王健犀(PPG涂料天津公司,天津300457)
摘要:由于色差测量目的以及被测涂层表面所含色浆对入射光反射的特性和纹理不同,应当选择不同的色差测量设备和测色几何条件。介绍了市场上常见的几种不透明物体的色差测量设备,并就其光路原理和其对应测色几何条件下测量数据的意义及适用场合进行了说明。
关键词:色差;测色几何条件;设备;颜色
0引言
装饰性是涂料的重要作用之一,批次间和部位间的颜色匹配是涂料检测的重要环节。色差仪是当前应用广泛的测色设备,其原理是一束光经特定的光路照射到样品上,并由一系列的探测器接收由样品反射的光线并将此光信号转化为电信号。根据被测材料光学性质和测量目的的不同,目前市场上有多种不同结构的色差测量的设备可供选择。不同结构的色差仪由于测色几何条件不同,即测量的光路不同,测量的结果会有差异。
1本色漆的测量
本色漆是指颜料中只含有色浆的涂料,这种涂料对入射光的反射以漫反射为主,其颜色在各个角度看来没有本质区别,只是在光泽和表面纹理的影响下会稍有不同。对应CIE标准的测色几何条件,色差仪主要有环形照明式和积分球式两种。
1.1环形照明式色差仪
理想漫反射物体对于任意一束光都将以漫反射形式即各方向等效地反射出去,为此入射光和观察者的角度并不重要,不会影响观察结果,但真实物体表面并非理想漫反射表面,多少都会由于镜面反射成分和表面纹理而造成由于入射光和观察者的几何位置不同而表现出微小颜色差异。而对于如图1所示的环形照明则可以消除这种影响。这种以45°环形照明0°(法线方向)观测的几何条件可以缩写为:45/0:C。由于光路可逆,它与0°照明45°方向环形接收是等效的,该测色几何条件对应的色差仪有Minolta506D等。它使用一个氙灯作为光源,经由一组光导纤维将照明光以45°环形照到样板上,法线上有一组光电管作为探测器。
图1 45/0:C示意图
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BYK公司的测色精灵也属于这类仪器,不同的是它是由3组发光二极管构成环形光源,每组包括12个不同发射波长的发光二极管,3个发射波长相等的发光二极管互成120°(如图2),抵消样品表面纹理的影响。
图2 BYK6800示意图
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这种色差仪的光路由于抵消了表面纹理的影响而更适合用于涂料颜色调配过程,因为样品表面的光泽和纹理不会影响到颜色测量,在现实中没有与之完全对应的观察环境。
1.2积分球色差仪
图3是积分球色差仪的基本结构,积分球是一个中空的金属球,其内表面涂有中等灰色的高反射漫射物质,如硫酸钡或聚四氟乙烯。进入这个球体的光线经过多次反射后都只能从测量孔或光源孔射出积分球[1]。一束光从任意的不通过球心的角度照进积分球后经过球壁的多次反射后会从各个角度照射到样板,最终通过测量孔或光源射出积分球。测量孔是在与法线夹角成8°的位置,由一组光电管构成的探测器。X-Rite、Minolta、GretagMacbeth等公司都提供这种结构的色差仪。
图3 积分球色差仪的示意图
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CIE没有明确规定积分球的开孔尺寸,只要求所有开孔面积不超过内表面积的10%,因此不同厂家产品的开孔位置、尺寸、光源入射角度会有区别,因此特别对于有中等光泽的样板,不同的仪器测量结果的绝对值会有差异[1],但是对比测量的定性结论(样品的绝对值与标准板的绝对值之差的正负)一般相同,只是定量(差值的大小)上存在差异。与观测孔关于法线对称的地方有一个光阱,关闭光阱时镜面反射成分包含在内,简写作d/8:i(d表示漫反射照明,8是8度角接收,i指包括镜面反射),也可简写作SPIN。当光阱打开时去除了镜面反射,此条件简写作:d/8:e(e指去除镜面反射)也可简写作SPEX。很多色差仪比如X-Rite的SP64和Minolta的2600D能提供这两种条件的测量。
试验表明当给相同的色板表面赋予不同的光泽后,其在SPEX条件下的测量值特别是亮度L受光泽的影响非常显著,并在一定范围内表现线性关系,而这些光泽不同的色板在SPIN条件下测量值十分接近。色板的目视效果与SPEX条件下的结论接近[2]。
SPIN条件由于测量不受样品的影响而只决定于样品中色浆的含量,因此适应于颜色调整过程使用。然而样品的表面光泽会很大程度上影响目视感觉,因此在对最终完成的成品的色差检测必须在相同光泽下由SPEX条件进行,对于不同材料间或不同纹理的材料间的颜色测量也应当在SPEX条件下进行,因为此时的测量结果考虑了纹理的影响且和目视效果最为接近。这种测色条件与在光源箱中观察者以与样板法线夹角8度的方向观察样板的几何条件相对应。
2随角异色表面的测量
当涂料内含有金属片或云母色浆时,样品表面对入射光的反射不是各向等效的,也就是说样品表面的颜色是入射光角度和观察角度的函数,因此报告颜色时必须考虑到角度的影响。
X-Rite公司的MA68系列产品提供5角度的逆定向反射角(aspecular)测量数据,如图4所示,它是一束平行光与法线方向夹45°角入射,在与其镜面反射光成15°、25°、45°、75°、110°角的位置上分布着5组探测器,其中15°角代表近镜面反射方向,110°代表逆光方向或称侧视方向。由于会受到样板纹理的影响,旋转样品可能会影响到测量结果,且与目视效果接近,因此适合用于色板的对比。
图4 逆定向反射角
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Minolta公司的CM512是另一类多角度色差仪,如图5所示。它用3组环形光导纤维将入射光分别以与法线成15°、45°、75°夹角成环形依次照射到样品,在法线方向有一组探测器。与测量素色漆的45/0:C条件一样,这种测量排除了样品表面纹理的影响,因此更适合色浆调整过程。
3色度计
以上都是分光光度计通过探测器将接收到的光按波长分为多个部分并分别测量的色差仪,因此可以在全光谱上进行配色。色度计是用3个对应刺激值的滤光片滤光后分别测量光强度的色差仪,它不能给出由于照明变化,样板产生的外观颜色变化,因此成本大大降低。用于不透明物体测量的色度计多使用45/0:C测色几何条件(见1.1),代表的设备有X-Rite918。由于色度计不能反映出详细样品在各个光谱频率上的反射率,所以不能光谱配色。
4结语
对于含有不同色浆的样品和不同的测量目的,应当选择合适的色差仪,以保证测量结果的有效。相同测色几何条件下,色差仪结构和尺寸的差异对色差测量的定量结果有影响,但其定性结果一般相同。不同测色几何条件下的测量结果在定性上就有可能不同,不具有可比性。
图5 一种多角度色差仪的示意图
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