色彩量測

1 色彩

人眼檢視物體時，來自光源的光會從物體反射 (或穿透物體) 進入眼睛，並由視網膜上數種類型的感光細胞收集。這些細胞收集的光線比例，會送到大腦並感知為色彩。實質上，收集的光線之簡單比例，沿著神經通過時會進行多項處理，然後才會被人眼辨識為色彩。色彩量測是將人眼感知色彩以數值表示的一種方法。色彩量測與照明、物體光譜特性和人眼的光譜靈敏度特性相關。由於眼睛的照明光譜分佈和光譜靈敏度特性 (色匹配函數) 已在 JIS 標準中定義，若知道物體的光譜反射，便可計算一個色彩值。(若光通過物體，可使用分光透射率進行計算。不過以下說明中使用分光反射率。) 為了更詳細說明，在 JIS 標準中，使用多種條件計算照明光譜分佈和色彩匹配函數。我們很熟悉照明改變時的色彩變化。因此會為每個照明光譜分佈設定不同的係數。此外，由於和視網膜靈敏度特性分佈的關係，色彩也會依據視野 (視角) 改變。因此 JIS 標準依據視野設定不同的色彩匹配函數。色彩量測需要 380 nm 到 780 nm 的波長範圍，相當於人眼能夠感知的波長。可由 UV-Vis 分光光譜儀在這個波長範圍內，依據分光反射率測量計算進行色彩量測。有色彩量測軟體可用於簡單色彩量測。 溶液分析是使用紫外光-可見光分光光譜儀進行測量時的常見應用。有許多類型的比色槽用於溶液分析。取決於比色槽的材質、光徑長度和容量，其應用與目的可能不同，而使用時需要觀察的重點也不同。在此我們檢視多種類型容槽的特性，以及使用時應考量的一些重點。

2 色彩量測

為了以 UV-Vis 分光光譜儀進行色彩量測，首先測量物體的分光反射率。依據照明的光譜分佈、從物體取得的分光反射率和色匹配函數計算，以一個數值表示色彩。照明光譜分佈和色匹配函數值儲存在顏色量測軟體中，在測得分光反射率光譜時取得顏色量測值。XYZ 三刺激值是顏色量測的基礎。JIS Z 8722「顏色量測方法 -- 反射與穿透物體」使用以下表示式計算 XYZ 三刺激值。

其中，
S(λ)：波長 λ 下的照明光譜分佈值
x(λ), y(λ), z(λ)：XYZ 色彩系統中的色匹配函數值
R(λ)：樣品分光反射率
Δλ：用於計算的波長間隔

除了 XYZ 刺激值以外，也有已知用於表示顏色的其他幾種色度規格系統。顏色量測軟體可以在以下色度規格系統中進行計算：XYZ 三刺激值、xy 色度座標、Hunter Lab 色彩量表、L*a*b* 色度系統、L*u*v* 色度系統和 U*V*W* 色度系統。XYZ 三刺激值系統以外的色度規格系統數值，是從 XYZ 三刺激值計算得出的。

3 色差

色度規格系統是以數值表示色彩的方法，而色差表示色度之間的差異。以數值表示色差數值的計算，使用較接近人類視覺感知的均勻色空間 (UCS) 色度規格系統。L*a*b* 色彩系統是典型的 UCS 色度規格系統。L* 代表亮度，而 a* 和 b* 代表色相及飽和度。JIS Z 8729「色度規格 -- CIELAB 和 CIELUV 色空間」呈現在 L*a*b* 色度系統中計算的方法。色差使用每個物體 (樣品) 顏色的 L*a*b* 值計算。L*a*b* 色彩系統中的色彩差異 ΔE*ab，使用 JIS Z 8730「色度規格 -- 物體顏色的色差」中的表示式 (2) 計算。

若兩個物體 (樣品) 的色度座標命名為 L*1a*1b*1 和 L*2a*2b*2，可從表示式

看到，色差相當於 L*a*b* 色空間中，兩個點之間的距離。兩個色彩之間的差異越大，色差值越大。除了在色度規格系統中顯示色度系統和色彩差異以外，色度量測軟體可以進行其他計算，例如白度指數、主要波長和激發純度。

4 設定色彩量測條件

色彩量測計算可設定數項條件。這些條件為照明 (光源) 和視野 (視角)。照明設定是必要的，因為色彩會隨樣品上的照明變動。照明設定包括 A、B、C 和 D65。在 JIS 標準中，這些稱為標準光源以及輔助標準光源。每種照明的光譜分佈不同。例如，標準光源 A 用於計算由白熾燈泡照明的物體顏色。標準光源 D65 用於計算在日光下的物體色彩，包括 UV 光範圍。色彩量測軟體允許使用者定義的照明設定，以處理標準未提供的照明條件。
也必須設定視野 (視角)，因為從遠近距離觀察物體時，色彩看起來不同。對於 4 度以下的視野，會使用 2° 平均視角進行計算 (從遠距離檢視的色彩)；對於超過 4 度的視野，會使用 10° 平均視角進行計算 (從近距離檢視的色彩)。2° 平均視角和 10° 平均視角的色彩匹配函數不同。 
若讀取光譜時參數設定改變，清單中顯示的色彩測量數值會立即改變。圖 2 顯示計算參數設定畫面。

色彩量測軟體可同時顯示最多六個計算項目。若讀取光譜時計算項目改變，顯示的色彩測量數值會立即改變。圖 3 顯示選取計算項目的畫面。

5 分光反射率測量

測量分光反射率之前，必須設定測量參數。若要設定測量參數，設定光度數值 (透射率 / 反射率)、波長範圍 (通常設為 380 nm 至 780 nm)、掃描速率、狹縫寬度和取樣間距 (sampling pitch)。圖 4 顯示測量參數設定畫面。

通常使用積分球測量物體的分光反射率。圖 5 顯示放置樣品時的積分球照片。可透過如照片所示安置樣品以測量分光反射率。圖 6 和圖 7 顯示使用積分球的分光反射率測量範例。圖 6 顯示粉紅色紙張的分光反射率測量，而圖 7 顯示淺藍色紙張的分光反射率測量。使用硫酸鋇做為參照的白板。可見光範圍涵蓋藍色系統 (400 nm 至 500 nm)、綠色系統 (500 nm 至 600 nm) 和紅色系統 (600 nm 至 700 nm)。圖片顯示粉紅色紙張在紅色系統中反射較多，而淺藍色紙張在藍色系統中反射較多。

6 資料修正

分光反射率測量需使用一個標準白板，以測量物體反射色彩 (以反射進行的色彩量測)。使用的標準白板包括硫酸鋇、氧化鎂、氧化鋁和氟樹脂。不過，由於這些在整體測量波長範圍都具有高反射率，若使用相同的儀器，可進行適當色彩比較。不過，由於標準反射板並未形成完美擴散表面，且未提供 100% 反射率，為樣品測得的分光反射率數值為相對數值。需要極高準確度測量，以比較由不同儀器取得的測得結果。進行高準確度測量需要相對於完美反射擴散表面，將分光反射率修正為分光比反射率。白板修正功能可用於此修正。透過輸入修正的標準白板之分光反射率，測得的分光反射率會修正，以相當於完美反射擴散表面的測得結果。相反的，厚度修正會套用到物體透光色彩的測量 (以透光進行的色彩量測)。樣品厚度改變導致分光透射率變化，導致不同的色彩量測結果。厚度修正功能可決定所需厚度 (目標厚度) 的透光色彩。
透過輸入實際測得的厚度、將用於決定色彩的目標厚度和表面反射率 (或者從折射率計算的表面反射率) 進行厚度修正，可以比較不同厚度樣品之間的透光色彩。厚度修正會進行以下計算。(參見圖 10。)

其中，
T1：測得的透射率 (%)
T1'：相對於測得透射率 (%) 的內部
透射率 (%)
r：樣品表面反射率
t1：測得的樣品厚度 [測得的厚度] (mm)
t0：用於決定 [目標厚度] (mm) 透射率
之樣品厚度
T0：計算得出的透射率 (%)

相對於輸入表面反射率，可輸入使用
以下表示式從折射率計算得到的數值：
expression can be entered:

對於折射率 1.5 的玻璃，這會產生 4% 的表面反射率。會在每個波長下決定厚度修正的透射率數值後，進行色彩計算。

7 總結

JIS 標準詳細定義用於色彩量測的計算方法和係數。若分光反射率已知，可使用試算表軟體進行計算。不過不同照明和視野需要不同的係數，因此需要大量的輸入資料。色彩量測軟體可用於選擇條件和測量分光反射率，以簡化色彩量測。