颜色光谱测量解决方案

颜色是大脑对于射入人眼的光的主观感受。一般人眼可感知的波段为380~780nm。颜色可以简略分为反射颜色，透射颜色，光源色和结构色，前三种最为常见。待测物的反射/透射颜色取决于待测物的光谱反射率/透射率，参考光源和观察条件。光源色取决于光源光谱。结构色与物体表面特殊的衍射结构有关。

传统的测色方法直接用人眼观察，方法简单灵活，但是结果依赖于观测人员的经验和心理、生理等主观因素的影响，也依赖于观察条件，结果使得测量结果的准确性和公正性经常受到质疑，目前已经被光谱测色技术取代。

一、测量原理

 反射-物体色光谱测量

⾃然界中的所有颜色分⿊⽩和彩⾊两个系列，⿊灰⽩以外的所有颜色均为彩色系列，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，其波长范围在380-780µm。彩色有三个特性，即明度（也称亮度纯度）、色调（也称主波长或补⾊主波长），色纯度（也称饱和度）。物体的颜色可以由CIE1976（L*a*b*）颜色空间来表述。L*代表颜色的亮度，正a*值代表红色，负a*值代表绿色，与此相似，正b*值代表黄色，负b*值代表蓝色。L*a*b*值可由样品（物体）的CIE三刺激值X，Y，Z和标准光源的三刺激值Xn，Yn，Zn推导得到，物体颜色的CIE三刺激值X，Y，Z是把标准光源的相对功率P、物体的反射率R（或透射率T）和CIE标准观测函数X(λ)， Y(λ)， Z(λ)（2度或10度角）相乘得到。把所得到的值在可见光范围内对波长进行积分就可得到三刺激值。标准光源的三刺激值Xn，Yn，Zn为常量，仅取决于所选择的标准光源的类型。专业的颜色测量软件，测量得到的L*a*b*值和参考色，就可以得到色差

光谱测色是利用光谱仪获取光源发射或物体透反射的可见光波段的光谱进行分析。根据色度学理论，任何颜色可用三个对人眼的颜色三刺激值来表示，因此获得颜色三刺激值正是测色仪器的测量目的。颜色三刺激值可以通过颜色刺激函数分别乘以CIE光谱三刺激值，并在整个可见光谱范围内分别对这些乘积进行积分。计算公式如下：

其中，φ(λ) 为色刺激函数，由光源辐射特性或物体的透反射特性决定；X(λ)， Y(λ)， Z(λ)为标准观察者的光谱三刺激值；k为归一化系数。X，Y 和Z则是颜色三刺激值，它们虽然从数量上对颜色进行了定量的描述。

 辐射-光源色光谱测量

辐射光能量可以量化为辐射通量，即一种表征从光源发出的每秒辐射能量（W）的度量标准。辐射测量一般要通过已知光谱能量分布的标准光源，对光谱仪系统进行绝对辐射标定，才能通过量化参数进行辐射测量。辐射能量与人眼视觉相关联（光度学），就可以得到按照CIE中所定义的表征观测者平均视觉的光谱发光效率函数。因此辐射测量定义辐射度学参数、光度学参数、色度学参数。辐射度学参数主要以辐照度μW/cm²、辐亮度µWatt/sr、辐射通量µWatt以及光子数µMol/s/m²，µMol/m²，µMol/s和µMol，光度学参数流明Lumens、光照度Lux、光强度Candela，色度学参数X，Y，Z，x，y，z，u，v，色温、CRI显色指数等。 

辐射颜色测量是光谱仪的一个重要应用，利用辐射颜色测量可对LED进行分选（分选的标准：功能好差、颜色亮度标准等等），来保证产品的一致性和质量稳定性。还可以使用辐射对屏幕的显色进行校准，判定其是否在标准范围。辐射颜色测量在园艺方面也具有很大用处，因为LED是植物研究和温室光源的主要部分；另外在生物医药应用方面，比如与NASA合作的项目，使用LED激发细胞生长。

二、照明和观察条件

n 漫反射、镜面反射和逆反射

漫反射：指当入射光投射到物体表面后，光线向各个方向以等能量反射。

镜面反射：又叫规则反射、定向反射。指如果反射光线在某一方向强烈，常常出现刺眼现象。

逆反射：又叫回射。指与入射光线入射线路正好相反的反射光线。

表面结构对色度测量的影响：理想毛面、光泽表面、金属表面等。

n 定向投射和漫透射

定向透射：指当入射光投射到透明物体表面后，光线穿过物体继续沿原来方向出射。

漫透射：指从透射物体出射的透射光线在各个方向强度相等。

不同透射性质的材料：滤色片、照相透明片基、玻璃、毛面薄膜、磨砂玻璃

                                       定向透射                                                             漫透射

n CIE标准颜色测量几何

1、测量几何（双向几何避开了镜面反射，使测量与视觉观察一致）

45°/0°：即以45°照射物体表面，在0°（垂直）方向观测和采集光线。

0°/45°：即以0°（垂直）照射物体表面，在45°方向观测和采集光线。

0°/0°：垂直照明，透射方向测量，包含了漫透射和规则透射。

d/0°：即以漫射光照射物体表面，在0°（垂直）方向观测和采集光线。

0°/d：即以0°（垂直）照射物体表面，在漫射光观测和采集光线。

                  垂直照明                      漫反射白板规则透射                     黑色陷阱漫透射                     漫反射白板总透射

2、积分球

漫射照明与测量中用到的积分球是一个直径为十几厘米的空心金属球，内表面涂有高度漫反射物质，如硫酸钡、聚四氟乙烯。开孔的总面积小于球内表面的10%。可以测得样品的全部反射，包括漫反射和镜面反射（部分）。

三、颜色测量方法

颜色测量包括光源色测量与物体色测量两大类。物体色测量又分为荧光物体测量和非荧光物体测量。在实际生产和日常生活中，涉及到大量的非荧光物体测色颜色测量的方法分为目视测色和仪器测色两大类。其中，仪器测色又包括密度法、光电积分法和分光光度法。光源色测量同样的可以划分为目视测色和仪器测色两大类，其中的仪器测色主要有分光测色法和光电积分测色法两类。

CIE1976（L*a*b*）颜色空间

 CIE标准色度系统的建立，为客观地测量物体以及光源的颜色奠定了基础。无论物体色还是光源色，都可以通过测量它们在CIE标准色度系统下的三刺激值来确定颜色颜色。

测量的根本任务是测定色刺激函数φ(λ)，对于光源的测量，实际上是要测定光源的相对光谱功率分布P(λ)；对于物体色的测量，则是测定物体的光谱光度特性，如反射物体的光谱辐亮度因数β(λ)和光谱反射比P(λ)、透射物体的光谱透射比τ(λ)等。在测得了色刺激函数φ(λ)之后，就可以根据色度学的三个基本方程求出被测颜色的CIE三刺激值X、Y、Z，将所选择的标准照明体的Y值调整到100。

 1、目视法

 目视法是一种传统的颜色测量方法。它是一种完全主观评价方法，同时也是最简单的一种方法。它将印刷品与标准样张直接进行人为比对，评价印刷品与标准样张呈色差异，同时还借助放大镜来细微地观察各色网点的形状和叠印状况，对网点的调值作定性评估。其实质是一种目视光度测定法，原理是利用加色混合定律，将各个分量的未知色加在一起，以描述所得的未知色。虽然对于色彩评价来说最可靠的方式是借助人眼，而且简单灵活，但是由于观测人员的经验和心理、生理因素的影响，使得该方法可变因素太多，并且无法进行定量描述，从而影响到评估的准确性和可靠性。

2、密度检测法

密度测量实际上并不直接测量密度值，只是测量反射光量和入射光量的大小，其中假设了反射光和密度计提供的光之间的差别是光的吸收量，即印刷表面油墨层的吸收光量大小。密度测量考虑的是整个反射光谱的总体光量特性，实质上是评价印刷表面各色的亮度因数，而与色调无关。在彩色印刷中，印刷油墨呈色实际上就是，油墨印在反射率较高的白纸上，从照射其上的光线中选择性地吸收了一部分波长的光，而反射剩余的光，此时密度反映了油墨对光波的吸收特性。

彩色密度仪的基本构成

习惯上所指的“彩色密度”是指测量时，通过红、绿、蓝三种滤色片分别来测量黄、品、青油墨的密度。密度只是物理吸收特性的度量，只表示黑或灰的程度。从这个意义上说彩色密度测量也只是黑度的测量，是同一种油墨饱和度的相对值的反映。密度测量法中使用的密度计有透射和反射两种，透射密度计测量透过胶片的光量或透过率，反射密度计测量从测试表面反射的光量或反射率。由于印刷品上油墨膜层由湿到干过程中反射光的强弱是不一样的，故测定密度有一定误差，而加有偏振滤光镜的密度计可以克服墨膜的干湿造成的密度变化。彩色反射密度计已经成为印刷车间不可或缺的工具，它直观地反映了C、M、Y、K四色印刷的密度、网点百分比、油墨叠印率等，被广泛用于颜色和墨层厚度控制当中。

黑度与透射率的关系

理想油墨光谱分布

实际油墨光谱分布

3、光电积分法

长期以来，密度法在颜色测量中占有很高的地位，但是随着CIE1976L*，a*，b*的应用逐渐普遍，并已遍及从印前到印刷的整个工作流程，以及密度测量已不足以满足印刷或其它行业的需要，人们越来越意识到色度的重要性，并且现代色度学的迅速发展也为光电积分仪器客观地评价颜色奠定了基础。

光电积分法是20世纪60年代仪器测色中采用的常见方法。它不是测量某一波长的色刺激值，而是在整个测量波长区间内，通过积分测量测得样品的三刺激值X、Y、Z，再由此计算出样品的色品坐标等参数。通常用滤光片覆盖在探测器上，把探测器的相对光谱灵敏度S(λ)修正成CIE推荐的光谱三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)。用这样的三个光探测器接收光刺激时，就能用一次积分测量出样品的三刺激值X、Y、Z。滤光片需满足卢瑟条件，以精确匹配光探测器。卢瑟条件如下：

此类型仪器的测色准确度是与仪器符合卢瑟条件的程度有直接关系的，要做到完全符合上述条件是很困难的。在实际的滤色修正中，由于色玻璃的品种有限，仪器不可能完全符合卢瑟条件，只能近似符合应用部分滤光片法可使x(λ)和z(λ)曲线的匹配积分误差小于2%，y(λ)曲线的匹配积分误差小于0.5%。

 光电积分式仪器不能精确测量出色源的三刺激值和色品坐标，但能准确测出两个色源的色差，因而又被称为色差计。国外色差计从上世纪60年代开始大量生产。我国从上世纪80年代初开始研制这类仪器，但和国外相比，我国研制的不同色差计的一致性不够。彩色亮度计也是一种光电积分式仪器，通过望远镜系统对远距离目标进行颜色参数测量。

4、分光光度法（光谱仪）

分光光度法又叫测色光谱光度计，它是通过样品反射(透射)的光能量与同样条件下标准反射(透射)的光能量进行比较得到样品在每个波长下的光谱反射率，然后利用CIE提供的标准观察者和标准光源按如下公式计算，从而得到三刺激值X、Y、Z，再由X、Y、Z按CIEYxy，CIELab等公式计算色品坐标x．y，CIELAB色度参数等。

它通过探测样品的光谱成分确定其颜色参数，不仅可以给出X、Y、Z的绝对值和色差值△E，还可以给出物体的分光反射率值，并可以画出物体色的分光反射率曲线。因此被广泛用于颜色的配色及色彩分析中去，采用此类仪器可实现高准确度的色测量，可对光电积分测色仪器进行定标，建立色度标准等，故分光式仪器是颜色测量中的权威仪器。

分光光度计工作过程图

测量透射样品时，一般选用空气作为比较的标准样品。由于在较短的距离内可以不考虑大气对光谱的吸收效应，因此空气是理想的透射体，其在整个可见光谱范围内的光谱透射因数或光谱透射比均近似为 1。

测量液体样品时，一般采用同样厚度的溶剂作为标准样品，该溶剂的光谱透射因数或光谱透射比是已知的。

测量反射样品时，无论分光光度计还是色度计，都应采用光谱辐亮度因数或光谱反射比在各波长上都近似为1的物体作为比较的标准样品。虽然完全反射漫射体的反射比在各波长上均为 1，是理想的参照标准，但实际材料难以达到这样的特性，只能选择与它性质比较接近的材料作为工作标准。颜色测量中所选用的反射标准常采用的是碗酸钡 (BaSo₄,)、海龙（Halon）氧化锁（MgO）碳酸钙（CaCo₃）和陶瓷等。

分光光度计光路组成图

5、光电积分测色法（光源色）

光源的颜色特性有两方面的意义：一是人眼直接观察光源时所看到的颜色，这与一般物体色类似，可用三刺激值和色品坐标来表示；二是评价物体在光源照明下所呈现颜色效果，用显色指数来标识。光源的颜色特性和一般物体色类似，只取决于光源辐射的光谱分布。

光谱辐射计其光路结构与上述分光光度计相似，仅比分光光度计减少了照明结构。但由于测量对象是光源而不是一般物体，所以光谱辐射计与测色分光光度计相比有以下特点：

（1）对波长准确度和波长分辨率要求高。因为光源的光谱分布可能存在线状光谱，要将线谱准确测量到，就必须有高的波长准确度和分辨率。

（2）比较测量的标准不是标准白板和空气，而是经过精确定标的已知光谱分布的标准光源。常用的标准光源有黑体、钨带灯和钨丝灯等。

四、应用领域

颜色在生产和生活中扮演着重要的角色，颜色的控制已经成为评价许多产品外在和内在质量中最受重视的要素之一，目前的主要应用在：

1. 农产品加工：肉类，果蔬等品质分类

2. 照明行业：LED颜色分析

3. 纺织行业：纺织物色差鉴定

4. 造纸行业：纸品颜色控制

5. 化工行业：油漆，涂料等品质控制

6. 医学检测：血迹检测

LED颜色测量 

化学变色反应测量

人体血液、油漆、酱油的反射率光谱测量

五、典型配置

反射-颜色测量

反射测量（积分球）

 辐射-光源颜色测量

辐照度测量

LED颜色测量

颜色测量包含三个基本要素：参考光源，参考标准源，光谱采集装置。常用参考光源为卤钨灯或氙灯。参考标准源一般多用漫反射标准板。光谱采集装置则有光纤光谱仪和配套附件组成。光谱仪必须涵盖可见光波段，并且要具有足够的灵敏度和稳定性，配套附件包括光纤探头和积分球等。

莱森光学的光谱仪具有体积小，稳定性高，支持软件二次开发，配件丰富等特点，已经成功的广泛应用于玻璃、高分子材料等行业的测试。而光纤光谱仪采用光纤光路，解决了光路在仪器集成中的限制。并且莱森光学为用户提供了以光谱仪为核心的光谱测量设备，利用这些配置丰富的设备，即可搭建各种常见的光谱测量系统。

当我们对物体进行透射测量时，光谱仪的选择很重要，但其实配件的选择也同样不可小觑。整套解决方案的每个部分都和测量结果的可靠性和准确性密切相关。接下来我们就透射测量解决方案（光谱配件、探头等等）进行详细分析。

Ø 光源：

iLight-HAL、iLight-HAL-HP、LS-UV-HAL卤钨灯、紫外增强卤钨灯

iLight-DH-ADJ 氚卤组合光源

iLight-DHc、iLight-Xe 氙灯

Xe灯典型的发射光谱分布 汞灯典型的发射光谱分布

Ø 光纤：

采用纯度很高的进口石英纤芯，光纤类型采用多模光纤，数值孔径为0.22，也可以为用户提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等数值孔径的多模光纤。

Ø 积分球：

主要实现对漫散射强材料的光学透过率/反射率测量（可根据需要，切换使用SMA905光学光谱法或标准BNC探测器法），主要适用于手机屏、显示屏、玻璃镜片、胶水、油墨、镀膜镜片等透过率测量，特别适合IR油膜孔透过率测量。

Ø 镜头：

LS-FOL  光纤准直聚焦镜头

推荐：

LiSpec-HS系列高灵敏度光谱仪

是莱森光学（LiSen Optics）光谱仪系列中基于面阵背照式BT-CCD传感器开发而来明星产品之一，成功地把紫外可见近红外高量子效率和高测量速度相结合。其独有的消杂散光技术、降噪电路控制技术、再加上出众的高量子效率探测器性能，使光谱仪的灵敏度、信噪比得到极大的提升。在200nm-1100nm波段的灵敏度较为出众，非常适用于紫外辐射光谱、荧光测量、透反射测量等应用。

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