第三节　色彩测量

一、色度测量几何条件

在日常生活中，颜色形成的要素——光源、物体、人眼间位置关系是非常复杂的，这种位置关系称为照明和观测几何条件，简称几何条件。几何条件不同，人们对颜色的知觉就会不同。在仪器测量中，人眼被光电探测器所代替。仪器中光源、样品、探测器之间的关系，称为照明和接收几何条件，简称几何条件。为了能使评价结果在不同部门之间具有可比性，几何条件必须标准化。当然，几何条件越详细，越符合实际，可比性也就越好；但是细化程度和使用方便性是矛盾的。测量结果和目视评价的相关程度依赖于仪器测量的几何条件对实际观察时的几何条件的模拟程度。在2004年之前，CIE根据人眼观察物体的主要方式规定了4种反射测量的几何条件和4种透射测量的几何条件。CIE15：2004第三版对反射样品推荐了10种几何条件；对透射样品推荐了6种几何条件，主要是对照明和接收角度作了规定。

从光束结构看，几何条件可分为两类：一类是定向型（45°a∶0°，0°∶45°a，45°x∶0°，0°∶45°x），它们不用积分球，是定向照明和定向接收；另一类是漫射型，用积分球，是由所有方向照明或由所有方向接收。从CIE推荐的几何条件还可以看出：一个条件的照明方向和接收方向互换就成了另一个条件。在一般实际中选择条件时，可以把互换的一对几何条件当作类似性质来看待。对荧光材料，互换条件是不行的。

CIE推荐的几何条件可以满足绝大多数使用者的要求。它适用于分光式测色仪器，也适用于光学积分式测色仪器。

1. 相关术语

CIE 15：2004引入了一些术语，这些术语在以前的版本中没有用过，应用这些术语，能够更精确地说明几何条件的含义。

（1）参照平面

反射样品测量时，参照平面就是放置样品或参比标准的平面。几何条件就是相对于此平面确定出来的。

透射样品测量时，有两个参照平面，第一个是入射光参照平面；第二个是透射光参照平面。它们的距离等于样品的厚度。CIE推荐书假定样品厚度可以忽略，两个参照平面合为一个。

（2）采样孔径

采样孔径是在参照平面上被测量的面积。它的大小由被照明面积和被探测器接收的面积中较小的一个来确定。如果照明面积大于接收面积，被测面积称为过量（over filled）；如果照明面积小于接收面积，被测面积称为不足（under filled）。

（3）调制

调制是反射比、反射因数、透射比的通称。

（4）照明几何条件

照明几何条件是指采样孔径中心照明光束的角分布。

（5）接收几何条件

接收几何条件是指采样孔径中心接收光束的角分布。

（6）45°方向几何条件（45°x）

测量反射样品颜色时，45°x表示与样品法线成45°，且只有一条光束照明样品，符号“x”表示该光束在参照平面上的方位角。方位角的选取应考虑样品的纹理和方向性。

（7）45°环形几何条件（45°a）

测量反射样品颜色时，45°a表示与样品法线成45°，从所有方向同时照明物品，符号“a”表示环形照明。这种条件能使样品的纹理和方向性对测量结果影响较小。这种几何条件可用一个光源和一个椭球面环形反射器或其他非球面光学系统来实现，称作45°环形照明，记作45°a。这种几何条件，有时也采用在一个圆环上由多个光源或用一个光源由光纤分成多束，其端部装在一个圆环上来完成。这种离散的环形照明记为45°c。

（8）0°方向几何条件（0°）

在反射样品的法线方向照明样品。

（9）8°方向几何条件（8°）

与反射样品法线成8°角，且只有一个方向照明样品。在许多实际应用中，该条件可用于代替0°方向几何条件。在反射样品测量中，这种条件就可以实现包含或排除镜面反射成分两种几何条件的区别。

2. 反射测量的几何条件

CIE 15：2004推荐的反射样品测量几何条件共有10种，如图2-11所示。

图2-11　反射测量的几何条件

（1）di∶8°

漫射照明，8°方向接收，包括镜面反射成分。

样品被积分球在所有方向上均匀地漫射照明，照明面积应大于被测面积。接收光束的轴线与样品中心的法线之间的夹角为8°，接收光束的轴线与任一条光线之间的夹角不应超过5°，探测器表面的响应要求均匀，并且被接收光束均匀地照明。

（2）de∶8°

漫射照明，8°方向接收，排除镜面反射成分。

几何条件同di∶8°，只是接收光束中不包括镜面反射成分，也不包括与镜面反射方向成1°角以内的其他光线。

（3）8°∶di

8°方向照明，漫反射接收，包括镜面反射成分。

几何条件同di∶8°，只是di∶8°的逆向光路，也就是照明光束的轴线与样品中心的法线之间的夹角为8°，照明光束的轴线与任一条光线之间的夹角不应超过5°。样品被照明面积应小于被测面积。漫反射光采用积分球从所有的方向上接收。

（4）8°∶de

8°方向照明，漫反射接收，排除镜面反射成分。

几何条件同de∶8°，是de∶8°的逆向光路。样品被照明面积应小于被测面积。

（5）d∶d

漫射照明，漫反射接收。

几何条件同di∶8°，只是漫反射光用积分球从所有方向上接收。在这种几何条件下测试，照明面积和接收面积是一致的。

（6）d∶0°

漫射照明，0°方向接收，排除镜面反射成分。

d∶0°是漫射照明的另一种形式。样品被积分球漫射照明，在样品法线方向上接收。这种几何条件能很好地排除镜面反射成分。

（7）45°a∶0°

45°环形照明，0°方向接收。

样品被环形圆锥光束均匀地照明，该环形圆锥的轴线在样品法线上，顶点在样品中点，内圆锥半角为40°，外圆锥半角为50°，两圆锥之间的光束用以照明样品。在法线方向上接收，接收光锥的半角为5°，接收光束应均匀地照明探测器。

如果将上述照明光束改为：在一个圆环上装若干离散光源或装若干光纤束来照明样品，就成为45°c∶0°几何条件。

（8）0°∶45°a

0°方向照明，45°环形接收。

几何条件同45°a∶0°，只是45°a∶0°的逆向光路。在法线方向上照明样品，在与法线成45°方向上环形接收。

（9）45°x∶0°

45°定向照明，0°方向接收。

几何条件同45°a∶0°相同，但照明方向只有一个，而不是环形。“x”表示照明的方位。在法线方向上接收。

（10）0°∶45°x

0°定向照明，45°方向接收。

几何方向同45°x∶0°，不过是45°x∶0°的逆向光路。在法线方向上照明样品，在一定的方位角上与法线成45°角接收。

上述（1），（2），（6）～（10）几何条件下，测到的是反射因数R（λ），其中定向接收的几何条件，当接收的立体角足够小时，给出的反射因数称为辐亮度因数β（λ）。（3）给出的是光谱反射比。所以，在极限条件下，45°x∶0°条件给出辐亮度因数β_45°x∶0°（λ）；0°∶45°x条件给出辐亮度因数β_0°：45°x（λ）；di∶8°条件给出辐亮度因数β_di∶8°（λ）；d∶0°条件下给出近似辐亮度因数β_di∶0°（λ）；几何条件8°∶di给出光谱反射比^ρ（λ）。

当使用积分球时，球内要加白色屏，以阻止样品和光源在球壁的照射点或样品和球壁被测量点之间光线的直接传递。积分球开孔的总面积不应超过积分球内表面的10%。

在进行漫反射比测量时，接收光能应包括样品所有方向上的漫反射光（包括与法线近于90°的散射）。

当用积分球测量发光（荧光或磷光）样品时，照明光的光谱功率分布会被样品的反射光和发射光改变，优先采用定向型的几何条件45°a∶0°，45°x∶0°或0°∶45°a，0°∶45°x。

3. 透射测量的几何条件

CIE 15：2004推荐的透射样品测量几何条件共有六种，如图2-12所示。

图2-12　透射测量的几何条件

（1）0°∶0°

0°照明，0°接收。

照明光束和接收光束都是相同的圆锥形，均匀地照明样品或探测器。它们的轴线在样品中心的法线上，半锥角为5°。探测器表面的响应要求均匀。

（2）di∶0°

漫射照明，0°接收，包括规则透射成分。

样品被积分球在所有方向上均匀地照明；接收光束的几何条件同0°∶0°。

（3）de∶0°

漫射照明，0°接收，排除规则透射成分。

几何条件同di∶0°，只是当不放样品时，与光轴成1°以内的光线均不直接进入探测器。

（4）0°∶di

0°方向照明，漫透射接收，包括规则透射成分。

此几何条件是di∶0°的逆向光路。

（5）0°∶de

0°方向照明，漫透射接收，排除规则透射成分。

此几何条件是de∶0°的逆向光路。

（6）d∶d

漫射照明，漫透射接收。

样品被积分球在所有方向上均匀地照明，透射光均匀地从所有方向上被积分球接收。

上述条件中，规则透射成分被排除的几何条件，给出的是透射因数，其余条件给出的是透射比。对一些特殊样品的测量，可以制定另外的几何条件，或给予不同的公差。当使用积分球时，球内要加白色屏，以阻止光源和样品（或参比标准）之间光线直接传递（漫射照明情况）；样品（或参比标准）和探测器之间光线直接传递（漫透射接收情况）。积分球开孔的总面积不应超过积分球内表面的10%。0°∶0°几何条件的测量仪器，结构设计应使照明光束和接收光束相等，不管是否放置样品。在进行漫透射比测量时，接受光束应包括所有方向上的漫透射光（包括与法线近于90°的散射）。当入射光束垂直于样品表面照射时，样品表面与入射光学系统光学零件表面的多次反射会造成测量误差。将样品稍微倾斜一些，可以消除这种影响。

4. 几何条件的选择

在制作测色仪器或对现有样品进行颜色评价时，选择几何条件十分重要。因为对一般条件来说，几何条件对测试结果都有影响。同一个样品，用不同的几何条件测试时，可能给出很不相同的结果。

只有完全漫反射样品或完全漫透射样品，各种几何条件的测试结果才可能是一样的，而且与目视评价极其相近。

对于镜面反射样品（如镜面）或完全透射的样品（如光学玻璃），容易划出镜面反射方向或规则投射方向的区域。选择适当的反射几何条件或投射几何条件，就能获得所要光束（也只包含所要的光束）的信息，从而得到完全包括镜面反射（或规则透射）或完全排除镜面反射（或规则透射）的正确评价，而且与目视评价也有很好的相关性。大多数样品很少有上述极限情况，但有些透射样品，漫反射足够小，几何条件不影响；而反射样品则很少有漫射大到几何条件没有影响的程度。

几何条件的差异是影响仪器之间测试结果一致性的重要原因。

几何条件如何选择和自己的工作性质有关。下面是反射样品一般应该考虑的内容。

（1）镜面反射成分的处理

对非金属材料（除非它是白色的），镜面反射光总是要降低颜色的饱和度。含镜面反射成分越多，饱和度降低得越多。一个样品在不同几何条件下测试，镜面反射成分究竟包含多少，除几何条件外，还与样品的表面性质有关。一般来说，定向性的几何条件彻底排除镜面反射成分；de∶8°、8°∶de不能完全排除镜面成分；而di∶8°、8°∶di、d∶d则不能排除镜面反射成分。

（2）几何条件对偏振的影响

垂直照明（0°或8°方向照明）或漫射照明（积分球照明）的几何条件可以避免偏振影响，因为照射光束入射角很小时，偏振非常小；而漫反射照明时，偏振结果是所有方向的平均值。但是，45°方向照明的几何条件就可能产生严重影响。有偏振倾向的样品慎用45°照明的几何条件。

（3）测试结果与目视评价的相关性

人们观察物体时，一般喜欢将样品表面的镜面反射光排除，这样可以获得有关颜色的最多信息。对高光泽和中等光泽样品用排除镜面反射的几何条件，测试结果与目视评价有较好的相关性。有人曾对45°∶0°和d∶0°两种几何条件做了研究，对同样染料不同表面纹理和光泽的一对样品进行色差测试，45°∶0°条件测得的结果有明显色差，与目视感觉一致。而d∶0°条件则几乎测不到差别。但45°∶0°条件对样品表面结构的方向性比较敏感，会造成测试结果的不确定性。为减少这种影响，可用环形照明或环形接收。

（4）被测样品的性质

① 含荧光材料的样品。用积分球测量荧光样品时，照明光束的光谱功率分布会被样品的反射和发射光改变，所以，最好采用定向性几何条件（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从靠近入射光线的反方向返回，而且当入射光的方向在较大范围内变化时，仍能保持这种性质。所以对逆反射样品的测试应用特殊的几何条件（参看有关书籍）。

③ 金属材料。金属材料测量颜色时，应用包含镜面反射成分的几何条件，不宜排除光泽。

④ 对于暴露在外，受气候、环境污染的样品，如果只是了解其染料、颜色受环境等影响后变化的情况，那么选含镜面反射成分的几何条件，就可避开表面光泽和纹理等的影响。

（5）行业差别

不同行业有自己的行业标准（国际的和国内的）和习惯，应予遵守。

计算机配色过去习惯用含镜面反射成分的积分球照明或积分球接受的几何条件，用软件扣除镜面反射成分，进行配色。近来也有人对排除镜面反射成分的几何条件做了研究，也用软件校正、测试了数据。

（6）仪器之间测试结果的一致性

不同厂家制造的仪器，即使都按CIE推荐的几何条件制作，测试结果也不能完全一样，就几何条件而言，di∶8°和8°∶di一致性更好些。它不受光吸收阱差异的影响，对样品表面结构也不敏感。

二、测量条件

现在大部分印刷用的纸张甚至油墨都包含有荧光成分，而早期的大多数仪器使用白炽灯为光源，它的光谱功率分布含有不等量的紫外线。在测量具有大量光学增白剂的纸张时，仪器中的紫外线含量的变化可能会容易达到5Δ的色差。在使用标准观察箱评价彩色样本时，标准观察箱随着紫外线的含量的变化而变化，实际的结果是，具有几乎相同的色度特性的样本，有时在视觉上不匹配，反之亦然。

ISO 13655：2009给出了四个颜色测量的条件。测量条件M0要求照明光源和光源A匹配；这是为了和现有仪器及ISO 5-3保持一致性。测量条件M1要求光源的色度和CIE D50照明体匹配。测量条件M2只要求试样照明的光谱功率分布中的波长在420～700nm范围内，且在低于400nm（通常被称为“UVCut”）的波长范围内没有辐射能。测定条件M3要求样品照明同M2，在入射和发射光谱的主轴上的正交或“交叉”方向加了偏振滤色片。这些测量条件适用于反射、透射或自发光物体包括平板显示器的测量和色度计算规则。它还为印刷确立了色度参数的计算方法。印刷工艺包括（但不限于）胶版印刷、凸版印刷、柔版印刷、凹版印刷和丝网印刷的原材料准备、量产、生产工艺。

1. 测量条件M0

从历史上看，在印刷行业中，绝大多数分光光度计使用白炽灯，其光谱接近于国际照明协会（CIE）标准照明光源A。此外，密度的测量历来用这种光源。M0主要是和现有的仪器的数据匹配。

测量照明条件M0并未定义紫外线的含量。因此，当被测纸张含有荧光，需要仪器之间的测量数据交换时，根据ISO 13655的规定，不推荐使用M0。标准注明，当没有可满足M1的仪器，但相对的数据足够满足过程控制或其他的数据交流应用时，类似M0的仪器型号可作为备选方案。该条款能确保现有仪器不会立刻产生问题，并继续在工作流中使用。目前，M0仪器非常普及。

2. 测量条件M1

测量条件M1是为减少因荧光而导致不同仪器之间测量结果的差异而定义的，这些荧光是由纸张的荧光增白剂造成的，或者是成像色料或打样色料中的荧光，测定样本照明光源的光谱功率分布应与CIE照明光源D50匹配。

有两种方法可以实现测量条件M1的一致性。

① 在样品平面的测量光源的光谱功率分布应为CIED50照明体。它应符合ISO 3664条件P1观察条件下UV同色异谱指数范围，此方法将特别用于荧光染料和荧光增白剂。

② 定义仅需在调整部件数量（光谱低于400nm）时使用补偿性方法，相对于D50的校准标准，可以通过相对功率在该范围内的活性调整来进行。这种补偿旨在纠正衬底中荧光增白剂的荧光的影响。从400～700nm范围内的光谱功率分布应是连续的。

应当注意的是，对含有荧光增白剂的材料应有适当的评价，主要是在300nm和400nm区域中的功率与在400～500nm区域中的功率之间的比率与在D50光源下这些相同区域之间的比率非常相似。

3. 测量条件M2

为了排除由于在承印材料表面的光学增白剂的荧光而导致仪器之间测量结果的变化，在样品平面测量源的光谱功率分布应仅包含波长范围在400nm以上大量的辐射功率。这可以通过在源头处进行合适的设计或通过在源和样品之间增加一个过滤器来实现。

在纸上的光学增亮剂的可见荧光通常在紫外线为300～410nm范围受激发。为了完全消除光学增白剂的任何荧光激发，UV成分最佳截止波长将是420nm。然而，测量反射率的因素期望也在400～410nm之间。因此，对于每个仪器类型，最佳的折中，必须找到残留荧光激发的足够抑制以及测量信号合理的信噪比。

对于测量条件M2，光源未明确指定。然而，应当在波长范围为420～700nm连续。辐射功率的每个波长区间中应是足够高，以便能够进行精确的校准，并根据该仪器的规格可重复测量结果。

4. 测量条件M3

尽管表层反射是到达到眼睛的光学刺激的一个重要组成部分，有时候表层反射会使测量的结果变得紊乱。偏振滤色片的安装去除了大部分多余的反射信号。由于大多数滤色片有相对较高的紫外线吸收，它们通常跟去UV滤色片一起使用或者兼饰两角。

仪器配备有一个滤色片，以便抑制色坐标第一表面反射的影响。

三、测量背衬

在进行颜色测量时，印刷用纸并非完全不透明，光线会穿过印刷品，然后从背衬的表面反射回来。此时如果使用有偏色的背衬，就会影响测量的结果，如图2-13所示。

图2-13　黑白背衬对光线反射示意图

ISO对于测量样本的背衬（垫在要测量的印刷品下面）是有规定的，它要求如下：

① 对于光谱的反射是没有选择性的，也就是说光谱反射率必须均匀，光谱密度不能超过平均密度的5%；

② 漫反射的衬质；

③ 密度要达到1.5±0.2，也就是使用黑色背衬。

这样做的原因，主要是为了避免光线会穿过印刷品，然后从背衬的表面反射回来现象的发生，ISO决定使用黑色背衬，它的优点是可以吸收光线，不会产生反射，引起测量的偏差。另外，对于双面印刷品的测量，背面的图文也会影响到颜色的测量，而使用黑色背衬，可以将这一影响降到最小。

在印刷行业，还普遍存在着另外两种测量方式，一种是使用白色背衬；另一种是使用相同的纸张作为背衬测量。这两种方法是从色彩管理的测量习惯中延续下来的，使用白色背衬所参照的标准主要是美国图像技术标准CGATS.5，但是目前使用白色背衬只作为参考信息附在ISO标准中，最终检验还是以黑色背衬作为衡量的依据。

不同的背衬对于结果的影响是很大的。从表2-9中可以发现，仅仅是因为背衬，对颜色测量有很大的影响，相同的颜色在黑背衬和白背衬下色差最大达到4.24。

表2-9　ISO 12647-2中8种颜色在黑背衬和白背衬测量的色差

四、数据报告

为了便于数据的交流，必须在报告数据时给出数据测量的条件，须包含以下信息：

1. 色度

① 色度数据测量或计算时所用的照明体（D50、D65、A、C、…）；

② 所使用的观察者（2°或10°）；

③ 测量条件使用（ISO 13655M0，M1，M2或M3）；

④ 反射试样的背衬（黑色背衬也被称为“bb”，白色背衬也被称为“wb”）；

⑤ 仪器品牌和型号（所有数据必须使用同一台仪器测量）。

2. 密度

① 密度状态（T、E、V、…）；

② 测量条件使用（ISO 13655M0，M1，M2或M3）；

③ 反射试样的背衬（黑色背衬也被称为“bb”，白色背衬也被称为“wb”）；

④ 仪器品牌和型号（所有数据必须使用同一台仪器测量）。

3. 附加信息

必备信息中也应附上以下信息：

① 数据的初始来源；

② 数据的创建日期；

③ 对报告中数据的用途或内容作出描述；

④ 对仪器的操作作出说明，包括但不仅限于采样孔径的信息；

⑤ 用于计算的波长间隔；

⑥ 对于透明的印刷承印物，必须给出在黑背衬和白背衬下未印刷时的CIE XYZ数据。

复习思考题

（1）密度测定为什么要在规定的几何条件下进行？

（2）反射密度测量的原理是什么？

（3）色彩测量条件M0、M1、M2、M3有何不同？

（4）窄带测量和宽带测量有什么区别？在印刷生产中如何选择？

（5）在什么情况下采用视觉密度测量？

（6）在色差的评判中，为什么建议采用CMC或CIEDE2000色差公式？

（7）用光电色度计和分光光度计测色有什么本质上的不同？

（8）与密度测量方法比较，色度测量有什么优缺点？

（9）在色彩数据进行传递时，需要给定哪些参数？