顏色是自然界物質(zhì)的最主要的客觀屬性之一。長期以來對顏色表征僅限于主觀的形容詞匯，更談不上定量的測量。隨著社會的發(fā)展，實(shí)時、便捷、定量的測色儀器有著越來越重要的應(yīng)用價值，而色差儀就是比較常見的一種顏色測量儀器。本文對色差儀的原理、結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢做了介紹，感興趣的朋友可以了解一下！
色差儀是什么儀器？
色差儀是一種常見的光電積分式測色儀器。它利用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)光源照明被測物體，在整個可見波長范圍內(nèi)進(jìn)行一次積分測量，直接測得透射或反射物體色的三刺激值和色品坐標(biāo)，并可通過專用微機(jī)系統(tǒng)給出兩個被測樣品之間的色差值。這是一種操作簡便，價格便宜，在工業(yè)生產(chǎn)、科研實(shí)驗(yàn)、質(zhì)檢、商檢和計(jì)量部門有著廣泛應(yīng)用的光學(xué)分析儀器。
根據(jù)性能參數(shù)、精度范圍和使用要求，色差儀可分為3種：第一種是手持式色差儀，又稱色彩色差計(jì)，其能直接讀取數(shù)據(jù)，不用連接電腦，不配帶軟件，使用方便，價格便宜，但精度較低，在顏色管理的一般領(lǐng)域使用廣泛；第二種是便攜式色差儀，又稱便攜式分光色差儀，其除了能直接讀取數(shù)據(jù)外，還能連接電腦，配帶軟件，體積較小，便于攜帶，精度較高，價格適中；第三種是臺式色差儀，又稱臺式分光測色配色儀，其具有讀數(shù)窗口，連接電腦時需要使用測色、配色軟件，具有高精度的測色和配色功能，體積較大，性能穩(wěn)定，價格較高。
色差儀的工作原理：
色差儀是一種通過計(jì)算顏色差值來識別和比較顏色的光學(xué)設(shè)備，其工作機(jī)制實(shí)際上是對人眼識別顏色過程的部分模擬。在人眼視覺系統(tǒng)中，顏色判斷是依據(jù)進(jìn)入眼睛可見光的進(jìn)行的，這種光線來自物體表面輻射、反射或者物體內(nèi)部的透射，類似的在一個測色系統(tǒng)中，實(shí)際需要分析檢測的就是進(jìn)入儀器檢測窗口的可見光。與人類視覺系統(tǒng)使用生物組織視網(wǎng)膜來識別光譜類似；在機(jī)器中這種顏色識別功能通常通過感光器件來完成的。人類比對顏色是在大腦中完成的，是對不同顏色信號的比較；色差儀則是在獲得樣本顏色數(shù)值后與記憶體中的顏色數(shù)值進(jìn)行比較。
對色差儀而言，要獲得待測可見光的首要條件是必須有能夠反映待測樣本顏色特征的光線。在顏色恒常性的部分闡述我們知道，特定環(huán)境中觀察物體顏色時，依賴于當(dāng)前光照條件的顏色譜系分布是確定的，但是一旦改變光照背景，機(jī)器傳感器獲得的顏色感應(yīng)值發(fā)生變化，那么顏色的判斷就不是恒常的了，這也就是機(jī)器視覺不具備顏色恒常性的原因。要解決這個問題，需要在一個和測量環(huán)境無關(guān)的顏色譜系空間中獲取樣本的反射光線，所以測色儀器中都會使用統(tǒng)一的內(nèi)置光源來刺激物體表面，這樣就相當(dāng)于將所有待測物體都置于一個跟機(jī)器相關(guān)的系統(tǒng)光照條件下，而這系統(tǒng)光照條件下的顏色譜系分布也是確定的了。
如上圖所示，在色差儀內(nèi)有一個光源，每次測量時，光源使用單色白光多次照射樣本，或者使用單色LED分組多次照射樣本，在照射的同時使用CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）感光陣列獲得反射可見光的信息，然后經(jīng)過后期的去噪、平均后獲得樣本顏色的系統(tǒng)顏色空間坐標(biāo)值。需要補(bǔ)充的是在色差儀能夠測色之前需要將標(biāo)準(zhǔn)顏色庫信息裝載到色差儀當(dāng)中，并且使用純黑或純白色的系統(tǒng)顏色空間參考點(diǎn)同標(biāo)準(zhǔn)顏色庫的標(biāo)準(zhǔn)顏色空間進(jìn)行比對計(jì)算，從而求出兩個顏色空間的映射關(guān)系，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)照明體選定時，其是一個常數(shù)。
在顏色空間映射參數(shù)確定的條件下，一旦測得的系統(tǒng)樣本顏色值被計(jì)算出來后，就可以在與映射參數(shù)計(jì)算從而得出和具體機(jī)器、硬件系統(tǒng)、光照條件無關(guān)的L*a*b*值。所以當(dāng)系統(tǒng)要測量未知顏色時，這個樣本L*a*b*空間坐標(biāo)值就可以用來尋找最接近的標(biāo)準(zhǔn)顏色；反之，如果查看樣本顏色是否符合落在期望顏色偏差的閾值內(nèi)，則將樣本的L*a*b*值與期望顏色的L*a*b*值作為選定色差公式的輸入來計(jì)算色差距離△E，從而進(jìn)行色差判斷。
色差儀的組成結(jié)構(gòu)：
色差儀主要包括測頭、數(shù)據(jù)處理器（含顯示器及打印機(jī)）、直流電源及附件四部分。色差儀測頭由照明光源，濾色器，硅光電池，隔熱玻璃，凸透鏡，導(dǎo)光筒，擋板，積分球等組成。其中：
1）積分球是測色儀的重要構(gòu)成部件，在很大程度上決定了測色儀的使用壽命、測量精度和長期重復(fù)性。
2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、中央處理器、顯示、打印等數(shù)據(jù)輸出。采用微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過液晶顯示和打印輸出各種色度數(shù)據(jù)。
3）內(nèi)部光源照明系統(tǒng)：采用低能耗的特殊發(fā)光管，經(jīng)修正后作為測色用的標(biāo)準(zhǔn)照明體D65，保證220V+22V，50Hz+1Hz的穩(wěn)定電壓確保光源發(fā)光的穩(wěn)定性。測色儀內(nèi)部照明光源通常是標(biāo)準(zhǔn)A光源，而實(shí)際應(yīng)用中都需要測量物體在標(biāo)準(zhǔn)D65和C光源下的色度值，因此要模擬出D65光源，使儀器總的光譜靈敏度符合D65下的盧瑟條件。
4）光譜三刺激值：選用CIE1964 補(bǔ)充觀察者10°視角的數(shù)據(jù)；儀器照明幾何條件為0/d。
5）觀察條件：符合CIE所規(guī)定的0°入射/45°接收條件。光譜條件，總體響應(yīng)等價于CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D65及10視場色匹配函數(shù)下的三刺激值X10、Y10、Z10（以下簡寫為X、Y、Z），最終可獲得測色的五種表色系統(tǒng)：CIE Y10 x10 y10（1964），CIE：X10Y10Z10（1964），L*a*b*（1976），L*C*H°（1976）及 Hunter Lab和色差計(jì)算的三種表色系統(tǒng)：ΔEab*（ΔL*Δa*Δb*），ΔEab*（ΔL*ΔC*ΔH*）及 Hunter ΔE（ΔL Δa Δb）。不同表色系統(tǒng)的測得數(shù)據(jù)均可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，并以數(shù)字顯示、可打印輸出。
色差儀的發(fā)展趨勢：
1、智能化
由于微電腦的發(fā)展，國內(nèi)外目前普遍研究和采用帶有微處理器的，兼有檢測和信息處理功能的傳感器。在半導(dǎo)體片基上，用微電子加工技術(shù)把傳感器功能、邏輯功能、存儲功能集成在一起，使得傳感器具有自動校正、自動補(bǔ)償、數(shù)據(jù)處理、圖像識別、存儲、記憶等等功能。
2、小型化、便攜式
由于采用大規(guī)模集成電路，將所有測量、計(jì)算集成在一個集成塊中，采用液晶顯示，干電池供電。很多測色儀就象一架傻瓜相機(jī)大小，重量僅1.5Kg左右。
3、快速度、高精度
積分球的人射面采用鋇處理，雙光束反饋系統(tǒng)作參比監(jiān)控，并可對特殊情況作出補(bǔ)償?shù)鹊纫幌盗屑夹g(shù)來提高測量的精度，從測量到計(jì)算直至顯示，一般僅僅需幾毫秒時間。
4、多種制式的轉(zhuǎn)換
可以是ISO標(biāo)準(zhǔn)，也可以是DIN標(biāo)準(zhǔn)，允許SCI（包括反射鏡面）和SCE（排除鏡面反射）之間切換選擇；SCI 提供與樣本比較的效果，面SCE提供接近于視覺效果相當(dāng)于一個熟練的觀察者的效果。XYZ、Yxy、L*a*b*、L*C*H°、L*u*v*、Hunter-Lab、Munsell之間選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這些都是由于微處理器的計(jì)算功能，使得轉(zhuǎn)換極其方便。
5、利用個人電腦擴(kuò)展測色儀器的功能
一般便攜式色差儀內(nèi)的存儲器就能儲存1000多個數(shù)據(jù)和50多個標(biāo)準(zhǔn)色樣，用以多種測量的比較和計(jì)算。通過特定的接口，色差儀可與個人電腦實(shí)現(xiàn)對接，互相輸入輸出數(shù)據(jù)，充分利用計(jì)算機(jī)的功能。例如目前市場上的測色儀器利用RS-232C接口，便可與一般個人電腦聯(lián)接。
6、軟件的日益豐富
由于和個人電腦結(jié)合，以及彩色軟件系統(tǒng)不斷推出，可以使個人電腦的使用率大大提高。