色度学理论的建立及在钛白粉颜色测量中的应用.doc

/ /色度学理论的建立及在钛白粉颜色测量中的应用色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学，它是以物理光学、视觉心理、视觉生理为基础的综合性科学。CIE(国际标准照明委员会)标准色度学是在色度学基础上建立起来的适用于精确的评定工业产品的颜色、颜色差别，适用于以颜色判定优劣的各产品之间的比较的标准体系。可以理解为，是将自从有了人类以来，就需要以视觉感受的颜色实现了以精确的数字表示的系统，是颜色测量的工具和方法。 钛白粉是涂料、塑料、造纸等工业的重要原料，颜色是评价这些产品的一项重要指标，而钛白粉在涂料、塑料、纸张生产中的应用，其本身的颜色、色差、亮度、散射力及底色等直接影响到最终产品的颜色质量。因此，应用色度学理论，建立钛白粉检验方法，综合评价钛白粉的色彩特性，是为客户提供稳定、适用、优质产品的保证。l、CIE标准色度学系统的建立、发展与完善11 193l CIERGB系统111系统的建立 颜色学者莱特选择650nm(红色)、530nm(绿色)、460nm(蓝色)为三原色，由10名观察者在2。视场范围内，用这三原色匹配等能光谱的各种颜色；另一名颜色学者吉尔德在2。视场观察条件下，用滤色片产生相当于波长630nm、 542nm、460nm三原色，由7名观察者来匹配等能光谱的各种颜色。在莱特和吉尔德17名观察者匹配光谱色实验结果的基础上，将两人所使用的三原色转换成700nm(R)、5461nm(G)、4358nm(B)三原色，并将二者的三原色单位调整到相等数量相加匹配出等能白色(E光源)这样的相同条件，发现两人的研究结果完全一致。1931年cIE采取两人的平均结果做为匹配等能光谱色的三刺激值，以r、g、b表示。这一组数据是CIE标准色度学建立和发展的基础。112理解与评价 莱特和吉尔斯两人最大的贡献是其颜色测量思想的建立是正确的、成功的。得出的匹配光谱色的三原色量值，是颜色测量的原始数据，并且以此为依据绘制了偏马蹄形色度图。色度图坐标与r、g、b的转换公式如下： r=r /r+g+b; g=g/r+g+b; b=b/r+g+b; 该系统的缺陷是匹配三原色的量值出现负值，计算不方便且不易理解。r值很大一部分出现负值。而且毕竟马蹄形不是人们熟悉的几何图形，这为理解与应用该系统都带来了不便。12 1931 CI：EXYZ系统121系统的建立 1931年,CIE在RGB系统的基础上，改用三个设想的三原色X、Y、z建立了新的色度图同时将匹配三原色的数值标准化，这一系统称做CIE 1931标准色度学系统”此系统解决了两个问题：1、色度图中不再出现负值；2、设定X、Z两原色亮度为0，XZ线为无亮度线，Y既表示色度又表示亮度，使亮度的计算更为方便。1931 CIERGB系统与1931 CIExYz系统的色度坐标转换关系如下：任意一波长的光谱色在XYz色度图中的坐标x、y、z与RGB色度图中的坐标r、g、b的关系式为：按上述公式求出1931 CIE-RBG色度图中各波长光谱三刺激值在1931 CIE-XYZ色度图中的各色度点，然后将各点连接即成为CIE 1931色度图光谱轨迹。如图1：122 理解与评价 1931 CIEXYZ系统色度图中三角形的顶点为三原色X、Y、Z，但三原色为虚拟的，不能用真实的光线实现。光谱轨迹之外的颜色都是假想的颜色。在该色度图中，X、Y、Z仍表示红、绿、蓝三原色，在光谱轨迹内按任一组X、Y、Z数量的假想三原色相加，便能得到一真实的光谱色。该体系设定X、Z两原色亮度为0，XZ线为无亮度线，Y既表示色度又表示亮度，使亮度的计算更为方便。 1931 cIE_XYz系统成功的解决了负值，是一切色度学计算的实际应用工具。不足之处是适用于1。4视场，大于4视场时无法准确的表示颜色。13 1964 CIE补充色度学系统131系统的建立 为了适合10大视场的色度测量，CIE在1964年根据斯泰尔斯、伯奇、斯伯林斯卡亚等人在10大视场条件下得出的光谱三刺激值，规定出1964 CIE-RGB系统的三刺激值r 10、g lO、b10，按照前面所述RGB系统向XYZ系统的转换公式，得出1964 cIE_XYz系统10大视场的光谱三刺激值。转换关系如下：132 理解与评价 1964 CIE-XYZ系统与1931 CIE-XYZ系统的原理是完全一致的，并且是在1931CIE-XYZ系统的基础上建立起来的，但是视场范围扩大到10，颜色匹配更精确。不足之处是没有考虑颜色的宽容量，色度图中两点颜色的差值与视觉差不一致。但其得到的基础数据在钛白粉及其它行业的颜色测量中有着极为广泛的应用。14 1976 CIE均匀颜色空间141系统的建立 CIE均匀颜色空间的建立经历了三个阶段：1960均匀色度标尺图，解决了1931色度图的颜色不均匀性，但仍是二维图，只有色度坐标，没有明度坐标，计算颜色差异不大方便；1964年，CIE规定了三维均匀颜色空间，引入了明度指数，可以通过公式计算两个颜色在视觉上的差异E；为进一步统一评价颜色差异的计算方法，CIE推荐1976(L*a*b*)均匀颜色空间及色差公式：142 理解与评价 1976 CIE均匀颜色空间是目前应用最广泛的颜色空间，量化了颜色及颜色差别，当颜色差别大于视觉辨别阈限时，能较好的反应物体色心理感受效果，其色差计算公式尤其适合最终产品颜色差别一致性的定量评定。2色度学理论在钛白粉颜色测量中的应用21颜色 钛白粉的颜色为白色，白色同其它彩色一样，是均匀颜色空间中的一个量。国际上和我国对各种产品的白度值的表示有几种方法，通常最常用的有甘茨白度、蓝光白度和享特白度。甘茨白度以三刺激值为计算依据，在色泽超出3一+3范围时，即明显带有颜色的白色样品没有意义；享特白度以100减去色差表示，同样适合较高白度的样品；蓝光白度又称：R457白度，在国际纸张漫反射比的测量及我国造纸、塑料及建材行业中应用较广泛，国内许多钛白粉企业也用蓝光白度表示钛白粉颜色。蓝光白度定义为： R457=100()，为光谱亮度因数，即光谱反射率； 从公式可看出，蓝光白度只与亮度相关。当采用相对白度法表示白度时，通常标样白度设定为100，样品测量值为101时，表示样品比标样亮度高1；1976 CIE均匀颜色空间规定L*为亮度，只与三刺激值Y相关(141)，因此在相同测量体系中，蓝光白度与亮度表示的产品质量趋式是一致的。即钛白粉的颜色可以用在本色体系中的亮度表示，亮度高，钛白粉就有较高的白度。这与美国一些企业直接用Y值表示白度的思想是一致的。22色调 国家标准GBT 521120一1999在本色体系中白色、黑色和着色颜料颜色的比较色度法中规定了颜料色调以ba表示样品相对标准样品的相对色调；国外企业更多采用样品湿膜的三刺激值中Z与X的差值或比值表示色调，也称底调。从两种表示方法的计算公式来看，二者意义是相同的：国标色调表示的意义是样品与标样在均匀颜色空间中两色调值(a、b)差值比； 底调：ZX或ZX，当以ZX作为样品的色调时，通常规定两个较小的ZX差值一个较大的数值区间，这样有利于样品之间的比较。其公式的意义非常明确，色调即是组成样品的三原色的蓝原色与红原色的量的差值或比值。它应用的理论是1931 CIE标准色度图，Z与X只表示色度，不表示亮度。 在实际应用中用底调值表示钛白粉的色调更直观、更精确。从公式可看出国标色调计算过程复杂，误差太大，结果以黄相、绿相、蓝绿相、蓝相等表示，只是对产品色相的一个大致判断，不能定量；而国外方法的底调值非常明确的表示组成样品的三原色中蓝色比红色多了多少或蓝色是红色的几倍，而且计算过程简单，结果精密度非常好。23 相对散射力 相对散射力是钛白粉的一项重要应用性能指标。它以样品与参照样品的吸收与散射系数比来表示。根据库伯尔卡-芒克(KubelkaMunk)理论，无限厚的涂膜(不透明膜)的亮度或反射率R与颜料对光的吸收系数K和散射系数S呈如下函数关系： 式中K为吸收系数；S为散射系数，Y为样品三刺激值中的亮度值； 从公式可以看出，Y值越高，吸收越小，散射越大，KS值越低；以样品与参照样品的KS的比值表示样品的相对散射力，综合考虑了样品吸收与散射两方面的光学性能。 在实际应用中，计算带入的误差较大，当Y值有02的偏差时，相对散射力产生1的偏差。所以应用该指标评定钛白粉时，误差控制在2以内已经很困难。因为Y值与KS完全呈线性关系，所以直接用Y值表示钛白粉的散射力，与相对散射力的趋式是一致的。 需要说明的是，亮度与相对散射力都是以三刺激值的Y值为计算依据，但两者反应的产品质量意义不同。相对散射力的测定是将钛白粉分散在黑色浆料中，测定的Y值或相对散射力值反应了钛白粉对黑色浆料的消色能力和遮盖能力；亮度的测量是将钛白粉分散在无色浆料中，测定的亮度值反应钛白粉本身的颜色，并不能反应在有色体系中的散射能力。3结束语