比色法是一門顏色測量科學(xué)，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)和實驗室，以數(shù)字形式表達顏色并測量樣本之間的色差。應(yīng)用包括油漆、油墨、塑料、紡織品和服裝、食品和飲料、藥品和化妝品、顯示器以及其他反射或傳輸顏色的零件和產(chǎn)品。

隨著全球制造和加工的增長，比色法的使用和重要性也隨之增長。例如，當(dāng)一個大陸生產(chǎn)的塑料汽車裝飾必須與另一大陸生產(chǎn)的涂漆金屬飾面相匹配時，客觀而精確的顏色描述就變得絕對必要。

不幸的是，人類的顏色感知差異很大，并且受到照明、樣本大小、周圍顏色和觀察角度的影響。比色儀器提供了一組標準化條件，有助于確保一致性和可重復(fù)性。

雖然術(shù)語比色法通常用于一般意義上的顏色測量，但它與分光光度法不同，分光光度法是一種相關(guān)但不同的顏色測量方法。

在比色法中，顏色的量化基于色覺的三分量理論，該理論指出人眼擁有三種原色(紅、綠和藍)的受體，并且所有顏色都被視為這些原色的混合物。在比色法中，這些分量稱為 XYZ 坐標。色差儀基于這種顏色感知理論，采用三個光電管作為接收器，以與人眼大致相同的方式看到顏色。

另一方面，分光光度法使用更多的傳感器(在某些分光光度計中為 40 個或更多)來將反射或透射光分成其組成波長。它測量物體在可見光譜連續(xù)譜上每個波長的光譜反射率。分光光度法具有高精度，通常用于研究和顏色配方應(yīng)用。色差儀通常用于生產(chǎn)和質(zhì)量控制應(yīng)用。

色差儀的剖析

由光源、固定幾何觀察光學(xué)器件、與國際建立的標準觀察器匹配的三個光電管以及板載處理器或連接到處理器/顯示單元或計算機的電纜組成。

在操作中，色差儀的傳感器透鏡通常直接放置在待測量樣本的區(qū)域上——例如，一塊染色的布或一塊彩色塑料片。對于必須測量透射光的液體或彩色薄膜樣本，樣本被放置在儀器的透射室或特殊的樣本架中。接下來，操作員激活從樣本反射并穿過三個光電管的光源，光電管確定紅色、綠色和藍色分量并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑿陀嬎銠C。微型計算機計算 XYZ 三刺激值并捕獲數(shù)據(jù)，然后顯示或打印。

雖然三刺激值對于定義顏色很有用，但它們不允許輕松可視化顏色。因此，在國際照明委員會 (CIE) 的支持下，開發(fā)了許多數(shù)學(xué)模型和繪圖方法。這些概念化稱為色彩空間。色彩空間更緊密地表達顏色的相對屬性，例如明度/暗度、飽和度(色度)和色調(diào)。它們在測量和比較兩個樣本之間的色差時特別有用，例如在生產(chǎn)過程中必須重復(fù)再現(xiàn)的目標顏色。

圖 1.與人眼相對應(yīng)的光譜靈敏度(1931 標準觀察者的顏色匹配功能)

色調(diào)是用于顏色一般分類的術(shù)語，即可見光譜區(qū)域(380 至 700 nm)，其中光反射率最高。被感知為藍色的色調(diào)傾向于反射光譜低端的光，綠色在中間區(qū)域，紅色則朝向高端。圖 1 顯示了與人眼相對應(yīng)的光譜靈敏度。

亮度/暗度可以獨立于色調(diào)來測量。例如，檸檬的亮度可以與櫻桃的亮度進行比較。飽和度描述了感知顏色的鮮艷度/暗度，并且與亮度一樣，可以獨立于色調(diào)進行測量。用于定義和以數(shù)學(xué)方式表達這些屬性的最廣泛使用的色彩空間之一是 CIE 的 Yxy 色彩空間，該空間于 1931 年建立;1976 L*a*b* 色彩空間;和 L*C*h 色彩空間。其他色彩空間，如CIELUV;Hunter Lab，由 Richard S. Hunter 開發(fā);和孟塞爾顏色表示法系統(tǒng)也正在使用。

圖 2. 1931 年 X、Y 色度圖

隨著時間的推移，色彩空間表示已經(jīng)得到完善，以更接近地對應(yīng)于通過持續(xù)實驗和統(tǒng)計平均所定義的人眼的色差感知。

XYZ 值和 Yxy 顏色空間

早期的顏色空間表示形式之一是 CIE 1931 X,Y 色度圖(圖 2)。該圖用于顏色的二維繪圖，與亮度無關(guān)。X和Y是根據(jù)三刺激值XYZ計算的色度坐標。在此圖中，無彩色朝向中心，色度朝向邊緣增加。色度坐標為 X = 0.4832 且 Y = 0.3045 的比色測量紅蘋果可以位于該顏色空間中的位置 A(藍色圓圈)。

L*a*b* 色彩空間也稱為 CIELAB，于 1976 年頒布，旨在針對原始 Yxy 色彩空間的問題之一進行調(diào)整。X、Y 色度圖上的相等距離并不對應(yīng)于相等的感知色差。在L*a*b*圖中，球形彩色實體，L*表示明度，a*和b*是色品坐標。這里a*和b*表示顏色方向(+a*是紅色方向，-a*是綠色方向)。

圖 3.a *、b* 色度圖

L*C*h 顏色空間使用與 L*a*b* 顏色空間相同的圖表，但采用柱坐標而不是直角坐標。L*與L*a*b*圖的L*相同。C*是色度，h是色調(diào)角。對于無彩色，C*的值在中心處為0并且根據(jù)距中心的距離而增加。色相角定義為從 +a* 軸開始，并以色度軸逆時針旋轉(zhuǎn)時的度數(shù)表示。

色差儀的測量輸出以測量樣本的 XYZ 值以及其他可接受的統(tǒng)一色彩空間的單位表示。通過將目標顏色的測量值與樣本進行比較，用戶不僅可以獲得顏色的數(shù)字描述，還可以表達兩個測量樣本之間色差的性質(zhì)。色差儀可精確定位目標和樣品之間的亮度、色度和色調(diào)差異。

圖 4.便攜式色差儀允許在生產(chǎn)現(xiàn)場或遠程位置進行測量

然后，可以將在一個位置進行的、以給定色彩空間的單位表示的顏色測量值與在另一位置或另一時間進行的測量值進行比較，并以國際公認的語言進行交流。通過這種方式，比色測量消除了顏色感知和色差判斷中的主觀性。

當(dāng)今的色差儀情況

有多種三色色差儀可用于生產(chǎn)顏色采樣、檢查和顏色質(zhì)量控制。許多是便攜式、電池供電的設(shè)備，可以在生產(chǎn)車間或遠程位置進行客觀的色彩測量。它們具有適合特定應(yīng)用的一系列孔徑和照明/觀察幾何形狀、各種級別的數(shù)據(jù)處理能力以及眾多配件。

類似顯微鏡配置的色差儀用于精確測量小物體，例如藥丸和藥物試劑。非接觸式色差儀可對生產(chǎn)線上的紡織品、紙張和涂層卷材進行在線顏色測量。小型掌上儀器甚至專為非常特殊的應(yīng)用而設(shè)計，例如烘焙、油炸和加工食品的對比度測量。

通過密切監(jiān)控生產(chǎn)和加工操作中顏色的一致性，商業(yè)和工業(yè)顯著降低了浪費和產(chǎn)品廢品的成本，同時提高了操作效率和生產(chǎn)率。