分光光度计原理详解

1、HunterLab Presents,色澤基本的觀念與量測,Version 1.4,分別為五個項目且各自作為簡介:,內容,顏色的知覺,色彩的測量法,色澤的刻度,量測物表面特性與幾何學,樣品的準備與介紹,顏色的知覺,To Contents Page,End,構成顏色知覺的三大要素,光源,物體,觀測者,視覺觀測狀態,物體,光源,觀測者,視覺觀測狀態說明,所以為了讓一台色差儀標準化,所有的顏色感覺三要素都必須建構於此儀器裡,由上述圖案中呈現出構成顏色感覺的三 要素,光 源,光源,當光源散射於菱鏡上時會組成並呈現出所有的可見光譜.,標準光源所散發出來的光應是為白色.,光譜,可見光譜,光源波長的單位“

2、nanometers (nm)”十億分之一公尺 人體肉眼中的可見光波 範圍為 400 到 700 nm. 不同的光源在不同的波長範圍中因其相對能量的變化所以它所展現出來的波長曲線圖也隨之變化 .(如下圖),在電磁光波中只有某一小部份是人體肉眼 中的可見光波.,VISIBLE SPECTRUM,INFRARED,ULTRAVIOLET,0,50,100,150,400,500,600,700,Wavelength - Nanometers nm,Relative,Energy,Daylight,日光光譜圖, 2001 HunterLab,光源和發光體,發光體是經由策劃所產生的,而其能量與波長的相

3、對關係將會展現出其特有的光源.,光源是為發光主體本身所產生的亮度的來 源稱為光源.,光源和發光體,Daylight,Tungsten,Fluorescent,光源,發光體,常見的發光體,AIncandescent (白熾燈) CAverage Daylight (平均日光) D65Noon Daylight (正午日光) F2Cool White Fluorescent (白色螢光燈) U30Ultralume (紫外線),光源和發光體的要求,在於抽象的描述光源和發光體後,它們的特質必須要在相同的觀測環境下才能定量和標準化.,?,?, 2001 HunterLab,物 体,物體色性的修改,於著

4、色中選擇不同的顏料和染料將會吸收行進光源中的某特定波長而影響其反色 ,散色 ,穿透 , 吸收等特性,光源與校車顏色的互相關係,行進光源,鏡面反射,散射和反射, 2001 HunterLab,物体與光譜曲線,不同的物體因其反射或穿透的光線不同,所以它的光譜曲線圖亦不同,而藉由此特別的光譜曲線來呈現其特色.,分光光度計對校車顏色的光譜曲線圖,環境,在測量反射或穿透的特性中, 我們必須將外在環境作一標準 化.,?, 2001 HunterLab,觀 測 者,觀測者,光源將會依觀測者的肉眼對光波不同敏感度而定.,人体眼球對色澤感知的光譜曲線圖,觀測者的知覺,圓椎体是負責對色澤的感知. 人的肉眼中有三種

5、不同顏色的圓椎 体,分別:紅色,綠色,籃色.,桿柱体是對光的感知.,眼球,對觀測者的實驗,下面實驗將帶領我們來定量人体對顏色的知覺: 觀測者由2度的觀測角來觀察被測物並混合調整三色(紅,綠,籃)直到將被測物的光譜被整個覆蓋,並重複實驗來求取平均值.,標準比色法,RED,GREEN,BLUE,TEST LIGHT,WHITE BACK DROP,REDUCTION SCREEN,EYE,BLACK PARTITION,TEST FILTER,2,對觀測者測試結果,由此實驗中求得 x, y,z並規範為CIE 1931 2 的標準,並得到人體對紅,綠,籃,三色敏感度的平均值.,CIE 2 標準比色法

6、, 2001 HunterLab,觀 測 者角度標準,1931年發明 2的標準觀測法 1964重新做一修改為10的標準觀測法.,7 feet,2 and 10的觀測,2 VS 10 的觀測值比較, 2001 HunterLab,觀測者,在兩種不同的量測角下比較並發現10 觀測角得出的平均值較為客觀,此後10 觀測角也就更被為接受.,觀測者的三要素,此後就定義了色澤量測的三要素: 光源:由使用者自行選定 被測物:用來被測其穿透量或反射量 觀測者:使用CIE(國際照明協會)的量測標準, 2001 HunterLab,色澤的測量,To Contents Page,End,基本要求:,顏色的知覺,顏色

7、的測量,物体,光源,色澤的測量,藉由 CIE 的標準量測後得到三刺激值 X, Y, Z ,且並用此三刺激值 X, Y, Z , 來表示物体的色澤量,=,x,x,x,=,=,=,X = 41.9,Y = 37.7,Z = 8.6,x,色差計對色澤的測量,三刺激值X, Y, Z ,是由色差計將光源投射於樣品上經反射並穿過紅,綠,籃三種不同色的濾片直接射入光電二極管中,再經由幾何 公式的計算求出X, Y, Z ,值,色差計對色澤的測量,Tristimulus Colorimeter,X =,Y =,Z =,X = 41.9,Y = 37.7,Z = 8.6,Light Source,Specimen

8、,Red, Green 負數表示綠色 b (黃-籃) -正數表是黃色;負數表示籃色,Hunter L,a,b 座標圖,L = 100,L = 0,Hunter L,a,b 座標圖,所有的顏色將由Hunter L,a,b 座標圖中的L,a,b值表現出來. 下圖將會表示出校車所座落的座標位置.,-10,+30,+20,+10,-20,-30,-40,-30,-20,-10,+10,0,BLUE,RED,GREEN,YELLOW,WHITE,BLACK,LIGHTNESS,+60,+30,+20,L = 61.4,a = +18.1,b = + 32.2, 2001 HunterLab,黃色校車在H

9、unter 中的L,a,b,L = 61.4 a = + 18.1 b = + 32.2,L,a,b 值的區分,目前所使用L,a,b 值色座標中常用的有 Hunter L,a,b 和CIE L*,a*,b*. 此兩種L,a,b 值色座標有著不同的運算公式,必須注意以避免混淆 .,Hunter L,a,b,CIE L*,a*,b*,Hunter L,a,b (1958) VS CIE L*,a*,b* (1976),L,a,b 值的由來,Hunter L,a,b 和 CIE L*,a*,b* 的數值都是由X, Y, Z 中經幾何運算公式中求出,但因幾何運算公式中的參數不同所以答案值也不同. 目前

10、多以CIE的 L*,a*,b* 最被為廣泛運用.,運算公式,CIE L*,C*,h座標圖,CIE L*,C*,h也是為國際照明協會經由CIE L*,a*,b*運算所得到的另一種色系座標. 而CIE L*,C*,h 所呈現出來的值為L*,C*,h 代表意義如下: L*:亮度lightness ,C*:色濃度 chroma (saturation), h:色彩度.,CIE L*,C*,h座標圖,什麼是可接受的色差?,可接受的色差,何謂可接受的色差: 在顏色的配應中,將視覺的感知,最大和最小的接受度訂出即為可接受的色差.,什麼是L*, a*, b*色差值?,樣品值-標準值=色差值 如果L* 為正的表

11、示樣品比標準亮 如果L* 為負數正表示樣品比標準暗 如果a* 為正的表示樣品比標準紅 如果a* 為負數表示樣品比標準綠 如果b* 為正的表示樣品比標準黃 如果b* 為負數表示樣品比標準籃,L*, a*, b*色差值,COLOR DIFFERENCES,D,L*,=,+2.2,D,a*,=,-2.5,D,b*,=,-2.4,大部份產品的顏色容差是容易被 定義出來的. 而描述容差的被接受度順序如下 1.明量度 2.色層 3.飽和度,容差規範的接受度,可接受的容差,色澤和明量度的可接受變化量,在單一色系中其a*值 和 b*值的可接受變化量會比L*值大. 在非單一色系中其L*值可接受變化量會比 a*值

12、 和 b*值大.,色澤和明量度的可接受變化量,L*, a*, b* 的色差空間,在 Hunter L,a,b 或 CIE L*,a*,b*的3D立体色層座標圖中,其可接受的容差範圍是用一個立体的矩形將容差規模於內.,L*, a*, b* 的色差空間,X, a*, b*, L*,E*,E* :稱為總色差值,可用於決定 PASS 或 FAIL., 2001 HunterLab,不規則的色差值E*,E* 有時也會造成視覺的誤差, 例如: 在不同批產品中我們可用眼睛發現顏色的色差,但儀器卻無法分辨.,不規則的色差值E*,Standard,Batch 1,Batch 2,L*, C*, H* 的色座標圖

13、,H 的計算公式: H (E*ab)2 - (L*)2 - (C*)21/2 如果L* 為正的表示樣品比標準亮 如果L* 為負數正表示樣品比標準暗 如果C* 為正的表示樣品比標準飽和 如果C* 為負數正表示標準比樣品飽和 H*表示色層的變化量,L*,C*,H* 色差值,SAMPLE,L*,=,71.9,C*,=,58.9,h,=,80.0,STANDARD,L*,=,69.7,C*,=,61.8,h,=,78.5,COLOR DIFFERENCES,D,L*,=,+2.2,D,C*,=,-2.8,D,H*,=,+2.0,L*, C*, H* 的色座標圖,L*, C*, H* 所規範的3D立体容

14、差圖如下圖.,L*, C*, H* 的色座標圖,Ecmc的色座標圖,Ecmc 是由L*,a*,b* 中所換算出來的其有AUTO RANGE的功能.,Ecmc的色座標圖,Ecmc的色座標圖,Ecmc 也只有一個數值來判定合格或不合格, 通常設定值為一參數值光源 (lightness)和 色濃度(chroma)的比值簡稱 (l:c) ratio 一般的設定值為2:1,Ecmc計算公式,D,D,D,Ecmc,=,L,*,SL,C,*,SC,H,*,SH,Where:,cf,l,c,+,+,2,2,2,SL,SC,SH,D,cf = commercial factor l:c = lightness

15、to chroma ratio,表面特性與幾何學,To Contents Page,End,散射,光如在行進方向遇到不透明体會產生反射和折射我們統稱散射.,散射,Incident Light,SpecularReflection,DiffuseReflection,表面特性對光的影響,當您查看同一顏色的物質,由於表面粗糙度的不同將會讓您產生視覺的誤差,如光澤變暗顏色變淺 .,表面特性對光的影響,Glossy,Matte,Textured,表面特性對光的影響,越粗糙的表面其散色越是嚴重,而會造成顏色被稀釋,光澤被提高.,表面特性對光的影響,Matte,Semi-Gloss,High Gloss,

16、儀器幾何學,儀器幾何學的定義: 光源 樣品 偵測系統,方向性幾何學,方向性幾何學: 光源45 量測角 0稱為:45/0. 量測角45光源 0稱為:0/45. 此兩種型式的機型必須排除鏡面 反射.,45/0 和 0/45幾何學,Specular,Specular,45 Illumination/0 Measure,0 Illumination/45 Measure,Spectrometer,Spectrometer,Source,Source,Specimen,Specimen,光澤對顏色的影響,下圖說明了光澤對顏色的影響: 將同樣的顏色的色料塗抹於具光澤 和不具光澤的樣品上即產生了色澤的變化.

17、,光澤的影響,L* a* b* Specular Excluded 1.4 -1.5 -1.2,Glossy,Matte,0/45 Geometry,A 0/45 幾何分光光度計,LabScan XE,散射幾何學,散射幾何學的機型: 積分球(sphere) :其量測角為 8 所以又稱為(d/8 ).,積分球 d/8,Specular Included,Specular Excluded,Spectrometer,Spectrometer,Source,Source,Specimen,Specimen,光澤對顏色的影響(積分球 d/8),下圖同一色板是用積分球型的儀器所測量出來的,由於我們包含了

18、鏡面反射的讀值所以沒有明顯的色差產生.因為此功能是應用於一些配色公式. 積分球型的儀器也可以將鏡面反射去除,使其讀值與0 /45 的儀器相似.,光澤的影響, L* a* b* Specular Included 0.0 0.1 -0.0 Specular Excluded 1.8 -1.6 -0.9,Sphere Geometry,Glossy,Matte,積分球 d/8 的鏡面反射,積分球型儀器是目前最完美的分光光度儀. 於量測時我們建議將鏡面反射係數 含蓋於積分球內一併計算.,紋路的影響,Smooth Specimen,Textured Specimen,Measurement is Accurate,Measurement is Too Light,紋路對色差的影響,下圖是為具有不同紋路特性的兩片塑膠片,我們分別以積分球含鏡面反射,積分球不含鏡面反射及0 /45 的測值如下.,紋路影響所造成的色差,Light Texture,Heavy Texture,積分球,積分球型式的儀器可量測穿透值,光的穿透,透明物可分為液体或是固體且也 有著鏡面反射. 當光源以直線的行進方向穿透此 透明物時由於透明物表面的紋路 或粗糙的關係會造成光的穿透,消散及散射,而由其中將顏色或是霧度呈現出來.,光的穿透行進路線(透明物体),Incident Light,SpecularR