14.3. Технические цветовые измерения

Закончив краткий обзор основ колориметрии, рассмотрим, какими со­временными техническими средствами решаются вопросы измерения цвета, а именно, измерения координат цвета и координат цветности прозрачных и отражающих несамосветящихся образцов, а также самосветящихся объектов (люминесцентные лампы, дисплеи, электронно-лучевые трубки, лампы нака­ливания и т. д. ).

Визуальные колориметры. Простейший тип приборов для цветовых измерений — это визуальный колориметр, уже упоминавшийся нами ранее при обсуждении принципов уравнивания по цвету (рис. 14. 6). Визуальные колориметры позволяют оценить тождество или различие двух половин на­блюдаемого фотометрического поля сравнения на основании субъективного наблюдения. По способу смешения основных цветов (или стимулов) визуаль­ные колориметры делятся на трехцветные колориметры, субтрактивные колориметры и визуальные компараторы цвета.

Примером субтрактивного визуального колориметра является тинтометр Ловибонда, широко применяемый для цветовых измерений светопропуска-ющих веществ, например, смазочных масел, керосина и т. п. В этом приборе цвет поля сравнения регулируется путем введения в единый световой пучок, освещающий поле сравнения, сразу трех фильтров — красного, желтого и си­него, каждый из которых вычитает определенную часть из спектра падающего излучения. Однако в современной колориметрии визуальные колориметры применяются редко, так как не обладают необходимой точностью измерений вследствие наличия значительного субъективного фактора при проведении измерений.

Фотоэлектрические колориметры. Фотоэлектрические колори­метры — это другой тип колориметров, в которых координаты цвета из­меряемого объекта исследуются без субъективного участия глаза человека. Действие колориметров этого типа основано на использовании в качестве при­емников излучения фотоэлементов, экранированных светофильтрами (или масками), приводящими кривые спектральной чувствительности фотоэлемен­тов к кривым сложения цветов (рис. 14. 10) стандартного колориметрическо­го наблюдателя МКО 1931 г. или являющихся их линейной трансформа­цией.

При этом каждый из приемников излучения должен давать фототок, пропорциональный, соответствующей кривой сложения цветов , , . Действительно, фототок / фотоэлемента в общем виде рассчитывается в соответствии с формулой

                                           (14. 17)

где к — коэффициент пропорциональности;  — монохроматический поток падающего на поверхность приемника излучения в интервале ;  — спектральная чувствительность приемника излучения.

Сравнивая эту формулу с ранее приведенными формулами расчета ко­ординат цвета (14. 10), получим их совпадение с точностью до постоянного множителя при условии равенства (или подобия) спектральной чувствитель­ности фотоэлементов , соответственно, кривым сложения цветов , , . В этом случае значения фототоков , i_y, i_z пропорциональны значениям координат цвета излучения:

                                                    (14. 18)

где к_х, к_у, k_z — градуировочные коэффициенты.

Координаты цветности х, у, z при этом определяются по приведенным вы­ше формулам (14. 7). Как правило, в фотоэлектрическом колориметре имеется три фотоэлемента (или ФЭУ), каждый со своей спектральной чувствительно­стью, и спектральная характеристика каждого канала, которая подгоняется с помощью абсорбционных светофильтров или специальных масок под соот­ветствующую кривую сложения цветов , , . Чаще всего для корригирования применяются комбинации светофильтров, толщина которых специально рассчитывается на основе данных о спектральной чувствительно­сти используемого в колориметре приемника излучения.

Спектрофотометрический метод расчета координат цвета и ко­ординат цветности. Расчетный спектрофотометрический метод определе­ния координат цвета и координат цветности отражающих и прозрачных образ­цов основан на непосредственном расчете координат по данным спектральных измерений коэффициентов отражения или коэффициентов пропускания ис­следуемого образца.

Основой для расчета координат цвета и координат цветности является зна­ние относительного спектрального распределения энергии источника излуче­ния , а также измерение спектральных коэффициентов отражения  для отражающих образцов или спектральных коэффициентов пропускания  для прозрачных образцов. В этом случае расчет координат проводится по формулам, близким к приводившимся ранее (см. формулы 14. 10), но не­сколько транформированным по сравнению с ними (пример для отражающих образцов):

 

                                  (14. 19)

Для прозрачных образцов вместо спектрального коэффициента отраже­ния   измеряется спектральный коэффициент пропускания τ (λ ), который и заменяет  на τ (λ ) в формулах (14. 19). Значения  составляют обычно 5 или 10 нм в зависимости от требуемой точности измерений и вида спектраль­ной характеристики образца.

Таким образом, после измерения с шагом Δ λ спектральной характеристи­ки коэффициента отражения  для отражающего образца или спектральной характеристики пропускания τ (λ ) для прозрачного образца, взяв табули­рованные значения , ,  по формулам (14. 19) рассчитывают координаты цвета Χ, Υ, Ζ исследуемого образца. Координаты цветности х, у, z рассчитывают по формулам (14. 7).

Аналогично по данным спектральных измерений рассчитывают координа­ты цвета и координаты цветности самосветящихся объектов — всевозможных источников излучения, ламп накаливания, дисплеев и т. п. При этом расчет координат цвета ведется по следующим формулам:

                                          (14. 20)

Расчет координат цветности проводится по формулам (14. 7).

Именно этот спектральный метод измерения координат цвета и координат цветности различных объектов, являющийся наиболее точным и признанным в международной практике цветовых измерений в качестве основного, исполь­зуется в современных средствах измерений — спектроколориметрах.

Атласы цветов. Одним из способов визуальной оценки и определения цвета объекта является использование атласов цветов. Атласы представляют собой набор цветных образцов с известными цветовыми характеристиками, расположенных в определенном порядке. Более 30 лет назад во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева Ε. Η. Юстовой и др. был разработан атлас из 1000 стан­дартных образцов цвета. Этот атлас охватывал многие атласы отраслевого назначения, созданные ранее, и предназначался для обеспечения единства цветовых измерений отражающих материалов [68].

Приборы для цветовых измерений. В этом пункте постараемся дать краткий обзор фирм и выпускаемых ими современных средств измерений координат цвета, координат цветности, цветовых различий и т. п.

Отечественная промышленность в настоящее время практически не выпус­кает колориметров, хотя ранее серийно изготавливались компараторы цвета типа ЭКЦ-1, КЦ-2 и КЦ-3, фотоэлектрические колориметры КНО-3, спектро-колориметры «Спектротон» и «Пульсар». Некоторые из этих средств изме­рений, выпущенные из производства десять и более лет назад, еще продол­жают использоваться в заводских лабораториях лакокрасочной, целлюлозно-бумажной, текстильной, химической промышленности.

За рубежом имеется целый ряд крупных фирм, имеющих многолетний опыт производства спектроколориметров различного назначения. Среди та­ких фирм можно выделить наиболее крупные. Прежде всего это фирмы Gretag Macbeth, Hanterlab и X-Rite (США), LMT [75] и Datacolor International (Германия), Minolta (Япония) [74] и др. Каждая из этих фирм специализирует­ся на производстве спектроколориметров той или иной модификации и сферы использования.

Так, например, крупнейшая фирма LMT (Германия) специализируется на производстве прецизионных фотометров, спектроколориметров, фотомет­рических головок и другого оборудования для измерения самосветящихся объектов [75]. Фирма X-Rite (США) выпускает в основном портативные переносные спектроколориметры, используемые для оперативного контроля качества производимой продукции непосредственно на рабочих местах в текстильной, бумажной, лакокрасочной, химической промышленности. Ниже мы представим примеры некоторых типов спектроколориметров, выпускаемых различными фирмами.

В табл. 14. 3 приведены основные технические характеристики трех спек­троколориметров Color Eye американской фирмы Gretag Macbeth типов ХТН, 2180 UV и 7000 А, внесенных в Государственный реестр средств измерений. Спектроколориметры Color Eye типов ХТН, 2180 UV и 7000 А предназначены для цветовых измерений и цветового анализа отражающих материалов как в лабораторных, так и в производственных условиях. Спектроколориметр типа 7000 А используется еще и для цветовых измерений прозрачных материа­лов. В сочетании с компьютерным оборудованием и программным обеспечени­ем по контролю и расчету цветовых характеристик эти спектроколориметры являются цветоизмерительными системами, широко используемыми в лакокрасочной, пищевой, текстильной, бумажной, химической и других отраслях промышленности. Данные приведены по результатам испытаний спектроко-лориметров для целей утверждения типа.

 

Таблица 14. 3. Основные технические характеристики спектроколориметров Color Eye американской фирмы Gretag Macbeth типов ХТН, 2180 UV и 7000 А

Характеристика	ХТН	2180 UV	7000 Α
Диапазон измерений коор­динат цвета	X = 2, 5-109, 0, Υ = 1, 4-98, 0, Ζ = 1, 7-118, 1
Диапазон измерений коор­динат цветности	χ = 0, 004-0, 734, у = 0, 005-0, 834
Предел допускаемого зна­чения абсолютной погреш­ности измерения координат цвета	Α Χ = AY = Δ Ζ = 0, 4-1, 0 (отражение)		Α Χ = Α Υ = Α Ζ = 0, 3-1, 0 (отражение) Α Χ = AY = Α Ζ = 0, 2-0, 5 (пропускание)
Предел допускаемого зна­чения абсолютной погреш­ности измерения координат цветности	Α χ - Ay = 0, 003-0, 01		Α χ = Ay = 0, 002-0, 01
Время измерения, с
Время непрерывной работы, ч, не менее
Габаритные размеры, мм3, не более	75 χ 85 χ 200	360 χ 175 χ 235	715 χ 280 χ 390
Масса, кг, не более	0, 850
Питание от сети переменно­го тока: — напряжение, В — частота, Гц	220 ± 22 50 ±1
Автономное питание от ак­кумулятора, В		—	—
Потребляемая мощность, Вт, не более
Рабочие условия измерений: — температура, °С — относительная влажность воздуха, %	10-35 20-80	15-32 20-80	15-33 25-80

 

Принцип работы каждого из спектроколориметров основан на двухлу-чевой оптической схеме с интегрирующей сферой в сочетании с ксеноновой лампой-вспышкой. Ксеноновый импульсный источник света соответствует ис­точнику освещения типа D65, поддерживая постоянство его спектральных характеристик в течение всего долгого срока службы, не требуя времени на разогрев. Линейка из кремниевых фотодиодов после голографической решет­ки перекрывает спектральный диапазон длин волн от 360 до 750 нм с шагом . Спектроколориметры отличает высокая автоматизация измере­ний. Приборы выполняют до ста «автокалибровок» с заданным интервалом времени, исключающих ошибки оператора.

Поверка приборов осуществляется в соответствии с методикой поверки, утвержденной ВНИИОФИ.

Для поверки используют набор мер рабочего эталона единиц коорди­нат цвета и цветности ВЭТ 81-1-91 (в соответствии с поверочной схемой ГОСТ8. 205-90).

В табл. 14. 4 представлены технические характеристики спектроколори­метров фирмы Hunter Lab (США). Фирма имеет более чем 40-летний опыт работы в 68 странах мира. Спектроколориметр типа Mini Scan XE Plus пред­ставляет собой многоцелевой портативный переносной спектроколориметр, который может использоваться в текстильной, пищевой, бумажной, лако­красочной и других отраслях промышленности для измерения прозрачных и отражающих образцов продукции: гладких, сыпучих или жидких. Данные взяты из каталогов продукции, выпускаемой фирмой.

В табл. 14. 5 приведены основные технические характеристики трех типов спектроколориметров фирмы Datacolor International (Германия). Спектроко­лориметр Microflash 200d имеет выносной портативный измерительный блок, позволяющий проводить измерение координат цвета различных типов и раз­личных размеров отражающих образцов. Остальные два спектроколоримет-ра — стационарные приборы. Elrepho 3300 является примером специализи­рованного спектроколориметра, помимо координат цвета измеряющего еще и белизну, а также блеск различных образцов. Применяется в целлюлозно-бу­мажной и текстильной промышленности. Данные взяты из каталогов фирмы.

Обладающая мировой известностью японская фирма Minolta Co., Ltd в середине 90-х годов выпускала несколько типов колориметров, предназна­ченных для измерений цвета световых источников, светоотражающих пред­метов и светопропускающих жидкостей [74]. Все пять типов приборов для измерений цвета светоотражающих предметов, состоящих из измерительных головок и процессора, портативны, выходные сигналы измерительных головок вводятся в унифицированный малогабаритный батарейный процессор типа DP-301 с дисплеем и принтером. В табл. 14. 6 представлены параметры и ха­рактеристики измерительных головок всех пяти типов.

Общепризнанно, что в настоящее время наилучшими метрологическими характеристиками обладают трехзональные колориметры фирмы LMT (Гер­мания). Именно этими приборами оснащены ведущие национальные метроло­гические лаборатории разных стран. В табл. 14. 7 представлены основные све­дения о колориметрах С1210 и С2210 этой фирмы [75]. Измерительным преобразователем в обоих приборах служит колориметрическая головка типа СН60, содержащая три независимых канала, в каждом из которых расположены светофильтр и кремниевый фотоэлемент.

 

Таблица 14. 4. Основные технические характеристики спектроколориметров фирмы Hunter Lab (США) типа Color Quest XE, Mini Scan XE Plus и Ultra Scan XE

Характеристика	Scan XE	Mini Scan XE Plus	Ultra Scan XE
Принцип измерения	Двухлучевой спектрофотометр с голографической решеткой и 256-элементной диодной матрицей		Двухлучевой спектрофотометр с дифракционной решеткой и 40-элементной диодной матрицей
Тип измеряемых образ­цов	Отражающие и прозрачные образцы
Геометрия освеще­ния/наблюдения	D/8	45/0, D/0	D/8
Диаметр интегрирую­щей сферы, мм		(нет сведений)
Минимальный диаметр измеряемого образца, мм	9, 5-25, 4	5, 0-25, 0	6, 0-25, 0
Зеркальная составляю­щая	Включена/ исключена	(нет сведений)	Включена/ исключена
Спектральный диапа­зон, нм	400-700	400-700	360-750
Спектральное разреше­ние, нм	< 3
Спектральный шаг, нм
Реализуемые типы ис­точников излучения	D65 (ксеноновая лампа-вспышка)	A, C, D65, F, TL84	D65 (ксеноновая лампа-вспышка)
Время измерения, с	< 1	(нет сведений)	(нет сведений)
Апертура наблюдения, о	(нет сведений)	2 или 10	(нет сведений)
Индицируемые коорди­наты цвета	(нет сведений)	L, a, b; L*, a*, b*; L*, c*, h*; Χ, Υ, Ζ; x, y	(нет сведений)
Сходимость Δ Ε CIELAB	^0, 03 (по белому образцу), ^0, 05 (по голубому образцу) по 20 измерениям	< 0, 04	0, 01-0, 04
Воспроизводимость Δ Ε CIELAB	ζ 0, 15 (средняя), < 0, 25 (максимальная)	0, 05-0, 25 (средняя)	0, 05 (средняя)
Габариты, мм	279 х 420 χ 498	102 χ 127 χ 254	(нет сведений)
Вес, кг	20, 4	1, 3	20, 4

 

Таблица 14. 5. Основные технические характеристики спектроколориметров фирмы Datacolor International (Германия) типа Microflash 200d, Spectroflash SF600 Plus CT, Eirepho 3300

Характеристика	Microflash 200d	Spectroflash SF600 Plus CT	Eirepho 3300
Принцип измерения	Двухлучевой спектрофотометр, снабженный голографической решеткой и 128-элементной диодной матрицей
Тип измеряемых образ­цов	Отражающие	Отражающие и прозрачные	Отражающие
Геометрия освеще­ния/наблюдения	D/8	D/0	D/0
Диаметр интегрирую­щей сферы, мм
Минимальный диаметр измеряемого образца, мм		от 3 до 30	от 9 до 33
Зеркальная составляю­щая	Включена/ исключена	Включена/ исключена	Исключена
Спектральный диапа­зон, нм	400-700	360-700	380-720
Спектральное разреше­ние, нм
Спектральный шаг, нм		5 или 10
Реализуемые типы ис­точников излучения	А, С, D65, CWE, TL84, D50, U3000	D65 (ксеноновая лампа-вспышка)	А, С, D65, CWE, TL84, D50, D75, изооо
Время измерения, с		< 4
Апертура наблюдения, °	2 или 10
Индицируемые коорди­наты цвета	L*, a*, b*; L*, c*, h*	(нет сведений)	L*, a*, b*; L*, c*, h*; Χ, Υ, Ζ; χ, у
Сходимость А Е CIELAB (по белому стандарту)	0, 05	0, 01	0, 01
Воспроизводимость А Е CIELAB	< 0, 2 (средняя), по 12 образцам	^0, 10 (средняя) < 0, 15 (максимальная)	^0, 15 (средняя) < 0, 25 (максимальная)
Габариты, мм	223 х 95 χ 155 (индикаторный блок) 211 х 90 X 105 (выносной блок)	368 х 292 χ 470 (горизонтальная модель) 597 χ 292 χ 356 (вертикальная модель)	597 χ 292 χ 356
Вес, кг	1, 8/0, 37	14, 06	17, 24

 

 

Таблица 14. 6. Параметры и характеристики колориметрических измерительных головок фирмы Minolta [74]

Параметр, характеристика	CR-300	CR-310	CR-321	CR-331	CR-331C
Приемники излу­чения	6 кремниевых фотодиодов (3 для измерения интенсивности падающего излучения, 3 для измерения интенсивности отраженного излучения) с фильтрами для выделения монохроматических потоков трех основных цветов — красного, зеленого и синего
Спектральная ха­рактеристика	Корригирована под стандартного наблюдателя МКО 1931 г. (х2 (λ ), у (λ ), ζ (λ ))
Источник света	Импульсная ксеноновая лампа (источник D65)
Геометрия освеще­ния/ наблюдения	D/O (включая зеркальную компоненту)	Широкоапертурное освещение/0 (вклю­чая зеркальную компоненту)	45° полусферическое освещение/0	45° двунаправленное освещение/0	45° полусферическое освещение/0
Диаметр измеряе­мой поверхности, мм
Кратковременная несходимость измерений	Цветность (ж, у): в пределах ±0, 0002; цветовой контраст (АЕ * ab): стандартное отклонение в пределах 0, 07. Калибровка по платине белого цвета производится 30 раз с интервалом 10 с.
Межприборное совпадение результатов измерений	А Е * ab в пределах 0, 6	Δ β * ab в пределах 0, 8	А Е * ab в пределах 1, 0	А Е * ab в пределах 0, 8	А Е * ab в пределах 0, 8
Температурный диапазон	Рабочий: 0-40 °С; регистрация и хранение информации (—20—(-40) °С
Влажность	Менее 85 % при 35 СС и отсутствии конденсата
Габариты, мм3	201 χ 91 χ 60	229 χ 91 χ 60	100 χ 81 χ 243	247 χ 116 χ 116	262 χ 116 χ 116
Масса, г
Дополнительные принадлежности	Калибровочная пластина CR-A43, футляр CR-A60	Калибровочная пластина CR-A44, футляр CR-A64	Калибровочная пластина CR-A45, • футляр CR-A63	Калибровочная пластина CR-A46, футляр CR-A61	Калибровочная пластина CR-A46, футляр CR-A61

 

Таблица 14. 7. Технические и метрологические характеристики колориметров С1210м П99. 1П [7К1

Характеристика	С1210	С2210
Назначение	Определение координат цвета Χ, Υ, Ζ, координат цветности х, у, коррелированной цветовой температуры
Диапазон освещенностей	мин. 0, 01 лк, макс. 6 · 105 лк
Число диапазонов измерений
х(Х) — коррекция погрешности корригирования f\x	< 1, 5%
у(Х)~ коррекция погрешности корри­гирования /ly	< 1, 0%
ζ (λ ) — коррекция погрешности корри­гирования fiz	< 2, 0%
Чувствительность к УФ, и	< 1, 0%
Чувствительность к ИК, г	< 1, 0%
Погрешность за счет нелинейности /з	< 0, 1 % ± 1 цифра
Погрешность отсчета /4	< 0, 15%
Температурный коэффициент ао	< 0, 01 %/К
Погрешность за счет утомляемости /5	< 0Д5%
Погрешность за счет модуляции све­та /7	< 0, 1%
Погрешность за счет переключения диапазонов /ц	< 0, 1% (для У-канала)
Суммарная погрешность fges	< 3% (для У-канала)
Предельные частоты	нижняя < 25 Гц; верхняя > 100 кГц
Калибровка	по источнику типа А при 25 °С; неопределенность ±0, 4% и ±6 К межкалибровочный интервал < 2 лет
Размеры	365 х 450 χ 135 мм3
Масса: — дисплей + измерительный блок — колориметрическая головка	~8кг ~1, 5 кг

Выходные сигналы фотоэлементов усиливаются высокоточными операционными усилителями, обеспечивающи­ми строгую пропорциональность фототока освещенности приемной площад­ки фотоэлемента. Фототоки преобразуются в соответствующие напряжения, поступающие на входы АЦП, за которыми следует микропроцессор. Коло­риметрическая головка термостатирована. Диаметр ее активной приемной поверхности равен 60 мм, калибровка осуществляется при температуре 25 °С.

В целях устранения субъективизма в оценке качества современных филь­тровых колориметров были предложены ряд критериев их сравнения. В [76] отмечено, что характеристики измерительных головок фильтровых колори­метров, предназначенных для измерений цвета источников света и светящихся (световых) дисплеев, достаточно точно моделируются с помощью функций сложения цветов , , . В 1980 г. Гёйтлер и Крохман предложили характеризовать качество трех колориметрических головок суммарной по­грешностью  в соответствии с известным критерием оценки адаптации фотометрических головок к функции , т. е.

 относительные спектральные

характеристики X, У, Z-каналов колориметра, калиброванного по источнику типа Α;  — функции МКО сложения цветов , , .

Однако интегральные оценки качества коррекции , ,  использу­ются только производителями приборов при их разработке и исследованиях, а формулу нельзя признать корректной [76].

В 1983 г. Д. Гундлах предложил метод, использующий другие функции сложения цветов для сравнения колориметров, применяемых при измерениях цвета планковских излучателей, газоразрядных ламп, сигнальных огней и др. цветных объектов [76]. Согласно этому методу, суммарная погрешность вы­числяется как MKO-LUV цветовое различие для функции сложения цвета t, взвешенной с учетом относительных спектральных характеристик колоримет­ра и функций сложения цветов:

Для оценки качества колориметров различного назначения предложены соответствующие формулы [76]. При сравнении колориметров для измерения цвета источников света и световых дисплеев в качестве функции сложения цвета  рекомендовано использовать спектральное распределение мощ­ности  планковского излучателя. Для ламп накаливания функция  зависит от абсолютной температуры нити Τ и выглядит следующим образом:

У источников дневного света для расчета относительного спектрального распределения мощности рекомендовано применять зависимость  от бли­жайшей цветовой температуры:

Соответственно, применительно к газоразрядным лампам рекомендовано использовать  определенных ламп, применяемых для проверки степе­ни корригированности спектральной характеристики фотометра под функ­цию :

Для определения эффективности двух предложенных методов оценки ка­чества колориметров были исследованы 5 приборов различных фирм: LMT, Minolta, Photo Res., PRC и Topcon. Сравнению с функциями МКО сложения цветов , ,  подлежали спектральные характеристики колоримет­ров. Второй метод (Гундлаха) показал лучшую сходимость результатов, чем базирующийся на физических принципах первый метод, поскольку последним не предусматривалось колориметрическое взвешивание расхождений между спектральными характеристиками и функциями сложения цветов [76].

Тем не менее, именно физический подход при определении погрешности трехканальных колориметров может служить объективным критерием оцен­ки качества прибора. При этом необходимо знать относительную спектраль­ную характеристику каналов колориметрической головки.

⇐ Предыдущая49505152535455565758Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: