色差儀的幾何結(jié)構(gòu)及d/8結(jié)構(gòu)和45/0結(jié)構(gòu)的區(qū)別

在顏色的測量過程中，多種因素會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，如觀察角度、樣品位置等。為了統(tǒng)一顏色測量的條件，CIE對顏色測量的條件做了標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，其中就包括顏色測量的幾何條件，而色差儀是以CIE為基礎(chǔ)研制的光學(xué)儀器。本文對色差儀幾何結(jié)構(gòu)及d/8結(jié)構(gòu)和45/0結(jié)構(gòu)的區(qū)別做了介紹。

色差儀的幾何結(jié)構(gòu)：

光與材料的相互作用產(chǎn)生了鏡面反射和漫反射、定向透射和散射透射以及光吸收，每種成分的特定組合取決于光源、材料的性能以及它們的幾何關(guān)系。

1931年CIE在定義標(biāo)準(zhǔn)觀察者、標(biāo)準(zhǔn)照明體時，就提出了把與法向成45°角的入射和沿著法向觀察，作為測量反射率的標(biāo)準(zhǔn)幾何條件。這種幾何條件標(biāo)記為45°/0°，該寫法表示照射角度/觀察角度，通常將法向定義為0°。

另一種常用的幾何條件是漫射/垂直，它要用到積分球。積分球是一個直徑是十幾厘米或更大的中空金屬球，它的內(nèi)表面涂有高漫反射物質(zhì)，如硫酸鋇或聚四氟乙烯。為測色設(shè)計的積分球，球體會有多個開孔。其中有1個觀測孔，即接收器孔，它在測量孔對面，一般與法線呈80角，用于采集物體的反射光。因此這種幾何條件標(biāo)記為d/8°，含義是漫射照明，8°觀察。

光線是可逆的，上面2種幾何條件就可以衍生出0°/45°和8°/d兩種幾何條件。

在某一時期CIE推薦了以上4種幾何條件，那時當(dāng)在整個漫射角范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)樣品時，大多數(shù)材料具有一致的體色。目前，許多材料都具有隨角異色性，它們顏色的改變是照明條件和觀察幾何條件的函數(shù)。含有金屬片或珠光顏料的涂料就是一個典型的例子。因此，多角幾何條件應(yīng)運(yùn)而生。多角測量是以逆定向反射角（與鏡面反射光的夾角）來定義的。下圖從左至右分別為0°/45°、積分球和多角度幾何結(jié)構(gòu)的示意圖。

對應(yīng)上面的幾何條件，發(fā)展出來的測色儀分別為45°/0°（0°/45°）測色儀、積分球分光測色計和多角度分光測色計。其中積分球分光測色計又可以區(qū)分為便攜式和臺式，值得一提的是，臺式分光測色計可以測量透明樣品的顏色參數(shù)。

d/8結(jié)構(gòu)和45/0結(jié)構(gòu)色差儀的區(qū)別：

積分球是一個中空的金屬球，其內(nèi)表面涂有中等灰色的高反射漫射物質(zhì)，如硫酸鋇或聚四氟乙烯。進(jìn)入這個球體的光線經(jīng)過多次反射后都只能從測量孔或光源孔射出積分球。一束光從任意的不通過球心的角度照進(jìn)積分球，經(jīng)過球壁的多次反射后會從各個角度照射到樣板，最終通過測量孔或光源射出積分球。測量孔是在與法線夾角成8°的位置，由一組光電管構(gòu)成的探測器。例如三恩時公司的TS7020、TS7030、TS7036等色差儀就是這種結(jié)構(gòu)的色差儀。

CIE沒有明確規(guī)定積分球的開孔尺寸，只要求所有開孔面積不超過內(nèi)表面積的10%，因此不同廠家的產(chǎn)品的開孔位置、尺寸及光源入射角度會有區(qū)別。與觀測孔關(guān)于法線對稱的地方有一個光阱，關(guān)閉光阱時鏡面反射成分包含在內(nèi)，簡寫作d/8：i（d表示漫反射照明，8是8度角接收，i指包括鏡面反射），也可簡寫作SPIN。當(dāng)光阱打開時去除了鏡面反射，此條件簡寫作d/8：e，e指去除鏡面反射。這種儀器不僅能測量不透明樣品的顏色，還可以測量透明樣品的顏色。

理想漫反射物體對于任意一束光都將以漫反射形式即各方向等效地反射出去，為此入射光和觀察者的角度并不重要，不會影響到觀察結(jié)果，但真實(shí)物體表面并非理想漫反射表面，多少都會由于鏡面反射成分和表面紋理而造成由于入射光和觀察者的幾何位置不同而表現(xiàn)出來的微小顏色差異。而環(huán)形照明則可以消除這種影響，其是以45°環(huán)形照明，0°（法線方向）觀測的，可以縮寫為：45/0：c。由于光路可逆，它與0°照明45°方向環(huán)形接收是等效的，該測色幾何條件對應(yīng)的色差儀有三恩時公司的NR145+等。這種結(jié)構(gòu)的儀器是完全不包括鏡面反射光的，測得的數(shù)據(jù)與人眼觀察一致，另外這種儀器只能測量不透明樣品的顏色。

d/8結(jié)構(gòu)色差儀SCI和SCE的區(qū)別：

特別注意，只有積分球才會區(qū)分鏡面光澤包含和鏡面光澤排除，這是很多初學(xué)者經(jīng)常容易忽略的概念。當(dāng)人們在觀察光澤樣品時，他們總是旋轉(zhuǎn)樣品以消除鏡面反射，從而能看到樣品的真實(shí)顏色。因此，光澤排除的積分球應(yīng)運(yùn)而生。測色時除去光鏡面反射，得到的結(jié)果與目視測量有更好的一致性。它的原理是在積分球上開一個孔，該孔放在鏡面反射的方向，可根據(jù)測量需要，分別將與球的內(nèi)壁相同的材料或黑色光阱放在鏡面開孔處，這樣就可將鏡面反射光包含在測量中，也可以將鏡面反射光從測量中除去?？s寫形式“SCI”（Specular Component Included）用于表示包含鏡面光澤的積分球測量，而“SCE”（Specular Component Excluded）用于表示排除鏡面光澤的積分球測量。測色時最好指明使用的是哪種模式。

包含鏡面光澤的測量方法，可以把樣品表面的影響降至最低，特別適合顏色質(zhì)量監(jiān)控和計算機(jī)配色，反映的是樣品材質(zhì)的顏色，與樣品表面條件無關(guān)；而排除鏡面光澤的測量方法，所測量的結(jié)果和肉眼觀察的比較相似，考察了樣品表面狀態(tài)和紋理的影響。這2種模式被廣泛應(yīng)用在材料性能測試過程中。

d/8結(jié)構(gòu)色差儀積分球?qū)y色的影響：

積分球是一個中空的球腔，球腔上開有入孔和出孔，腔壁一般為具有漫反射性質(zhì)的涂層。當(dāng)積分球用于激光功率與能量測量時，被測激光束從入孔射入，經(jīng)過腔壁復(fù)雜的漫反射后，一部分光被腔壁吸收，其余從入孔和出孔射出。通過特殊的設(shè)計，可使出射光能量比入射光低幾個數(shù)量級，將強(qiáng)激光衰減，用弱光探測器測量取樣出孔處的光功率、波形和能量，換算后即可得到原入射光束的相應(yīng)參數(shù)。在0/d條件下當(dāng)量光譜反射比（經(jīng)過多次反射的綜合作用結(jié)果）ρs（λ）的計算公式如下：

ρ（λ）為積分球內(nèi)壁材料的光譜反射比；D為積分球內(nèi)腔直徑；f為積分球開口面積和總面積之比；s為樣品被照射面積。

從上面的公式可以分析出，光譜反射比經(jīng)過積分球后損失較大，這就大大減小了儀器的信噪比。傳統(tǒng)的內(nèi)壁材料一般是BaSO4噴涂，它容易老化和脫落，所以經(jīng)過一段時間，儀器的精度會有很大變化。