第三節　色彩測量

一、色度測量幾何條件

在日常生活中，顏色形成的要素——光源、物體、人眼間位置關系是非常復雜的，這種位置關系稱為照明和觀測幾何條件，簡稱幾何條件。幾何條件不同，人們對顏色的知覺就會不同。在儀器測量中，人眼被光電探測器所代替。儀器中光源、樣品、探測器之間的關系，稱為照明和接收幾何條件，簡稱幾何條件。為了能使評價結果在不同部門之間具有可比性，幾何條件必須標準化。當然，幾何條件越詳細，越符合實際，可比性也就越好；但是細化程度和使用方便性是矛盾的。測量結果和目視評價的相關程度依賴于儀器測量的幾何條件對實際觀察時的幾何條件的模擬程度。在2004年之前，CIE根據人眼觀察物體的主要方式規定了4種反射測量的幾何條件和4種透射測量的幾何條件。CIE15：2004第三版對反射樣品推薦了10種幾何條件；對透射樣品推薦了6種幾何條件，主要是對照明和接收角度作了規定。

從光束結構看，幾何條件可分為兩類：一類是定向型（45°a∶0°，0°∶45°a，45°x∶0°，0°∶45°x），它們不用積分球，是定向照明和定向接收；另一類是漫射型，用積分球，是由所有方向照明或由所有方向接收。從CIE推薦的幾何條件還可以看出：一個條件的照明方向和接收方向互換就成了另一個條件。在一般實際中選擇條件時，可以把互換的一對幾何條件當作類似性質來看待。對熒光材料，互換條件是不行的。

CIE推薦的幾何條件可以滿足絕大多數使用者的要求。它適用于分光式測色儀器，也適用于光學積分式測色儀器。

1. 相關術語

CIE 15：2004引入了一些術語，這些術語在以前的版本中沒有用過，應用這些術語，能夠更精確地說明幾何條件的含義。

（1）參照平面

反射樣品測量時，參照平面就是放置樣品或參比標準的平面。幾何條件就是相對于此平面確定出來的。

透射樣品測量時，有兩個參照平面，第一個是入射光參照平面；第二個是透射光參照平面。它們的距離等于樣品的厚度。CIE推薦書假定樣品厚度可以忽略，兩個參照平面合為一個。

（2）采樣孔徑

采樣孔徑是在參照平面上被測量的面積。它的大小由被照明面積和被探測器接收的面積中較小的一個來確定。如果照明面積大于接收面積，被測面積稱為過量（over filled）；如果照明面積小于接收面積，被測面積稱為不足（under filled）。

（3）調制

調制是反射比、反射因數、透射比的通稱。

（4）照明幾何條件

照明幾何條件是指采樣孔徑中心照明光束的角分布。

（5）接收幾何條件

接收幾何條件是指采樣孔徑中心接收光束的角分布。

（6）45°方向幾何條件（45°x）

測量反射樣品顏色時，45°x表示與樣品法線成45°，且只有一條光束照明樣品，符號“x”表示該光束在參照平面上的方位角。方位角的選取應考慮樣品的紋理和方向性。

（7）45°環形幾何條件（45°a）

測量反射樣品顏色時，45°a表示與樣品法線成45°，從所有方向同時照明物品，符號“a”表示環形照明。這種條件能使樣品的紋理和方向性對測量結果影響較小。這種幾何條件可用一個光源和一個橢球面環形反射器或其他非球面光學系統來實現，稱作45°環形照明，記作45°a。這種幾何條件，有時也采用在一個圓環上由多個光源或用一個光源由光纖分成多束，其端部裝在一個圓環上來完成。這種離散的環形照明記為45°c。

（8）0°方向幾何條件（0°）

在反射樣品的法線方向照明樣品。

（9）8°方向幾何條件（8°）

與反射樣品法線成8°角，且只有一個方向照明樣品。在許多實際應用中，該條件可用于代替0°方向幾何條件。在反射樣品測量中，這種條件就可以實現包含或排除鏡面反射成分兩種幾何條件的區別。

2. 反射測量的幾何條件

CIE 15：2004推薦的反射樣品測量幾何條件共有10種，如圖2-11所示。

圖2-11　反射測量的幾何條件

（1）di∶8°

漫射照明，8°方向接收，包括鏡面反射成分。

樣品被積分球在所有方向上均勻地漫射照明，照明面積應大于被測面積。接收光束的軸線與樣品中心的法線之間的夾角為8°，接收光束的軸線與任一條光線之間的夾角不應超過5°，探測器表面的響應要求均勻，并且被接收光束均勻地照明。

（2）de∶8°

漫射照明，8°方向接收，排除鏡面反射成分。

幾何條件同di∶8°，只是接收光束中不包括鏡面反射成分，也不包括與鏡面反射方向成1°角以內的其他光線。

（3）8°∶di

8°方向照明，漫反射接收，包括鏡面反射成分。

幾何條件同di∶8°，只是di∶8°的逆向光路，也就是照明光束的軸線與樣品中心的法線之間的夾角為8°，照明光束的軸線與任一條光線之間的夾角不應超過5°。樣品被照明面積應小于被測面積。漫反射光采用積分球從所有的方向上接收。

（4）8°∶de

8°方向照明，漫反射接收，排除鏡面反射成分。

幾何條件同de∶8°，是de∶8°的逆向光路。樣品被照明面積應小于被測面積。

（5）d∶d

漫射照明，漫反射接收。

幾何條件同di∶8°，只是漫反射光用積分球從所有方向上接收。在這種幾何條件下測試，照明面積和接收面積是一致的。

（6）d∶0°

漫射照明，0°方向接收，排除鏡面反射成分。

d∶0°是漫射照明的另一種形式。樣品被積分球漫射照明，在樣品法線方向上接收。這種幾何條件能很好地排除鏡面反射成分。

（7）45°a∶0°

45°環形照明，0°方向接收。

樣品被環形圓錐光束均勻地照明，該環形圓錐的軸線在樣品法線上，頂點在樣品中點，內圓錐半角為40°，外圓錐半角為50°，兩圓錐之間的光束用以照明樣品。在法線方向上接收，接收光錐的半角為5°，接收光束應均勻地照明探測器。

如果將上述照明光束改為：在一個圓環上裝若干離散光源或裝若干光纖束來照明樣品，就成為45°c∶0°幾何條件。

（8）0°∶45°a

0°方向照明，45°環形接收。

幾何條件同45°a∶0°，只是45°a∶0°的逆向光路。在法線方向上照明樣品，在與法線成45°方向上環形接收。

（9）45°x∶0°

45°定向照明，0°方向接收。

幾何條件同45°a∶0°相同，但照明方向只有一個，而不是環形。“x”表示照明的方位。在法線方向上接收。

（10）0°∶45°x

0°定向照明，45°方向接收。

幾何方向同45°x∶0°，不過是45°x∶0°的逆向光路。在法線方向上照明樣品，在一定的方位角上與法線成45°角接收。

上述（1），（2），（6）～（10）幾何條件下，測到的是反射因數R（λ），其中定向接收的幾何條件，當接收的立體角足夠小時，給出的反射因數稱為輻亮度因數β（λ）。（3）給出的是光譜反射比。所以，在極限條件下，45°x∶0°條件給出輻亮度因數β_45°x∶0°（λ）；0°∶45°x條件給出輻亮度因數β_0°：45°x（λ）；di∶8°條件給出輻亮度因數β_di∶8°（λ）；d∶0°條件下給出近似輻亮度因數β_di∶0°（λ）；幾何條件8°∶di給出光譜反射比^ρ（λ）。

當使用積分球時，球內要加白色屏，以阻止樣品和光源在球壁的照射點或樣品和球壁被測量點之間光線的直接傳遞。積分球開孔的總面積不應超過積分球內表面的10%。

在進行漫反射比測量時，接收光能應包括樣品所有方向上的漫反射光（包括與法線近于90°的散射）。

當用積分球測量發光（熒光或磷光）樣品時，照明光的光譜功率分布會被樣品的反射光和發射光改變，優先采用定向型的幾何條件45°a∶0°，45°x∶0°或0°∶45°a，0°∶45°x。

3. 透射測量的幾何條件

CIE 15：2004推薦的透射樣品測量幾何條件共有六種，如圖2-12所示。

圖2-12　透射測量的幾何條件

（1）0°∶0°

0°照明，0°接收。

照明光束和接收光束都是相同的圓錐形，均勻地照明樣品或探測器。它們的軸線在樣品中心的法線上，半錐角為5°。探測器表面的響應要求均勻。

（2）di∶0°

漫射照明，0°接收，包括規則透射成分。

樣品被積分球在所有方向上均勻地照明；接收光束的幾何條件同0°∶0°。

（3）de∶0°

漫射照明，0°接收，排除規則透射成分。

幾何條件同di∶0°，只是當不放樣品時，與光軸成1°以內的光線均不直接進入探測器。

（4）0°∶di

0°方向照明，漫透射接收，包括規則透射成分。

此幾何條件是di∶0°的逆向光路。

（5）0°∶de

0°方向照明，漫透射接收，排除規則透射成分。

此幾何條件是de∶0°的逆向光路。

（6）d∶d

漫射照明，漫透射接收。

樣品被積分球在所有方向上均勻地照明，透射光均勻地從所有方向上被積分球接收。

上述條件中，規則透射成分被排除的幾何條件，給出的是透射因數，其余條件給出的是透射比。對一些特殊樣品的測量，可以制定另外的幾何條件，或給予不同的公差。當使用積分球時，球內要加白色屏，以阻止光源和樣品（或參比標準）之間光線直接傳遞（漫射照明情況）；樣品（或參比標準）和探測器之間光線直接傳遞（漫透射接收情況）。積分球開孔的總面積不應超過積分球內表面的10%。0°∶0°幾何條件的測量儀器，結構設計應使照明光束和接收光束相等，不管是否放置樣品。在進行漫透射比測量時，接受光束應包括所有方向上的漫透射光（包括與法線近于90°的散射）。當入射光束垂直于樣品表面照射時，樣品表面與入射光學系統光學零件表面的多次反射會造成測量誤差。將樣品稍微傾斜一些，可以消除這種影響。

4. 幾何條件的選擇

在制作測色儀器或對現有樣品進行顏色評價時，選擇幾何條件十分重要。因為對一般條件來說，幾何條件對測試結果都有影響。同一個樣品，用不同的幾何條件測試時，可能給出很不相同的結果。

只有完全漫反射樣品或完全漫透射樣品，各種幾何條件的測試結果才可能是一樣的，而且與目視評價極其相近。

對于鏡面反射樣品（如鏡面）或完全透射的樣品（如光學玻璃），容易劃出鏡面反射方向或規則投射方向的區域。選擇適當的反射幾何條件或投射幾何條件，就能獲得所要光束（也只包含所要的光束）的信息，從而得到完全包括鏡面反射（或規則透射）或完全排除鏡面反射（或規則透射）的正確評價，而且與目視評價也有很好的相關性。大多數樣品很少有上述極限情況，但有些透射樣品，漫反射足夠小，幾何條件不影響；而反射樣品則很少有漫射大到幾何條件沒有影響的程度。

幾何條件的差異是影響儀器之間測試結果一致性的重要原因。

幾何條件如何選擇和自己的工作性質有關。下面是反射樣品一般應該考慮的內容。

（1）鏡面反射成分的處理

對非金屬材料（除非它是白色的），鏡面反射光總是要降低顏色的飽和度。含鏡面反射成分越多，飽和度降低得越多。一個樣品在不同幾何條件下測試，鏡面反射成分究竟包含多少，除幾何條件外，還與樣品的表面性質有關。一般來說，定向性的幾何條件徹底排除鏡面反射成分；de∶8°、8°∶de不能完全排除鏡面成分；而di∶8°、8°∶di、d∶d則不能排除鏡面反射成分。

（2）幾何條件對偏振的影響

垂直照明（0°或8°方向照明）或漫射照明（積分球照明）的幾何條件可以避免偏振影響，因為照射光束入射角很小時，偏振非常小；而漫反射照明時，偏振結果是所有方向的平均值。但是，45°方向照明的幾何條件就可能產生嚴重影響。有偏振傾向的樣品慎用45°照明的幾何條件。

（3）測試結果與目視評價的相關性

人們觀察物體時，一般喜歡將樣品表面的鏡面反射光排除，這樣可以獲得有關顏色的最多信息。對高光澤和中等光澤樣品用排除鏡面反射的幾何條件，測試結果與目視評價有較好的相關性。有人曾對45°∶0°和d∶0°兩種幾何條件做了研究，對同樣染料不同表面紋理和光澤的一對樣品進行色差測試，45°∶0°條件測得的結果有明顯色差，與目視感覺一致。而d∶0°條件則幾乎測不到差別。但45°∶0°條件對樣品表面結構的方向性比較敏感，會造成測試結果的不確定性。為減少這種影響，可用環形照明或環形接收。

（4）被測樣品的性質

① 含熒光材料的樣品。用積分球測量熒光樣品時，照明光束的光譜功率分布會被樣品的反射和發射光改變，所以，最好采用定向性幾何條件（45°a∶0°，0°∶45°a，45°x∶0°，0°∶45°x）。

② 逆反射材料（retro-reflective materials）。逆反射的反射光主要從靠近入射光線的反方向返回，而且當入射光的方向在較大范圍內變化時，仍能保持這種性質。所以對逆反射樣品的測試應用特殊的幾何條件（參看有關書籍）。

③ 金屬材料。金屬材料測量顏色時，應用包含鏡面反射成分的幾何條件，不宜排除光澤。

④ 對于暴露在外，受氣候、環境污染的樣品，如果只是了解其染料、顏色受環境等影響后變化的情況，那么選含鏡面反射成分的幾何條件，就可避開表面光澤和紋理等的影響。

（5）行業差別

不同行業有自己的行業標準（國際的和國內的）和習慣，應予遵守。

計算機配色過去習慣用含鏡面反射成分的積分球照明或積分球接受的幾何條件，用軟件扣除鏡面反射成分，進行配色。近來也有人對排除鏡面反射成分的幾何條件做了研究，也用軟件校正、測試了數據。

（6）儀器之間測試結果的一致性

不同廠家制造的儀器，即使都按CIE推薦的幾何條件制作，測試結果也不能完全一樣，就幾何條件而言，di∶8°和8°∶di一致性更好些。它不受光吸收阱差異的影響，對樣品表面結構也不敏感。

二、測量條件

現在大部分印刷用的紙張甚至油墨都包含有熒光成分，而早期的大多數儀器使用白熾燈為光源，它的光譜功率分布含有不等量的紫外線。在測量具有大量光學增白劑的紙張時，儀器中的紫外線含量的變化可能會容易達到5Δ的色差。在使用標準觀察箱評價彩色樣本時，標準觀察箱隨著紫外線的含量的變化而變化，實際的結果是，具有幾乎相同的色度特性的樣本，有時在視覺上不匹配，反之亦然。

ISO 13655：2009給出了四個顏色測量的條件。測量條件M0要求照明光源和光源A匹配；這是為了和現有儀器及ISO 5-3保持一致性。測量條件M1要求光源的色度和CIE D50照明體匹配。測量條件M2只要求試樣照明的光譜功率分布中的波長在420～700nm范圍內，且在低于400nm（通常被稱為“UVCut”）的波長范圍內沒有輻射能。測定條件M3要求樣品照明同M2，在入射和發射光譜的主軸上的正交或“交叉”方向加了偏振濾色片。這些測量條件適用于反射、透射或自發光物體包括平板顯示器的測量和色度計算規則。它還為印刷確立了色度參數的計算方法。印刷工藝包括（但不限于）膠版印刷、凸版印刷、柔版印刷、凹版印刷和絲網印刷的原材料準備、量產、生產工藝。

1. 測量條件M0

從歷史上看，在印刷行業中，絕大多數分光光度計使用白熾燈，其光譜接近于國際照明協會（CIE）標準照明光源A。此外，密度的測量歷來用這種光源。M0主要是和現有的儀器的數據匹配。

測量照明條件M0并未定義紫外線的含量。因此，當被測紙張含有熒光，需要儀器之間的測量數據交換時，根據ISO 13655的規定，不推薦使用M0。標準注明，當沒有可滿足M1的儀器，但相對的數據足夠滿足過程控制或其他的數據交流應用時，類似M0的儀器型號可作為備選方案。該條款能確保現有儀器不會立刻產生問題，并繼續在工作流中使用。目前，M0儀器非常普及。

2. 測量條件M1

測量條件M1是為減少因熒光而導致不同儀器之間測量結果的差異而定義的，這些熒光是由紙張的熒光增白劑造成的，或者是成像色料或打樣色料中的熒光，測定樣本照明光源的光譜功率分布應與CIE照明光源D50匹配。

有兩種方法可以實現測量條件M1的一致性。

① 在樣品平面的測量光源的光譜功率分布應為CIED50照明體。它應符合ISO 3664條件P1觀察條件下UV同色異譜指數范圍，此方法將特別用于熒光染料和熒光增白劑。

② 定義僅需在調整部件數量（光譜低于400nm）時使用補償性方法，相對于D50的校準標準，可以通過相對功率在該范圍內的活性調整來進行。這種補償旨在糾正襯底中熒光增白劑的熒光的影響。從400～700nm范圍內的光譜功率分布應是連續的。

應當注意的是，對含有熒光增白劑的材料應有適當的評價，主要是在300nm和400nm區域中的功率與在400～500nm區域中的功率之間的比率與在D50光源下這些相同區域之間的比率非常相似。

3. 測量條件M2

為了排除由于在承印材料表面的光學增白劑的熒光而導致儀器之間測量結果的變化，在樣品平面測量源的光譜功率分布應僅包含波長范圍在400nm以上大量的輻射功率。這可以通過在源頭處進行合適的設計或通過在源和樣品之間增加一個過濾器來實現。

在紙上的光學增亮劑的可見熒光通常在紫外線為300～410nm范圍受激發。為了完全消除光學增白劑的任何熒光激發，UV成分最佳截止波長將是420nm。然而，測量反射率的因素期望也在400～410nm之間。因此，對于每個儀器類型，最佳的折中，必須找到殘留熒光激發的足夠抑制以及測量信號合理的信噪比。

對于測量條件M2，光源未明確指定。然而，應當在波長范圍為420～700nm連續。輻射功率的每個波長區間中應是足夠高，以便能夠進行精確的校準，并根據該儀器的規格可重復測量結果。

4. 測量條件M3

盡管表層反射是到達到眼睛的光學刺激的一個重要組成部分，有時候表層反射會使測量的結果變得紊亂。偏振濾色片的安裝去除了大部分多余的反射信號。由于大多數濾色片有相對較高的紫外線吸收，它們通常跟去UV濾色片一起使用或者兼飾兩角。

儀器配備有一個濾色片，以便抑制色坐標第一表面反射的影響。

三、測量背襯

在進行顏色測量時，印刷用紙并非完全不透明，光線會穿過印刷品，然后從背襯的表面反射回來。此時如果使用有偏色的背襯，就會影響測量的結果，如圖2-13所示。

圖2-13　黑白背襯對光線反射示意圖

ISO對于測量樣本的背襯（墊在要測量的印刷品下面）是有規定的，它要求如下：

① 對于光譜的反射是沒有選擇性的，也就是說光譜反射率必須均勻，光譜密度不能超過平均密度的5%；

② 漫反射的襯質；

③ 密度要達到1.5±0.2，也就是使用黑色背襯。

這樣做的原因，主要是為了避免光線會穿過印刷品，然后從背襯的表面反射回來現象的發生，ISO決定使用黑色背襯，它的優點是可以吸收光線，不會產生反射，引起測量的偏差。另外，對于雙面印刷品的測量，背面的圖文也會影響到顏色的測量，而使用黑色背襯，可以將這一影響降到最小。

在印刷行業，還普遍存在著另外兩種測量方式，一種是使用白色背襯；另一種是使用相同的紙張作為背襯測量。這兩種方法是從色彩管理的測量習慣中延續下來的，使用白色背襯所參照的標準主要是美國圖像技術標準CGATS.5，但是目前使用白色背襯只作為參考信息附在ISO標準中，最終檢驗還是以黑色背襯作為衡量的依據。

不同的背襯對于結果的影響是很大的。從表2-9中可以發現，僅僅是因為背襯，對顏色測量有很大的影響，相同的顏色在黑背襯和白背襯下色差最大達到4.24。

表2-9　ISO 12647-2中8種顏色在黑背襯和白背襯測量的色差

四、數據報告

為了便于數據的交流，必須在報告數據時給出數據測量的條件，須包含以下信息：

1. 色度

① 色度數據測量或計算時所用的照明體（D50、D65、A、C、…）；

② 所使用的觀察者（2°或10°）；

③ 測量條件使用（ISO 13655M0，M1，M2或M3）；

④ 反射試樣的背襯（黑色背襯也被稱為“bb”，白色背襯也被稱為“wb”）；

⑤ 儀器品牌和型號（所有數據必須使用同一臺儀器測量）。

2. 密度

① 密度狀態（T、E、V、…）；

② 測量條件使用（ISO 13655M0，M1，M2或M3）；

③ 反射試樣的背襯（黑色背襯也被稱為“bb”，白色背襯也被稱為“wb”）；

④ 儀器品牌和型號（所有數據必須使用同一臺儀器測量）。

3. 附加信息

必備信息中也應附上以下信息：

① 數據的初始來源；

② 數據的創建日期；

③ 對報告中數據的用途或內容作出描述；

④ 對儀器的操作作出說明，包括但不僅限于采樣孔徑的信息；

⑤ 用于計算的波長間隔；

⑥ 對于透明的印刷承印物，必須給出在黑背襯和白背襯下未印刷時的CIE XYZ數據。

復習思考題

（1）密度測定為什么要在規定的幾何條件下進行？

（2）反射密度測量的原理是什么？

（3）色彩測量條件M0、M1、M2、M3有何不同？

（4）窄帶測量和寬帶測量有什么區別？在印刷生產中如何選擇？

（5）在什么情況下采用視覺密度測量？

（6）在色差的評判中，為什么建議采用CMC或CIEDE2000色差公式？

（7）用光電色度計和分光光度計測色有什么本質上的不同？

（8）與密度測量方法比較，色度測量有什么優缺點？

（9）在色彩數據進行傳遞時，需要給定哪些參數？