色差儀是一種模擬人眼看色的工具，其測量視角與人眼觀察物體的視角、光源的照射幾何角度具有一致性。因此，為了統(tǒng)一顏色測量的觀察者角度和幾何條件，CIE對此作了相應(yīng)的規(guī)定。本文對色差儀原理及測色幾何角度、觀察角度作了介紹。

色差儀的測量原理：

色差儀是一種通過計算顏色差值來識別和比較顏色的光學(xué)設(shè)備，其工作機制實際上是對人眼識別顏色過程的部分模擬。在人眼視覺系統(tǒng)中，顏色判斷是依據(jù)進入眼睛可見光的進行的，這種光線來自物體表面輻射、反射或者物體內(nèi)部的透射，類似的在一個測色系統(tǒng)中，實際需要分析檢測的就是進入儀器檢測窗口的可見光。與人類視覺系統(tǒng)使用生物組織視網(wǎng)膜來識別光譜類似；在機器中這種顏色識別功能通常通過感光器件來完成的。人類比對顏色是在大腦中完成的，是對不同顏色信號的比較；色差儀則是在獲得樣本顏色數(shù)值后與記憶體中的顏色數(shù)值進行比較。

對色差儀而言，要獲得待測可見光的首要條件是必須有能夠反映待測樣本顏色特征的光線。在顏色恒常性的部分闡述我們知道，特定環(huán)境中觀察物體顏色時，依賴于當(dāng)前光照條件的顏色譜系分布是確定的，但是一旦改變光照背景，機器傳感器獲得的顏色感應(yīng)值發(fā)生變化，那么顏色的判斷就不是恒常的了，這也就是機器視覺不具備顏色恒常性的原因。要解決這個問題，需要在一個和測量環(huán)境無關(guān)的顏色譜系空間中獲取樣本的反射光線，所以測色儀器中都會使用統(tǒng)一的內(nèi)置光源來刺激物體表面，這樣就相當(dāng)于將所有待測物體都置于一個跟機器相關(guān)的系統(tǒng)光照條件下，而這系統(tǒng)光照條件下的顏色譜系分布也是確定的了。

在色差儀內(nèi)有一個光源，每次測量時，光源使用單色白光多次照射樣本，或者使用單色LED分組多次照射樣本，在照射的同時使用CMOS感光陣列獲得反射可見光的信息，然后經(jīng)過后期的去噪、平均后獲得樣本顏色的系統(tǒng)顏色空間坐標(biāo)值。需要補充的是在色差儀能夠測色之前需要將標(biāo)準(zhǔn)顏色庫信息裝載到色差儀當(dāng)中，并且使用純黑或純白色的系統(tǒng)顏色空間參考點同標(biāo)準(zhǔn)顏色庫的標(biāo)準(zhǔn)顏色空間進行比對計算，從而求出兩個顏色空間的映射關(guān)系，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)照明體選定時，其是一個常數(shù)。

在顏色空間映射參數(shù)確定的條件下，一旦測得的系統(tǒng)樣本顏色值被計算出來后，就可以在與映射參數(shù)計算從而得出和具體機器、硬件系統(tǒng)、光照條件無關(guān)的L*a*b*值。所以當(dāng)系統(tǒng)要測量未知顏色時，這個樣本L*a*b*空間坐標(biāo)值就可以用來尋找最接近的標(biāo)準(zhǔn)顏色；反之，如果查看樣本顏色是否符合落在期望顏色偏差的閾值內(nèi)，則將樣本的L*a*b*值與期望顏色的L*a*b*值作為選定色差公式的輸入來計算色差距離△E，從而進行色差判斷。

色差儀測色的幾何角度：

1.D/8°幾何結(jié)構(gòu)

積分球是一個中空的金屬球，其內(nèi)表面涂有中等灰色的高反射漫射物質(zhì)，如硫酸鋇或聚四氟乙烯。進入這個球體的光線經(jīng)過多次反射后都只能從測量孔或光源孔射出積分球。一束光從任意的不通過球心的角度照進積分球，經(jīng)過球壁的多次反射后會從各個角度照射到樣板，最終通過測量孔或光源射出積分球。測量孔是在與法線夾角成8°的位置，由一組光電管構(gòu)成的探測器。例如三恩時公司的TS7020、TS7030、TS7036等色差儀就是這種結(jié)構(gòu)的色差儀。

CIE沒有明確規(guī)定積分球的開孔尺寸，只要求所有開孔面積不超過內(nèi)表面積的10%，因此不同廠家的產(chǎn)品的開孔位置、尺寸及光源入射角度會有區(qū)別。與觀測孔關(guān)于法線對稱的地方有一個光阱，關(guān)閉光阱時鏡面反射成分包含在內(nèi)，簡寫作d/8：i（d表示漫反射照明，8是8度角接收，i指包括鏡面反射），也可簡寫作SPIN。當(dāng)光阱打開時去除了鏡面反射，此條件簡寫作d/8：e，e指去除鏡面反射。這種儀器不僅能測量不透明樣品的顏色，還可以測量透明樣品的顏色。

2.45/0°幾何結(jié)構(gòu)

理想漫反射物體對于任意一束光都將以漫反射形式即各方向等效地反射出去，為此入射光和觀察者的角度并不重要，不會影響到觀察結(jié)果，但真實物體表面并非理想漫反射表面，多少都會由于鏡面反射成分和表面紋理而造成由于入射光和觀察者的幾何位置不同而表現(xiàn)出來的微小顏色差異。而環(huán)形照明則可以消除這種影響，其是以45°環(huán)形照明，0°（法線方向）觀測的，可以縮寫為：45/0：c。由于光路可逆，它與0°照明45°方向環(huán)形接收是等效的，該測色幾何條件對應(yīng)的色差儀有三恩時公司的NR145+等。這種結(jié)構(gòu)的儀器是完全不包括鏡面反射光的，測得的數(shù)據(jù)與人眼觀察一致，另外這種儀器只能測量不透明樣品的顏色。

色差儀測色的觀察角度：

標(biāo)準(zhǔn)觀察者是一個專有名詞，了解顏色體系的發(fā)展過程，就不難理解2°標(biāo)準(zhǔn)觀察者和10°標(biāo)準(zhǔn)觀察者（以下簡稱觀察者）。2°觀察者和10°觀察者的實質(zhì)是一組標(biāo)準(zhǔn)觀察者的配色函數(shù)。這組配色函數(shù)是通過一些正常色觀察者統(tǒng)計得出的，它與人眼的結(jié)構(gòu)相關(guān)。

2°觀察者的配色函數(shù)是1931年建立起來的，而10°觀察者的配色函數(shù)是1964年在2°觀察者的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，10°觀察者的視場包含了2°觀察者的視場。10°觀察者具有更為嚴(yán)密的統(tǒng)計基礎(chǔ)，因為它是建立在更多位正常色觀察者的統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的。

CIE1931-XYZ標(biāo)準(zhǔn)觀察者的各個參數(shù)，都是適用于 2°視場的中央觀察條件（適用1°-4°視場），此視場角下觀察物體，主要是人眼的中央凹椎體細(xì)胞起作用。故小于1°的極小視場的顏色觀察和大于4°的視場顏色觀察條件，CIE1931-XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者不適用。因此，為了適應(yīng)大視場的顏色觀察，人們在大量實驗的基礎(chǔ)上，又建立了“CIE1964-XYZ 色度學(xué)系統(tǒng)”。

在“CIE1964-XYZ補色色度學(xué)系統(tǒng)”中觀察被測物體，既覆蓋了視網(wǎng)膜中心的椎體細(xì)胞，也覆蓋了視網(wǎng)膜中央凹周圍的桿體細(xì)胞，它適合于10°大視場。人的眼睛在2°的視場條件下，識別物體顏色的能力較低，在10°的視場條件下，判斷顏色的精度和重現(xiàn)性較高。目前顏色測量大多采用，10°的視場。

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