顏色是自然界物質(zhì)的最主要的客觀屬性之一。長期以來對(duì)顏色表征僅限于主觀的形容詞匯，更談不上定量的測(cè)量。隨著社會(huì)的發(fā)展，實(shí)時(shí)、便捷、定量的測(cè)色儀器有著越來越重要的應(yīng)用價(jià)值，而色差儀就是比較常見的一種顏色測(cè)量儀器。本文對(duì)色差儀的原理、結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)做了介紹，感興趣的朋友可以了解一下！
色差儀是什么儀器？
色差儀是一種常見的光電積分式測(cè)色儀器。它利用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)光源照明被測(cè)物體，在整個(gè)可見波長范圍內(nèi)進(jìn)行一次積分測(cè)量，直接測(cè)得透射或反射物體色的三刺激值和色品坐標(biāo)，并可通過專用微機(jī)系統(tǒng)給出兩個(gè)被測(cè)樣品之間的色差值。這是一種操作簡(jiǎn)便，價(jià)格便宜，在工業(yè)生產(chǎn)、科研實(shí)驗(yàn)、質(zhì)檢、商檢和計(jì)量部門有著廣泛應(yīng)用的光學(xué)分析儀器。
根據(jù)性能參數(shù)、精度范圍和使用要求，色差儀可分為3種：第一種是手持式色差儀，又稱色彩色差計(jì)，其能直接讀取數(shù)據(jù)，不用連接電腦，不配帶軟件，使用方便，價(jià)格便宜，但精度較低，在顏色管理的一般領(lǐng)域使用廣泛；第二種是便攜式色差儀，又稱便攜式分光色差儀，其除了能直接讀取數(shù)據(jù)外，還能連接電腦，配帶軟件，體積較小，便于攜帶，精度較高，價(jià)格適中；第三種是臺(tái)式色差儀，又稱臺(tái)式分光測(cè)色配色儀，其具有讀數(shù)窗口，連接電腦時(shí)需要使用測(cè)色、配色軟件，具有高精度的測(cè)色和配色功能，體積較大，性能穩(wěn)定，價(jià)格較高。
色差儀的工作原理：
色差儀是一種通過計(jì)算顏色差值來識(shí)別和比較顏色的光學(xué)設(shè)備，其工作機(jī)制實(shí)際上是對(duì)人眼識(shí)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(jìn)入眼睛可見光的進(jìn)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(gè)測(cè)色系統(tǒng)中，實(shí)際需要分析檢測(cè)的就是進(jìn)入儀器檢測(cè)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(shí)別光譜類似；在機(jī)器中這種顏色識(shí)別功能通常通過感光器件來完成的。人類比對(duì)顏色是在大腦中完成的，是對(duì)不同顏色信號(hào)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(jìn)行比較。
對(duì)色差儀而言，要獲得待測(cè)可見光的首要條件是必須有能夠反映待測(cè)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(shí)，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(jī)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(jī)器視覺不具備顏色恒常性的原因。要解決這個(gè)問題，需要在一個(gè)和測(cè)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(cè)色儀器中都會(huì)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(cè)物體都置于一個(gè)跟機(jī)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。
如上圖所示，在色差儀內(nèi)有一個(gè)光源，每次測(cè)量時(shí)，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(shí)使用CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）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(bǔ)充的是在色差儀能夠測(cè)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(diǎn)同標(biāo)準(zhǔn)顏色庫的標(biāo)準(zhǔn)顏色空間進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，從而求出兩個(gè)顏色空間的映射關(guān)系，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)照明體選定時(shí)，其是一個(gè)常數(shù)。
在顏色空間映射參數(shù)確定的條件下，一旦測(cè)得的系統(tǒng)樣本顏色值被計(jì)算出來后，就可以在與映射參數(shù)計(jì)算從而得出和具體機(jī)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(cè)量未知顏色時(shí)，這個(gè)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(jì)算色差距離△E，從而進(jìn)行色差判斷。
色差儀的組成結(jié)構(gòu)：
色差儀主要包括測(cè)頭、數(shù)據(jù)處理器（含顯示器及打印機(jī)）、直流電源及附件四部分。色差儀測(cè)頭由照明光源，濾色器，硅光電池，隔熱玻璃，凸透鏡，導(dǎo)光筒，擋板，積分球等組成。其中：
1）積分球是測(cè)色儀的重要構(gòu)成部件，在很大程度上決定了測(cè)色儀的使用壽命、測(cè)量精度和長期重復(fù)性。
2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、中央處理器、顯示、打印等數(shù)據(jù)輸出。采用微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過液晶顯示和打印輸出各種色度數(shù)據(jù)。
3）內(nèi)部光源照明系統(tǒng)：采用低能耗的特殊發(fā)光管，經(jīng)修正后作為測(cè)色用的標(biāo)準(zhǔn)照明體D65，保證220V+22V，50Hz+1Hz的穩(wěn)定電壓確保光源發(fā)光的穩(wěn)定性。測(cè)色儀內(nèi)部照明光源通常是標(biāo)準(zhǔn)A光源，而實(shí)際應(yīng)用中都需要測(cè)量物體在標(biāo)準(zhǔn)D65和C光源下的色度值，因此要模擬出D65光源，使儀器總的光譜靈敏度符合D65下的盧瑟條件。
4）光譜三刺激值：選用CIE1964 補(bǔ)充觀察者10°視角的數(shù)據(jù)；儀器照明幾何條件為0/d。
5）觀察條件：符合CIE所規(guī)定的0°入射/45°接收條件。光譜條件，總體響應(yīng)等價(jià)于CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D65及10視場(chǎng)色匹配函數(shù)下的三刺激值X10、Y10、Z10（以下簡(jiǎn)寫為X、Y、Z），最終可獲得測(cè)色的五種表色系統(tǒng)：CIE Y10 x10 y10（1964），CIE：X10Y10Z10（1964），L*a*b*（1976），L*C*H°（1976）及 Hunter Lab和色差計(jì)算的三種表色系統(tǒng)：ΔEab*（ΔL*Δa*Δb*），ΔEab*（ΔL*ΔC*ΔH*）及 Hunter ΔE（ΔL Δa Δb）。不同表色系統(tǒng)的測(cè)得數(shù)據(jù)均可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，并以數(shù)字顯示、可打印輸出。
色差儀的發(fā)展趨勢(shì)：
1、智能化
由于微電腦的發(fā)展，國內(nèi)外目前普遍研究和采用帶有微處理器的，兼有檢測(cè)和信息處理功能的傳感器。在半導(dǎo)體片基上，用微電子加工技術(shù)把傳感器功能、邏輯功能、存儲(chǔ)功能集成在一起，使得傳感器具有自動(dòng)校正、自動(dòng)補(bǔ)償、數(shù)據(jù)處理、圖像識(shí)別、存儲(chǔ)、記憶等等功能。
2、小型化、便攜式
由于采用大規(guī)模集成電路，將所有測(cè)量、計(jì)算集成在一個(gè)集成塊中，采用液晶顯示，干電池供電。很多測(cè)色儀就象一架傻瓜相機(jī)大小，重量僅1.5Kg左右。
3、快速度、高精度
積分球的人射面采用鋇處理，雙光束反饋系統(tǒng)作參比監(jiān)控，并可對(duì)特殊情況作出補(bǔ)償?shù)鹊纫幌盗屑夹g(shù)來提高測(cè)量的精度，從測(cè)量到計(jì)算直至顯示，一般僅僅需幾毫秒時(shí)間。
4、多種制式的轉(zhuǎn)換
可以是ISO標(biāo)準(zhǔn)，也可以是DIN標(biāo)準(zhǔn)，允許SCI（包括反射鏡面）和SCE（排除鏡面反射）之間切換選擇；SCI 提供與樣本比較的效果，面SCE提供接近于視覺效果相當(dāng)于一個(gè)熟練的觀察者的效果。XYZ、Yxy、L*a*b*、L*C*H°、L*u*v*、Hunter-Lab、Munsell之間選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這些都是由于微處理器的計(jì)算功能，使得轉(zhuǎn)換極其方便。
5、利用個(gè)人電腦擴(kuò)展測(cè)色儀器的功能
一般便攜式色差儀內(nèi)的存儲(chǔ)器就能儲(chǔ)存1000多個(gè)數(shù)據(jù)和50多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色樣，用以多種測(cè)量的比較和計(jì)算。通過特定的接口，色差儀可與個(gè)人電腦實(shí)現(xiàn)對(duì)接，互相輸入輸出數(shù)據(jù)，充分利用計(jì)算機(jī)的功能。例如目前市場(chǎng)上的測(cè)色儀器利用RS-232C接口，便可與一般個(gè)人電腦聯(lián)接。
6、軟件的日益豐富
由于和個(gè)人電腦結(jié)合，以及彩色軟件系統(tǒng)不斷推出，可以使個(gè)人電腦的使用率大大提高。