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测色仪器在不同样品光泽条件下的应用

发布时间:2015-11-05      点击次数:789

        物体表面的颜色受到其表面光泽的显著影响,尤其是在印刷、涂料、油漆和有色塑料等行业中,由于高光泽表面可以给人更加强烈的色彩感,所以在这些行业中普遍应用高光泽表面。尤其对于暗色或高饱和度颜色物体表面,物体表面颜色受到光泽变化带来的影响更明显。对表面颜色的测量和质控,通常是采用颜色测量仪器对颜色进行测量。现在通用的颜色测量仪器,多采用CIE(照明委员会)推荐的测量几何条件进行设计。由于人眼观察颜色时可以灵活更换观察角度,而颜色测量仪器的测量结构相对固定,导致对物体表面颜色进行测量时测色仪器和人眼很多情况下会得出不同的判别结果。
        CIE推荐的几何条件中,每一种都有其特殊的特点和应用环境,在对颜色进行测量时需要根据实际情况进行选择。文章通从理论上分析了物体表面的显色机理,着重介绍了光泽的成因以及其对颜色判别的影响。对目前通用的测色仪器测量结构应用范围进行了分析,对不同光泽条件下的颜色测量提出了建议。

1 光泽的概念
        当一束光以一定的角度入射到材料表面,一部分光在物体材料表面发生了反射,有一部分光入射至材料表面内部。发生反射的这部分光会让观察者觉得表面光亮,这种表面效果就是表面光泽。如图1所示,一束光强为I的光入射至一层表面平整的透明薄膜上,一小部分光发生了反射,如图1中S所示,其它大部分光入射至薄膜内部。由于反射定律,反射光线与表面法线所成的角度r1与入射角度i相同。由于空气和薄膜折射率的差异,导致入射光的传播方向发生改变。图1中光线方向和强度大小可以根据折射定律和具体的折射率值来确定。

        光反射和入射是发生在光滑表面的,当材料表面不光滑时,反射光并不全部遵循镜面反射定律。图2归纳了几种典型的反射光分布情况:镜面反射(图2(a))、漫反射(图2(b))、和方向反射(图2(c)、(d))。实际上多数自然表面都是粗糙表面,而对于表面有一定光泽的被测样品,如图2(c)(d)所示,表面发生的反射实际上应属于介于镜面反射和漫反射之间的方向反射。只不过镜面反射和方向反射的比例不同,所以体现出了不同的光泽情况,也影响到了人眼对颜色的评价。在汽车表面喷涂的应用中zui为典型,一般汽车表面都应用了高光泽的涂层处理,对于汽车表面进行清洁并打蜡处理后,如图3(a)所示,人眼在沿着入射光的镜面反射方向,即B方向对涂层表面进行观察时,感受到的是镜面反射光,会觉得表面有很强的光泽感;如果更改观察角度,不正对光源的镜面反射方向从A方向进行观察时,几乎观察不到反射光线,只观察到涂料层反射的光线,觉得车身漆面颜色很鲜艳,即饱和度很高,这时人眼观察到的光线中,几乎没有光源光谱成分。而在车身表面经过一段时间之后,打蜡的效果减弱,漆面变得不太平整之后,光入射到车身表面,反射光有很强的漫反射成分,如图3(b)所示。虽然车身漆面涂料颜色并没有变化,人眼不正对光源的镜面反射方向,比如图3(b)中的A方向对其进行观察时,会觉得车身漆面颜色不是很鲜艳,饱和度降低,这种情况就是因为进入人眼的光线混进了反射光线,“冲淡"了本来比较鲜艳的车身漆面颜色。

2 理论分析
        首先建立物理模型:构建一个测试样品,用涂料涂覆在基底材料表面,遮盖住基底材料的本色。当一束光强为I的平行光入射至样品表面时,在空气和样品的交界处处发了反射和入射,可以用式1描述。
          (1)
在这里为表面反射光,为入射至涂料内部的光线。和的比例关系,可以按照Fresnel公式进行计算,只和涂料的折射率相关,与其它因素不相关。但是,在人眼对材料表面的观察过程中,好像表面越光滑的材料,反射光越强。实际上,表面越光滑,代表材料表面的微结构越细致、越平整。当光线以一定角度入射至材料表面时,表面越光滑,则有更多的光线遵循镜面反射定律,在相应的方向进行观察,就会觉得反射光线越强。实际上,对于任意的材料表面,都发生了镜面反射和漫反射。而镜面反射和漫反射光线总的光通量是一定的,可以用式(2)来表示,两者的和等于式(1)中的。所以,材料表面结构的光泽度变化,改变的只是反射光的空间分布,并没有改变前表面反射光的总量。
          (2)
为反射光强度,为漫射光强度。
对于入射至涂料内部的光,在涂料内部发生了透射和散射,如图4所示。由于涂料本身相对均一,所以主要发生透射,而散射主要发生在涂料和基底的交界面。在透射和散射过程中,由于材料本身对不同光谱的光吸收的差异性,导致了对入射光不同波长产生了吸收。该部分光通过基底的反射,zui终被人眼或探测器接收,这部分光是真正携带材料光谱信息的,称之为涂料层反射。

        综上所述,人眼或传感器所接收到的光线,不仅包括一部分反射光,也包括一部分携带材料光谱信息后的光线,可以用式3表示。
          (3)
式中,为人眼或传感器接收的光信号,与材料表面反射光谱和材料表面光泽相关。为涂料层反射光线,是与材料表面反射光谱相关的。为由于表面光泽导致接收到的表面反射光信号,只与光源光谱相关。在观察颜色和用仪器测量颜色时,测量和观察的结果取决于表面反射光中哪一部分,有多少进入了观察范围或测量角度。在这里我们可以理解为表面反射光对颜色测量有“冲淡"的影响,当进入传感器观察角度的光中表面反射光比例越大时,被测样品的颜色被“冲淡"的程度就越大,从测量结果上看色饱和度就越小。

3 颜色测量仪器的几何结构
        CIE推荐了几种颜色测量仪器的几何结构,应用较多的有D/0-SCI,D/0-SCE, 45/0或0/45。具体的结构如图5所示。

D/0几何条件包含反射光测量结构
        具体的测量结构如图6所示。在这种测量条件下,光源发出的光首先入射到积分球内壁上,通过积分球对样品进行漫射照明,观察角度接近垂直于材料表面方向。在通常的仪器设计中,通常选择8°作为观察角度,这样做的原因是观察口径通常设置了透镜等光学器件,会反射一部分入射光线。而根据Fresnel公式,镜面反射光在8°和0°位置的光强是非常接近的,不会对测量结果产生太大的影响。在D/0-SCI结构中,进入观察角度的光强,包括一部分在材料表面发生的镜面反射光。当被测材料是高光泽镜面时,测量孔径相对表面法线对称方向的积分球壁发出的光线经过被测物体表面的镜面反射之后,镜面反射光会进入测量孔径。

        图6比较了在D/0-SCI几何条件下测量高光泽表面和粗糙表面的情况。这两种表面假设其材料本身颜色相同,只是表面光泽有区别。 入射至物体表面的光线来自积分球球壁,从各个方向入射。当材料表面是高光泽面时,如图6(a)所示,一部分镜面反射光会直接入射至观察孔径;当材料表面是粗糙面时,如图6(b)所示,进入观察孔径的全部是漫反射光。但是,无论是那种情况,因为在材料表面发生的入射和反射的光的比例和总量没有变化,由于积分球的均匀化作用,两种情况下测量到的结果没有区别。

D/0几何条件去除反射光测量结构(D/0-SCE)
        D/0-SCE结构如图所示。这种结构在D/0-SCI上进行了更改,在积分球球壁上和观察孔径对称的方向开孔,放置光泽陷阱。在D/8-SCE结构中,光阱放置在-8°位置。当光线入射至光阱位置时,被光阱吸收。图7(a)为D/0-SCE结构在测量高光泽表面时的具体情况。由于光阱的作用,镜面反射光不能进入观察孔径。在这种情况下,进入观察孔径的只是涂层反射光。图7(b)为在粗糙表面测量的情况,这种情况下进入观察孔径的光线包括了表面漫反射光和所以,D/0-SCE结构在测量本身颜色相同,只是表面光泽有区别的高光泽表面和粗糙表面是会产生差别。由于在测量粗糙表面时,混入了材料表面反射光,所以会“冲淡"所测得的材料颜色,使人感觉颜色不那么鲜艳,饱和度降低。D/0-SCE几何条件的提出是为了在D/0测量中更好与人眼评价结果保持一致,但是并不是在所有测量中都能达到这个目的。另外,由于CIE没有对光阱尺寸做出明确的规定,不同仪器设计中由于光阱尺寸和位置的偏差,也会导致测量结果的差别。

0/45和45/0测量结构
        0/45测量结构中,光源以垂直方向对被测材料表面进行照明,以和表面法线成45°方向进行探测。45/0测量结构中光源以表面法线成45°方向对被测材料表面进行照明,以和
表面垂直方向进行探测。由于被测样品表面可能存在不同的纹理,所以在45/0几何结构的仪器设计中,通常采用环形照明,从各个方向以45°对材料进行照明。如图8所示,45/0几何结构在测量高光泽材料表面时,几乎去除了所有的表面反射光,进入观察口径的只是涂料层反射光;在测量粗糙表面时,进入观察口径的有一部分表面漫反射光和涂料层反射光,但是通常表面漫反射光所占的比例小于D/0-SCE几何条件。由于人眼在观察样品表面颜色时,习惯于避开光源的镜面反射光,从其它角度进行观察。0/45和45/0几何结构更符合这种观测条件,所以可以得到和目视检测更加一致的判别结果。但是,0/45和45/0几何并不适用于所有的颜色检测,尤其不适用于计算机配色系统。在测量粗糙表面的颜色时,0/45和45/0几何条件下的测量结果完整的体现出生产工艺和配方给材料带来的整体效果。所以在实际应用中,几乎所有的计算机配色系统中,均选择了D/0-SCI对目标色和颜色配方进行检验。

        D/8-SCI结构用积分球收集了所有反射光线,因为表面反射光的总量是不变的,光泽只改变了表面反射光的空间分布,所以在这种测量结构下测量结果并不受样品表面光泽的影响。D/8-SCE通常使用光阱去除了进入传感器观察角的镜面反射光,这种结构虽然也用积分球收集反射光,但是由于光阱的存在去除了一部分镜面反射光。在这种测量结构下测量结果会受到一定的样品表面光泽的影响。45/0测量结构仪器几乎排除了所有的镜面反射光,但是测量结果受到表面漫反射光的影响,尤其是在测量低光泽物体表面时,这种影响会非常显著。表1列出了不同几何结构的颜色测量仪器进入探测器的反射光比例。
        值得注意的是,虽然各个不同的仪器生产厂商生产的颜色测量仪器可能都选择同一个测量几何结构。但是,即使在同一个测量几何条件下,由于仪器的设计不同,其测试结果也会有很大差异。尤其是在测量样品和测量条件不匹配的情况下,差异更加明显。比如,用D/0-SCI或D/0-SCE结构的仪器对高光泽样品进行测量时,光泽会导致不同厂家的仪器有显著的区别。图9所示为两台不同厂家生产的颜色测量仪器测量同一高光泽样品结果比较。

特殊高光泽面的测量
        正如前文所述,对于高光泽面的颜色测量,推荐采用45/0的几何结构。但是,不同厂商实现的45/0几何结构也有很大不同,对于一些特殊材料表面的测量结构同样会产生很大的差异。例如,对于镭射工艺纸张的测量,镭射膜材质主要有BOPPPETPVC等;做成镭射纸主要有三种途径:直接把镭射膜跟纸张复合,做成镭射纸;通过转移法将镭射图案转移到纸上面;一种镭射纸,可以直接把镭射图案压印在纸上面,这种镭射纸一般造价比较昂贵。镭射膜在入射光方向固定的情况下,观察者延不同的方向进行观察会观察到不同的颜色。所以,为了使两台仪器对镭射材料的测量结果相同,必须要保证两台仪器在测量时,入射到材料表面的光线空间分布完全一致。实际上,即使这两台仪器是同一家生产商生产的,也会由于光源灯丝的形状区别,装配精度区别,机械结构误差等原因导致入射至材料表面的光线空间分布有一定区别,导致测量结果出现一定的偏差。如果两台仪器的测试几何结构尺寸不同,则会导致更大的测量偏差。图10显示了用两台不同仪器生产商的测色仪器对相同的测试样品检测结果。所以,在对镭射纸表面进行检测时,建议采用同一台仪器进行颜色差异的判断,并不建议用不同生产商甚至同一生产商的仪器进行量值传递。另外,由于镭射纸从不同方向进行观察的颜色也有不同,建议采用漫射照明几何结构的仪器进行检测。

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