不同分光测色仪器精度与稳定性的对比与分析

谢宛姿，杨志晖，张靖晶，惠志奎，张家耀

(中原工学院纺织学院，河南郑州 450000)

1 纺织品颜色测量发展与分类

随着工业化的不断发展，颜色评价已经成为纺织印染行业、涂料行业、造纸行业等诸多行业评定产品质量的重要指标之一。同时，颜色的精准测量也是实现计算机精准配色的重要基础。因此，颜色评价与测量工作极其重要。

目前颜色测量方法主要分为主观评价方法和客观评价方法两类。1960年前主要以人眼目视的主观评价为主。这种方法是一种较为传统、简单的颜色测量方法，但是易受光源、样品大小、观察者生理以及心理等因素的影响，正逐步被客观评价方法所取代。

客观评价方法是用客观仪器对纺织品颜色的测量代替人眼主观评价以满足人们对颜色质量控制的要求，这也是颜色工作者一直追求的目标。物体、光源以及视觉系统是看到一个物体颜色三个必要条件。因为对光选择吸收性的差异，使物体显示不同的颜色[1]。不同颜色的物体，它吸收和反射的光是不同的，例如，一个物体显示黄色，是因为它吸收了400nm～420nm的蓝紫色光。而光就是一种电磁波，是可以“捕捉”到的，因此可以用反射光和入射光的比值(反射率)定义物体的颜色。测色仪器就是模拟光源以及视觉系统，“捕捉”被测物体的反射率，从而实现颜色的测量。

客观仪器测量方法主要分为接触式颜色测量和非接触式颜色测量方法。接触式颜色测量仪器主要包括1960年～1970年出现的以光电积分法为原理和1970年后以分光光度法为原理的颜色测量仪器，而非接触式颜色测量主要是2003年后出现的以数码测色法为原理的颜色测量仪器[2]。接触式颜色测量仪器与非接触式颜色测量仪器的区别在于待测样品是否与测试仪器紧密接触。目前，国内外颜色测量仪器品牌众多，测量精度、算法各具特点，使得不同仪器测试出的颜色在数字化传递过程中存在一定问题。

光电积分法的原理是将探测器的光谱匹配成CIE标准色度观察者光谱三刺激值曲线，或某一特定的光谱响应曲线，进而获得光谱功率[3]。该方法测量速度快且此种测试仪器价格相对便宜，但测试物体色的三刺激值以及色度坐标的绝对精度相对弱一些[4]，可用于日常对精度要求不高、大批量样品的颜色测量，它的典型应用为色差计。而对于计算机配色等相关算法的研究就可能出现一定的偏差。工作流程图如下页图1所示。

图1 光电积分是测色系统工作流程图

分光光度法定量分析的基础是朗伯—比尔(Lam-bert-Beer)定律，即溶液的吸光度与溶液的浓度及液层厚度的乘积成正比[5]。它的测色原理是首先对光源的光谱功率分布和物体的光谱反射率进行测定，然后计算颜色的三刺激值，最后再由三刺激值计算出所需的各种颜色参数[6]。此种仪器的主要由光源、单色器、积分球、光电检测器和数据处理等几个部分组成。

非接触式测色仪器主要应用于不规则物品的测色[7](如艺术品、牙齿等)、纺织品纱线、地毯等使用传统方法无法进行测量的细小样品的颜色测量等[8]。该方法以数码拍照的方式在纺织品的颜色测量时可以综合考虑织物的组织结构、光泽、质地等多种因素。此方法是对接触式颜色测量方法的补充，由于该方法原理的限制，无法准确给出被测物的不同波长下的反射率。

本文在前期研究的基础上[9]，使用不同色差公式，对测量精度较高的、可以给出不同反射率曲线的三种不同颜色测量仪器的精度与稳定性进行对比分析，以期为颜色信息的传递、计算机配色以及颜色相关科学理论工作奠定基础。

2 实验

2.1 实验样品与条件

不同分光测色仪器的基本性能参数以及稳定能性在设计、生产时都有具体规定。本实验是在前期对比分析Datacolor、Cary5000、X-Rite分光测色仪的研究基础上，选用仪器校准用白板、绿板以及涤纶染色织物作为样品，分别用不同测色仪器测试，以期找到台式分光测色仪与便携式分光测色仪的稳定性的差异，具体内容如下：

2.1.1 实验样品

(1)X-Rite标准白板、X-Rite标准绿板；

(2)“汉风色典”色卡中的20个不同颜色深度的中性灰涤纶染色织物，该色卡是由中国纺织中心邀请从事染整研究工作二十多年的许云鹏先生共同研发的。

(3)自制红、黄、蓝纯涤纶染色样品，其染色工艺曲线如下[9]：

图2 涤纶染色工艺曲线

2.1.2 测量仪器

(1)X-Rite Color i7分光光度测色仪；

(2)X-Rite Ci64UV便携式分光测色仪；

(3) 彩谱CS-650B便携式分光测色仪。

2.1.3 测试条件

(1)D65光源、d/8;

(2)大致统一孔径：6mm(部分样品面积较小，为了统一测试条件故采用6mm测试孔径);

(3)测试环境：室温。

2.1.4 测试方法

为了保证实验的一致性与精准性，确保每种仪器测试都在相同位置点。测量时，样品每次旋转90°测试。同一位置测量20次，每次间隔1min。

2.2 三种测色仪器参数对比

X-RiteCi64UV便携式分光测色仪和彩谱CS-650B便携式分光测色仪都属于手持分光测色仪，体积小易于携带，使用简便，测试样品方便快捷，且X-Rite Ci64UV便携式分光测色仪采用复色光照明系统，可直接测试带荧光的样品。这三种仪器具体基本参数对比见下页表1。

表1 三种测色仪器基本参数对比

3 计算结果讨论与分析

3.1 三种测色仪器之间测色误差计算分析

三种仪器均可以给出被测样品的反射率和色度参数，如果用它们进行对比与分析，数据较多且杂乱，本实验为避免不同仪器厂家采用算法不同所导致的差异，在前期研究的基础上，采用360mm～780nm区间的反射率，根据ASTM Table-6算法中推荐的D65光源、CIE10°标准观察者光谱三刺激值[10]，使用Matlab软件编程计算被测样品的三刺激值，并以X-Rite Color i7测试结果为标准样，以其他仪器测试结果为批次样，计算CIELAB色差、CMC色差和CIE2000色差，其中，因为CMC(1:1)色差适用与涂料与塑料等行业，而纺织品通常采用CMC(2:1)色差，所以计算标准白板和标准绿板时用的是CMC(1:1)色差，计算涤纶布时用的是CMC(2:1)色差，从而分析比较不同仪器测试结果的差异。

表2 三种测色仪器之间的色差

X-Rite Colori7与X-Rite Ci64UV的CIELAB、CMC和CIE2000色差都小于X-Rite Color i7与彩谱CS-650B的，很可能是因为X-Rite Color i7与X-Rite Ci64UV是同一家公式生产的，产品性能参数比较接近。国际上认为，正常情况下当CMC色差小于0.2时，人眼无法区分颜色的变化，0.3～0.6之间表示两者有一点差异[11]，而这里CMC色差值均大于0.2，所以不同型号测色仪器之间的匹配程度还是很弱的，不同测色仪器不能混用，且仪器自身稳定性都在变化，更何况两种不同的测色仪器。

3.2 三种仪器测色稳定性能分析

众所周知，仪器稳定性是指仪器在使用过程中计量的特性随时间不变化的能力。对与颜色测量工作，一般会在短时间内测量大量样品，如果测色仪器稳定性较差，那么会对测量结果造成很大的影响。为了避免纺织品染色不匀造成的误差，本次实验以X-Rite Color i7分光测色仪校准用的标准白板和标准绿板为试样，分别计算时间间隔1min、5min、10min、15min和20min的CIELAB、CMC(1:1)和CIE2000色差。

图3 X-Rite Color i7白板CIELAB色差

图5 X-Rite Color i7白板CIE2000色差

图6 X-Rite Color i7绿板CIELAB色差

图7 X-Rite Color i7绿板CMC(1:1)色差

三种测色仪器测试时选取的统一大小孔径，同一光源，采用同样的测试样品和时间间隔，从图中可以看出，三种测色仪器不同时间测试结果均有一定的差异。其中对与标准白板，彩谱CS-650B的色差值最大，其稳定性最差。标准绿板为试样时，X-Rite Ci64UV的稳定性最差。而X-Rite Color i7测试的不同时段的标准白板和标准绿板的色差值都基本较小，所以它的稳定性能是最好。因此可以认为，虽然CS-650B和X-Rite Ci64UV便携式分光光度计体积小、易于携带、测色简单快捷且价格相对较便宜，但是它的稳定性劣于X-Rite Color i7分光光度计。

4 结语

颜色作为纺织品的物理性能之一，它可以提高纺织品的档次，增加附加价值。测色仪器作为测配色和颜色质量控制的便捷工具，了解其性能特点有助于颜色实验研究以及工业生产和产品销售。本文通过实验、使用不同仪器对不同样品进行测试，用Matlab编程计算分析可以得出如下结论：

(1)这三种不同的测色仪器在相同测试条件下测量同一样品，它们之间产生的色差值较大，因此在颜色测量过程中，不同测色仪器测色结果没有可比性。

(2)同为爱色丽公司生产的X-Rite Color i7台式分光测色仪与X-Rite Ci64UV手持分光测色仪在测试同一样品时，其产生的色差值虽然是最小的，但是CMC色差值大于0.2，是人眼可识别的差异，因此台式分光测色仪和手持测色仪的颜色测量结果的差异较大。

(3)同一测色仪器在相同环境下测试同一样品，不同时间点测色结果不同，其中X-Rite Color i7分光光度测色仪不同时间点测试产生的色差值较小，且色差值曲线较平缓，因此与其它三种测色仪器相比，其稳定性是最好的。

因此，为了避免产生经济损失和不必要的浪费，对与精致的、高品质的纺织品，在贸易接单、生产加工以及销售的工程中，尽量选用稳定性能好的同一型号的测试仪器进行配色和检验。