的，更适用与复杂的色彩分析。

鉴于两种测色计的不同特点，三刺激值测色计主要用于生产线及产品检查中的色差测量；而分光测色计通常用于实验室和产品开发研究中的高精度色差分析和管理。

6 结束语

基于测色计在颜色测量发面的卓越表现，测色计被广泛应用于塑料、涂料、染料、纺织、印刷、建材、化工、冶金、医药、食品、电影电视、家用电器、教育、图书、文物管理等行业。

参考资料：

[1]国防科工委科技与质量司编辑委员会.光学计量（上册[M].北京：原子能出版社，2002.

[2]郝允祥，陈避举，张宝洲.光度学[M].北京：北京师范大学出版社，1998.

[3]朱小清，詹云翔.光度测试技术及仪器[M].北京：中国计量出版社，1992.