деятельности человека. Наиболее востребованной данная опция бывает в производственных областях, имеющих дело с цветной продукцией. Также важно измерение цвета в полиграфии и покрасочных мастерских.
Цветометрия позволяет контролировать соответствие цветов обрабатываемой продукции и поставляемого сырья назначенным стандартам, упорядочивает используемые тона и оттенки в единую базу данных для всех партнеров, занятых в процессе. В многокрасочной печати она обеспечивает одинаковый результат реализации проекта на различных материалах, используемых в качестве подложки. Отрасли, где рабочий процесс основан на использовании смесевых красок, применяют колориметрию для тестирования составляющих элементов и создания формул смешения красок.
Оценка качества цветов необходима не только на производственных или печатающих предприятиях, она востребована и в менее масштабных процессах: для дизайнерских или художественных работ, калибровки принтеров, настройки мониторов или телевизоров.
В зависимости от специализации работ и целевой направленности, используются различные типы измерительных приборов и приспособлений.
Спектрофотометры
Количественная оценка цвета является фундаментальным принципом работы для данного типа приборов. Принцип включает следующие измеряемые характеристики:- Собственно цвет (оттенок). Оценивается по длине волны излучаемого или отраженного от поверхности света. Единицей измерения является нанометр (нм).
- Чистота тона (насыщенность). Показывает уровень расхождения со спектральным прототипом, выраженный количеством присутствующего белого тона. Чем больше белого, тем меньше насыщенность.
- Отражающая способность (яркость). Показывает разницу между падающим и отраженным светом, обусловленную количеством черного тона в образце.
Чтобы произвести измерение цвета спектрофотометром у образцов с блестящими, металлическими или перламутровыми эффектами на производственном месте, требуется мультиугловая портативная версия прибора (например, X-Rite MA9X). Она же годится и для текстурных поверхностей (ткани, пористые материалы). Для ровных матовых поверхностей в тех же условиях годится обычная портативная модель (Ci6X или SP6X).
Для более сложных измерений в лабораторных условиях необходим стационарный прибор со сферическим методом измерений (Color Eye 7000 или Ci7800).
Чтобы откалибровать принтер, нужна специальная модель устройства, например, SpyderPrint. Для компьютерного дисплея, проектора, цифровой камеры - комплект i1Publish Pro 2. Настроить цвета на телевизоре высокой четкости поможет Spyder4TV HD.
В полиграфии помимо спектрофотометров используются денситометры, оценивающие плотность слоя наносимой на основу краски.
Просмотровые кабинки
Если специфика работ позволяет обходиться визуальной оценкой цветовых характеристик изделий, то можно приобрести такую кабинку (типа The Judge II), обеспечивающую просмотр под различными типами освещения.Одной из важнейших задач современного производства является обеспечение идентичности экземпляров продукции установленным образцам. Человеческий глаз различает несколько миллионов оттенков цвета, и даже незначительное различие цвета может показаться нам неприемлемым. При этом мы способны запомнить лишь несколько десятков цветов и каждый из нас даст свое описание цвета объекта, то есть, мы не сможем передать точную информацию о цвете, руководствуясь только собственными чувствами. Так же, как и при других точных измерениях, нам необходим эталон и измерительный прибор для численного представления свойств объекта (рис. 1).
Рис. 1
При измерении, например, размера, Вы можете использовать эталоны длины различных типов и классов точности. Их физические свойства незначительно изменяются с течением времени, что позволяет сохранить необходимую точность измерений.
Ситуация значительно усложняется при измерении и сравнении цветов продукции. Подавляющее большинство физических объектов изменяет свой цвет с течением времени под влиянием различных факторов окружающей среды (солнечная радиация и искусственное освещение, влажность, воздух), в результате изменения состояния поверхности (появление блеска, шероховатости, царапин, загрязнений), в результате естественного разложения (органические вещества) и даже в результате изменения температуры объекта.
Так же, восприятие цвета невозможно без освещения объекта и в значительной степени зависит от параметров освещения и взаимного расположения наблюдателя, источника света и объекта наблюдения.
При использовании образца продукции в качестве эталона цвета, Вам пришлось бы обеспечить условия хранения для каждого из образцов и производить сравнение цвета в условиях специального освещения. Возможно, Вы могли бы сравнивать цвета по фотографиям или по каталогам, с карточками различных цветов, но фотографии передают не весь спектр видимого света и искажают цвета, а каталог не отражает фактуру поверхности и имеет ограниченный набор оттенков. Таким образом, использование образца продукции или любого физического объекта в качестве эталона цвета становится технически сложной, подчас неразрешимой проблемой, и, в любом случае, не позволяет гарантировать соответствие цвета утвержденным образцам.
Для численной оценки колориметрических (цветовых) параметров, международной комиссией по освещению (CIE), с учетом особенностей человеческого зрения, была разработана система измерения на основе «цветового пространства» – трехмерной системы координат, указывающей значение светлоты, оттенка и насыщенности измеренного цвета. Измерения производятся при стандартизированных условиях, обеспечивающих воспроизводимость результатов. Каждому измеренному цвету соответствует уникальная точка и для передачи точной информации о цвете достаточно указать координаты этой точки в цветовом пространстве.
Измерение и сравнение цветов производится специализированными приборами – спектрофотометрами и колориметрами. Konica Minolta Sensing выпускает широкий спектр стационарных и портативных приборов измерения цвета, как универсальных, так и для решения специфических задач.
Принцип измерения и конструкция современных спектрофотометров и колориметров обеспечивают высокую повторяемость результатов измерений, необходимую для точной оценки и сравнения цветов. Параметры используемых осветителей, наблюдателей, углов измерения и апертур приборов установлены стандартами CIE. В момент измерения цвета объект располагается в фиксированном положении относительно источника освещения (осветителя) и объектива фотоприемника (наблюдателя). Зона измерения задается калиброванным отверстием (апертурой) и закрыта от окружающего света. В результате измерения пользователь получает численное значение параметров измеренного цвета (колориметрическое значение), которое может использоваться в качестве эталона, хранящего данные о цвете эталона продукции или в качестве образца, для сравнения цвета образца с цветом эталона. Аппаратное измерение и сравнение цветов позволяет исключить субъективную оценку соответствия цвета человеком.
В промышленности, торговле и в исследовательской деятельности можно выделить несколько направлений в измерении цвета.
Во первых, это измерение цветоразличия между цветом эталона продукции и цветом каждого последующего образца (партии товара и т.п.). При этом, возможно использование, как собственных эталонов продукции, так и эталонов заказчика или требований стандартов. Например, изготовитель мебельной пленки может проверять соответствие закупаемых красителей и цветоразличие изготавливаемой пленки, как однотонной, так и со сложной фактурой, разноцветным узором, что позволит отгружать заказчикам партии пленки с минимальным цветоразличием от предыдущих поставок. Изготовитель мебельных щитов, используя цифровые колориметрические данные, может заказать пленку с необходимым оттенком, насыщенностью и светлотой, и изготовить продукцию, соответствующую собственному каталогу или образцам заказчика. Изготовитель мебели, в свою очередь, может подбирать мебельные гарнитуры с минимальным цветоразличием составляющих предметов.
Эту последовательность можно перенести на любую другую цепочку предприятий, где продукция одних выступает в качестве сырья для других и звенья, использующие аппаратное измерение и контроль цвета окажутся в наиболее выгодных условиях, так как смогут однозначно установить требования и объективно произвести оценку. Возможно, наибольшую потребность в измерении и сравнении цветов имеет изготовитель конечной продукции, так как он является последим звеном цепи и несет наибольший риск. В любом товаре, имеющем недопустимое цветоразличие в окраске элементов, потребитель сразу заметит несоответствие цветов, что вызовет проблемы с реализацией товара.
Рис. 2
Рис. 3
С данной проблемой столкнулись, в частности, специалисты лаборатории по окраске гидрофильных контактных линз ООО «Доктор Оптик» г. Москва. По условиям производства, заготовки для контактных линз изготавливаются парами со стандартными параметрами или с параметрами заказчика. Пары заготовок окрашиваются в специализированном устройстве, обеспечивающем непрерывное перемешивание красителя, стабильную температуру и время крашения. Несмотря на использование лучших современных технологий, оборудования и красителей, вследствие физических особенностей материала контактных линз, периодически наблюдается заметное различие окраски линз в парах. В результате, в автоматизированный и технологически совершенный процесс, пришлось ввести дополнительную операцию: ручную сортировку и подбор линз в пары с одинаковыми оптическими параметрами и минимальным цветоразличием в паре. Так как восприятие цвета зависит от множества факторов (опыт и возраст сотрудника, условия освещения, цвет окружающей обстановки и фона и т.п.), каждый из специалистов производил сортировку в соответствии с собственным восприятием цвета, что не всегда совпадало с мнением заказчиков. Процесс подбора в пары по цвету был трудоемким малопроизводительным и при этом, не обеспечивал должного качества.
Для решения проблемы было предложено использовать спектрофотометр Konica Minolta CM-5 , являющийся автономным и полнофункциональным стационарным прибором. Спектрофотометр имеет большой встроенный дисплей, отображающий настройки прибора, параметры и результаты измерений. CM-5 производит измерения цвета в отраженном свете (измерение на отражение), а также измерение цвета и прозрачности в проходящем свете (измерение на пропускание). Встроенное программное обеспечение позволяет вести базу данных эталонных цветов и данных образцов, определять цветоразличие образца относительно эталона, устанавливать допустимые отклонения оттенка, насыщенности и светлоты, соответствие или не соответствие образца эталону на основании допусков. Конструкция прибора обеспечивает измерение материалов любого типа, как пластин, пленок, монолитных объектов, гранул, порошков, так и жидкостей, паст и т.п.
Выбор спектрофотометра CM-5 был обусловлен специфическими функциями прибора и возможностью использования разнообразных аксессуаров (рис. 2).
Так как контактные линзы хранятся в специальной жидкости и поверхность извлеченной для измерения линзы увлажнена, для защиты фотометрической сферы прибора от случайного попадания жидкости был выбран режим измерения «измерение с чашкой Петри на отражение». Дополнительный аксессуар чашка Петри, выполнен из оптического кварцевого стекла, влияние дна чашки на результат измерения компенсируется при проведении калибровки белого, благодаря использованию внешней калибровочной пластины. Так как воспроизводимость измерений напрямую зависит от точности позиционирования измеряемого объекта, был разработан специальный держатель контактной линзы. Устройство держателя обеспечивает стабильность установки линзы относительно апертуры прибора и исключает ошибки оператора, что обеспечивает воспроизводимость результатов измерений (рис. 3).
Рис. 4
Рис. 5
Линза прикладывается вогнутой стороной к выпуклой поверхности линзадержателя. Оператор прикасается промокательной бумагой к краю контактной линзы, для удаления капель жидкости и устанавливает держатель в пазы апертурной маски прибора. Поверхность контактной линзы оказывается в непосредственной близости от отверстия апертурной маски и отделена от него стеклом чашки Петри. Измерение производится в цветовом пространстве LСh, где L – значение светлоты, С – значение насыщенности, h – значение оттенка. При измерении учитывается зеркальная составляющая (SCI), для максимального соответствия аппаратного вердикта и визуальной оценки человеком. Оператор измеряет одну линзу из пары в качестве эталона цвета, вторую, в качестве образца (рис. 4). Сразу после измерения, на дисплее отображается результат в виде абсолютных значений L, C, и h, цветоразличие по каждому из параметров ∆L, ∆C, и ∆h, суммарное цветоразличие ∆E и итоговый вердикт, основанный на введенных пользователем допусках цветоразличия. Так как соответствие цветов и пределы допусковдля каждого производства и материала различны, для оценки допусков группой специалистов ООО «Доктор Оптик» были подготовлены пары линз различного цвета, имеющие, при визуальной оценке, одинаковый цвет, малозаметное цветоразличие, заметное, значительное и недопустимое цветоразличие. По результатам измерения этих образцов было установлено, что среди пар линз, отобранных как имеющие приемлемое цветоразличие, суммарное цветоразличие составляет от ∆E=1,8 для розовых линз до ∆E=3.0 для синих, при этом, неприемлемым становится различие насыщенности ∆C более 0,8, а влияние различия светлоты ∆L было менее существенным и не меняло вердикт визуальной оценки при значении менее ∆L=2,5 (рис. 5). Также было установлено, что различие оттенка ∆h в одной окрашиваемой партии крайне незначительно и не превышает ∆h=0,5 при среднем значении ∆h=0,3. Измеренные величины типичны при окрашивании различных материалов, так как незначительное изменение концентрации красителя влияет на насыщенность цвета, но не приводит к существенному изменению оттенка.
Так как в ходе эксперимента было выявлено значительное влияние на визуальный вердикт различия в насыщенности ∆C, незначительное влияние различия светлоты ∆L и незначительное различие оттенка ∆h в одной партии окраски, на основании тестовых измерений была разработана методика расчета значений допуска ∆L, ∆C, ∆h и суммарного цветоразличия ∆E для линз различного цвета, оптической силы и ценовых категорий.
В процессе измерений было установлено, что у линзы, извлеченной из контейнера с жидкостью, вследствие испарения жидкости с поверхности линзы, изменяются физические размеры (уменьшается диаметр, увеличивается толщина), что приводит к значительному увеличению насыщенности окраски и изменению вердикта о соответствии/не соответствии цвета линз в паре. На основании показаний спектрофотометра был построен график временной зависимости изменения насыщенности цвета различных экземпляров и типов линз, который показал незначительное изменение насыщенности, в пределах ∆C=0.2, в течение первой минуты и резкое изменение насыщенности, до ∆C=0.8 (цветоразличие становится неприемлемым), в течение второй минуты. То есть, точность измерений, воспроизводимость результатов и итоговый вердикт, в данном случае, зависят не только от типа измерения, позиционирования линзы, настроек допусков, но и от времени измерения с момента извлечения линзы из жидкости.
Рис. 6
С учетом данных особенностей материала и быстродействия прибора (одно измерение за 3 секунды), была составлена временная карта процесса измерений, регламентирующая последовательность действий оператора и продолжительность каждой операции.
Строгое соблюдение процедуры измерения позволило создать базу данных эталонных цветов, для классификации продукции по цвету, хранения и последующего точного воспроизведения необходимых оттенков и подбора линз в пары (рис. 6).
При ручной сортировке, каждый из специалистов извлекал пару линз из контейнера и визуально оценивал цветоразличие. При недопустимом цветоразличии он поочередно извлекал одну за другой линзы из своей группы контейнеров до тех пор, пока не подбирал пару к одной из первых. Подбор пары перебором всех вариантов производился для каждого экземпляра линзы.
Использование спектрофотометра позволило сократить число сотрудников, участвующих в сортировке и значительно повысить эффек тивность и качество работы.
Оператор CM-5 берет пару окрашенных линз, извлекает одну из них, прикладывает к держателю и помещает на апертуру прибора. Производит измерение колориметрических данных линзы в качестве эталона цвета и возвращает линзу в контейнер. Извлекает вторую линзу из пары, устанавливает и измеряет в качестве образца, сравниваемого с эталоном. На дисплее прибора отображается вердикт о соответствии/не- соответствии образца эталону, на основании введенных допусков для данного типа линз. При положительном вердикте пара поступает в продажу, при отрицательном вердикте данные обеих линз сохраняются в памяти прибора в качестве эталонов. CM-5 имеет функцию автоматического подбора эталона с минимальным цветоразличием. Оператор измеряет линзу, не имеющую пары, и прибор, среди хранящихся в памяти до 1000 данных измерений, выбирает вторую линзу с минимальным цветоразличием. В результате однократного измерения всех линз, часть из них сразу переводит в готовый товар, а оставшиеся создают базу данных для сопоставления параметров. Таким образом, отпадает необходимость многократного извлечения и измерения каждой линзы, что значительно повысило производительность.
Рис. 7
Данные CM-5 могут быть сохранены непосредственно с прибора на USB карту памяти для хранения, распечатки или обработки на компьютере. Данные могут использоваться в табличных редакторах, для углубленного анализа и выявления зависимости изменения цвета контактных от типа и концентрации красителя, продолжительности окраски, интенсивности перемешивания, температуры и продолжительности процесса. Печать результатов измерений для ведения отчетов и документирования может производиться принтером, подключенным непосредственно к спектрофотометру. Благодаря небольшому весу и габаритам, прибор не требует специального места для установки и может использоваться непосредственно на рабочем столе специалиста. Включение и подготовка прибора к работе занимают около минуты. Д ля повышения точности измерений, например, при подготовке эталонных данных для партии продукции, прибор может автоматически произвести серию измерений в одной или нескольких точках объекта и вычислить среднее квадратичное значение. Также, CM-5 может производить оценку параметров запрограммированных пользователем, для учета специфических факторов конкретного производства. Настройки типа и параметров измерений, параметров и вида отчетов могут быть сохранены в виде файлов настроек на USB карту памяти, что обеспечивает быструю перенастройку прибора для каждого типа измерений.
CM-5 производит измерения как на отражения, так и на пропускание, что позволяет измерять рассеяние света и прозрачность заготовок и окрашенных линз. Прибор имеет расширенный диапазон измерения цвета (от 360 нм до 740 нм), что дает возможность измерять пропускание контактными линзами ультрафиолетового излучения (рис. 7). Результат измерения отображается как в виде спектрального графика, упрощающего визуальную оценку, так и в виде численного значения пропускания на выбранной длине волны с шагом 10 нм. Использование спектрофотометра позволило наладить производство и стандартизировать целый ряд параметров контактных линз.
В следующей главе мы рассмотрим цветоподбор на основе сложения спектров красителей, примеры использования спектрофотометров и специализированного программного обеспечения.
Лекция 8 НАУКА ОБ ИЗМЕРЕНИИ ЦВЕТА (КОЛОРИМЕТРИЯ)
«Если Вы умеете измерить цвет, Вы можете его контролировать»
Руководство по цвету фирмы X-RITE
«.. что касается колориметрии, то я сейчас не представляю себе жизни без нее. Такая наука одна на свете: она не может без живого человека, ведь главный измерительный прибор, изначальный инструмент колориметрии – это наш глаз.»
Е.Н. Юстова
Наука о цвете из-за входящих в нее художественных и эстетических аспектов не может разрабатываться как строго научная дисциплина.Полное право называться точной наукой может входящая в нее частная дисциплина – колориметрия (наука об измерении цвета). Э то дисциплина на стыке физики, математики, биологии, физиологии, психологии. В ней приходится работать одновременно в двух направлениях: изучать и глаз, и цвет. Колориметрия– единственная физико-математическая дисциплина, которая изначально построена на ощущениях. Все приборы, работающие в рамках этой науки, тестируются глазами. Главный измерительный прибор колориметрии– это человеческий глаз, в котором рождается цвет.
Физиком Эрвином Шредингером был введен термин «метрика цвета», который обозначает учение о взаимном количественном выражении цветов.
Низшая метрика цвета осуществляется при помощи оценки тождественности цветов с применением цветовых уравнений,высшая -путем оценки цветовых различий или тождественности отдельных цветовых характеристик.
Ниже даются строгие определения колориметрических терминов .
Цвет (психофизический * ); цвет в колориметрии – трехмерная векторная величина, однозначно характеризующая группу излучений, визуально неразличимых в колориметрических условиях. Определяется координатами цвета в одной из стандартных колориметрических систем МКО
Колориметрическая система – система количественного выражения цвета, основанная на возможности воспроизведения данного цвета путем аддитивного смешения трёх выбранных цветовых стимулов. Понятие «колориметрическая система» относится к системам RGB, XYZ МКО 1931 г. и XYZ МКО 1964 г. В широком смысле термин «система координат» или просто «система» может относиться к производным системам количественного выражения цвета, базирующихся на трех выбранных цветовых стимулах колориметрических систем.
Координаты цвета – количества трех основных цветов, необходимые для получения колориметрического равенства с измеряемым цветом.Измерить цвет– это определить три координаты цвета.
Цветовое различие (визуальное) – различие между двумя цветами, каким его видит человеческий глаз. Описывается в терминах субъективных цветовых характеристик: светлее, темнее, насыщеннее, краснее, зеленее, желтее и т.д.
Цветовое различие D Е – обозначение общего цветового различия между цветами. Определяется расстоянием между двумя точками, представляющими цветовые стимулы в выбранном цветовом пространстве. Описывает величину (размер, степень, количество в порогах) различия между цветами и не дает качественного представления о его природе. Качественное представления дают различия в компонентах цветового различия.
Порог цветоразличения – наименьшее воспринимаемое глазом различие в цвете. В значительной степени зависит от условий наблюдения.
Цветовое пространство – трехмерное пространство для геометрического представления воспринимаемых или психофизических цветов.
Цветовое пространство CIE 1976 ( L * a * b *) – трехмерное приблизительно равноконтрастное цветовое пространство, полученное построением в прямоугольных координатахL *, a *, b * , однозначно связанных с координатамиXYZ в системе МКО. КоординатаL * характеризует светлоту, координатаa * - содержание красного или зеленого цвета, координатаb * - содержание желтого или синего цвета. В этом пространстве цвет может также определяться полярными координатамиL *, C *, h , гдеC * коррелирует с насыщенностью, аh (угол цветового тона)-с цветовым тоном. Равнозначное обозначение- CIELAB .
Формула цветового различия CIE 1976 ( L * a * b *): DE СМС( l : c ) – служит для расчета общего цветового различия между двумя цветами с известными координатамиL *, C *, h , Обозначение( l : c ) относится к коэффициентам коррекции для светлоты и насыщенности. При отношенииl : c = 1:1 формула предназначена для расчета воспринимаемых цветовых раздичий, при отношенииl : c = 2:1 – для определения приемлемых цветовых различий. Обозначение-СМС (1:1) иСМС (2:1).
Дин Джадд и Гюнтер Вышецки не преувеличивали, когда писали о том, что «удовлетворяющее покупателя производство предметов потребления... может быть осуществлено только с привлечением в широком объеме методов цветового контроля. Ц ветовые измерения являются неотъемлемой составной частью современной деловой жизни » .
Если в начале прошлого века Генри Форд мог представить покупателю свою последнюю модель лимузина «любого цвета, при условии, что он черный», то от 2.500 цветовых оттенков автокрасок, имеющихся во всей Европе в 1970 г., их число к концу века превышало 20.000. Из года в год к ним добавляется несколько сот новых цветовых оттенков. «Банки цветов» отдельных фирм содержат сотни и тысячи цветов, на каждый из которых имеется отработанная рецептура с использованием технологии и материалов данной фирмы. Но работа с таким большим числом образцов цвета, с их воспроизведением в материале, невозможна без использования современных технологий и науки о цвете. Чтобы эффективно использовать цвет, его обязательно нужно держать под строгим контролем. Если вы умеете измерять цвет, вы можете его контролировать, сообщать и передавать информацию о цвете в виде величины коэффициента отражения (спектральные данные) и в виде значений координат цвета.
Компьютеризированные системы расчета рецептур и подгонка цвета с помощью спектрофотометров и компьютерных программ – это стратегия большинства крупных фирм, выпускающих и использующих окрашенные материалы.
Для того, чтобы владеть современными технологиями, связанными с измерением и преобразованием цвета, например, в компьютерах, сканерах и принтерах, также необходимо знание колориметрии.
Для чего нужны цветовые измерения в промышленности? В первую очередь они необходимы для того, чтобы определить, соответствует или нет цвет окрашенной продукции норме, то есть, это – объективный метод контроля цвета при выпуске или приемке окрашенной продукции . Они необходимы для:
аттестации цвета, то есть, в качестве цветовой меры эталонов (контрольных образцов цвета) и цветовых различий между допускаемыми отклонениями на цвет материала;
объективного сравнения с цветом выпускаемого или поставляемого материала в арбитражных случаях; сравнения с образцами цвета других фирм, международных атласов, картотек, каталогов цветов;
оценки цвета образцов по объективным колориметрическим характеристикам;
в автоматизированных системах расчёта рецептур для воспроизведения эталонного цвета и в автоматизированных процессах производства окрашенных материалов;
объективного определения степени изменения цвета (эталонов, материалов) в процессе хранения и использования на протяжении срока действия. Степень изменения определяется по значениям цветовых различий D Е .
Разработка и стандартизация методов измерения цвета .
В основе современных методов измерения цвета лежат законы Грассмана и аддитивное сложение цветов. Грассман сформулировал свои знаменитые три закона, которые в настоящее время цитируются в разных формулировках. Их можно выразить в виде основного общего закона: «Светоадаптированный трихроматический глаз оценивает падающее на него излучение по трем не зависящим друг от друга спектральным функциям воздействия (сложения) линейно и постоянно, причем объединяет эти отдельные воздействия в неразрывное суммарное воздействие (стимул)».
По-отдельности законы можно сформулировать как закон трехмерности , закон непрерывности, закон аддитивности. Излучения, которые кладутся в основу системы цветовых измерений, называют основными стимулами . При графическом построении зависимостей количеств основных цветов от длины волны получаются функции длины волны, называемые функциями сложения цветов или просто кривыми сложения. Функции сложения цветов (кривые сложения) характеризуют стандартного колориметрического наблюдателя (три стандартные кривые спектральной чувствительности трех разных «фотоприемников» человеческого глаза).
Подлинному прогрессу в области измерения цвета способствовала возникшая в 20-ые годы прошлого века потребность в технических измерениях и характеристиках цвета окрашенной продукции. Особенно остро встала проблема инструментальной оценки цвета нефти в США, которая продавалась по цвету, а визуальная оценка при нестандартных условиях определения то и дело приводила к разногласиям. Подобные проблемы возникали и в текстильной промышленности, особенно при поставках текстиля для военных ведомств, а также в лакокрасочной и других отраслях. Необходимость использования объективных методов контроля цвета промышленной продукции привела к созданию и стандартизации колориметрических систем. Создание спектрофотометра (поставлен фирмой «Дженерал электрик» на мировой рынок в 1930 г.) и принятие на заседании VIIIсессии МКО (Международнаяй комиссия по освещению) в 1931г.стандартных условий измерения цвета: функций сложения цветов, стандартных излучений А, В и С и стандартной геометрии освещения/наблюдения положили начало промышленному использованию цветовых измерений.Стандартная колориметрическая система XYZ МКО 1931 г., установленная стандартамиМКО иИСО , стала основой цветовых измерений во всем мире.
Система спецификации цвета МКО во многих случаях оказывается весьма полезной и используется практически во всех применениях цветовых измерений. Однако для успешного ее применения необходимо знать ее возможности и ограничения.
Функции сложения цветов (кривые сложения) МКО 1931 г. Они характеризуютстандартного колориметрического наблюдателя (три стандартные кривые спектральной чувствительности трех разных «фотоприемников» человеческого глаза) при малых углах поля зрения (<4°). Первоначально данные были получены путем усреднения экспериментов Гилда и Райта по уравниванию наблюдателями спектральных цветов в поле зрения 2° с помощью суммы трех цветов R , G , B (красный, зеленый, синий) с длиной волны 700, 546,1 и 435,8 нм. Однако из-за отрицательных значений части функции r (λ) ее нельзя использовать для аддитивного сложения цвета.
(а)
(б)
Рис. 50. Кривые сложения цветов стандартного колориметрического наблюдателя, полученные на основе данных опытов Гилда и Райта (а), кривые сложения цветовx(λ), y(λ), z(λ) для стандартного колориметрического наблюдателя МКО 1931 г. (б)
Для того чтобы избежать отрицательных значений кривых сложения, они были подвергнуты линейному математическому преобразованию, в результате чего были получены кривые сложенияx (λ), y (λ), z (λ) (рис. 50), которые известны как кривые сложения цветов стандартного колориметрического наблюдателяМКО 1931 г. В новой системе основные цветаX , Y , Z являются нереальными (воображаемыми, гипотетическими) цветами.
Стандартный колориметрический наблюдатель МКО 1964 г. Несмотря на то, что система МКО 1931 г. была официально признана во всем мире, у нее имелся ряд недостатков.
Новые кривые сложения были найдены на основе многочисленных опытов, выполненных Стайлсом, Бёрчем и Сперанской. Полученные кривые сложения были названы кривыми сложения дополнительного стандартного колориметрического наблюдателя МКО 1964 г. Угол поля зрения при уравнивании цветов был равен не 2° (как в первоначальных экспериментах), а 10°, что соответствует восприятию цветовых полей большего размера. Например, для площади диаметром 3,5 см на расстоянии 1 м, угол зрения равен точно 2°, а диаметром 17,5 см - 10°(рис. 51).
Рис. 51. Различие между двумя стандартными наблюдателями МКО
МКО приняла решение рекомендовать к использованию обе системы кривых сложения. Когда оценивают большие по размеру цветовые образцы, используют кривые сложения для дополнительного стандартного колориметрического наблюдателя 1964 г. (десятиградусного наблюдателя).
Оптическая геометрия измерения. При измерении цвета МКО рекомендует использовать четыре типа оптической геометрии освещения/наблюдения: 0/45; 45/0; 0/Дифф; Дифф./0 (рис. 52).
Рис. 52. Стандартные геометрии МКО
Первая цифра означает угол между нормалью к поверхности образца и направлением освещения образца, вторая – угол между нормалью и направлением наблюдения.
В современных приборах с геометрией 45/0 и 0/45 для снижения влияния на результат измерения фактуры поверхности образца и положения образца относительно прибора используют кольцевые осветители (источники) либо освещение образца из нескольких направлений.
Геометрии, обозначаемые Дифф./0°и 0°/Дифф., используют для максимально равномерного освещения образца в интегрирующей оптической сфере, обычно покрытой изнутри сульфатом бария илиSpectralon Ò .
Стандартные излучения и стандартные источники света. МКО предложила несколько стандартных колориметрических излучений, которые были обозначены латинскими буквамиA ,B ,C ,D ,E иF . Стандартные излучения МКО – это значения относительной мощности излучения в интервале от 300 до 830 нм с шагом 1или 5 нм. Стандартные излучения воспроизводят при помощи стандартных источников света – реальных источников света, спектральное распределение энергии которых в той или мере аппроксимирует одно из стандартных излучений.
В качестве характеристики цветности излучения источников света используется цветовая температура. Внедренные МКО стандартные источники освещения характеризуются следующими значениями цветовой температуры:А (свет лампы накаливания) – 2856 К,В (солнечный свет) – 4874 К,С (рассеянный дневной свет) – 6774 К.
Набор стандартных источников среднедневного света D имеет диапазон коррелированных цветовых температур от 4000К до 7500К. Данные спектрального распределения излученияD были определены путем усреднения данных многочисленных измерений спектра дневного света выполненных в различных районах Великобритании, Канады и США. Для различных целей было определено несколько спектральных распределений источникаD для различных значений цветовой температуры:D50 ,D55 ,D60 ,D65 ,D70 ,D75, соответственно, с коррелированными цветовыми температурами 5000 K, 5500 K, 6000 K, 6500 K, 7000 K, 7500 K. ИсточникD65 следует считать наиболее универсальным, поскольку он наиболее точно аппроксимирует среднедневной свет. ИсточникD50 принят в качестве стандартного в полиграфии, поскольку лучше всего подходит для характеристики изображения, напечатанного стандартными типографскими красками на бумаге. ИсточникD55 принят в качестве стандартного в фотографии: лампы с цветовой температурой 5500 К используются в просмотровом оборудовании для слайдов и эту цветовую температуру имеет свет лампы-вспышки.
Излучение Е - источник излучения, имеющий равноэнергетический (не меняющийся с изменением длины волны) спектр, с цветовой температурой 5460К. Соответствует гипотетическому идеальному источнику белого света Реально не существует в природе и используется в колориметрии только в расчетных целях. Его координаты цветности: x = 1/3, y = 1/3 обозначаются на графике цветности МКО точкой, называемой точкой белого цвета.
РазличныеизлученияF представляют собой излучение наиболее распространенных люминесцентных ламп. Например,F 11 – узкополосное излучение в трех длинах волн люминесцентной лампы белого света с коррелированной цветовой температурой 4000 К. Эта лампа (TL 84 Philips ) широко используется в колориметрии, благодаря ее распространению в освещении, связанному с высокой световой эффективностью и высоким индексом цветопередачи.
Таким образом, измерить цвет – значит определить три характеристики в одной из стандартных колориметрических систем при стандартных условиях освещения и наблюдения. Такими характеристиками, которые позволяют однозначно определить цвет, являются, например, координаты цветаX, Y, Z или координаты цветностиx, y и координата цветаY , численно равная коэффициенту яркости (или отражения, ρ), в системе XYZ МКО 1931 или 1964гг. Они являются основными. От этих характеристик можно перейти к характеристикам цвета в других цветовых пространствах, используемых для определения цвета и цветовых различий.
Другие модели цветовых пространств . Одним из существенных недостатков цветового пространстваXYZ МКО являлось то обстоятельство, что одинаковым изменениям координат цвета не соответствуют равнозначные изменения цветовых ощущений. Иначе говоря, разница между двумя цветами, находящимися в одной области графика, не так ощутима, как точно такая же разница между двумя соседними цветами, находящимися в другой области графика. Области порогов изменения цветности, границы которых для среднего наблюдателя соответствуют областям визуально одинаковой цветности, на графике xy МКО 1931 г. имеют форму не окружностей, а эллипсов разного размера с разным наклоном осей. Эти эллипсы так и называются эллипсами Мак Адама (рис. 53), который первым столь наглядно представил неравномерность цветового пространства системыXYZ.
Рис. 53. Эллипсы Мак Адама, нанесенные на график МКО 1931 г. (для наглядности представления эллипсы увеличены в 10 раз). Эти эллипсы приблизительно соответствуют пределам областей визуально одинаковой цветности для стандартного наблюдателя.
В дальнейшем были предложены различные проективные преобразования графика xy МКО, которые позволили бы получить равноконтрастный цветовой график. Почему это так необходимо? Для того, чтобы можно было оценить различия между цветами. Понятиецветового различия ΔЕ было введено для объективной оценки цветового соответствия стандартного и испытуемого образцов, определяемого какрасстояние между координатами цвета в соответствующих цветовых пространствах.
В 1976 г. МКО рекомендовала использовать другие модели цветовых пространств, из которых на практике наиболее распространенным является цветовое пространство CIELAB . Это пространство, по определению МКО, является приблизительно равноконтрастным. Оно представляет интерес и для дизайнеров, так как широко используется не только в измерении цвета материалов, но и в компьютерных программах.
Координаты цвета в этом пространстве: L * - светлота, которую можно интерпретировать как показатель ощущения яркости, пропорциональная корню кубическому значений координаты цветаY , икоординаты a* и b* . Координатаa* описывает изменение цветности от зеленого цвета (ось отрицательных значений координатыa* ) до красного (ось положительных значений координатыa* ), аb* - изменение цветности от синего (ось отрицательных значений координатыb* ) до желтого (ось положительных значений координатыb* ) цвета.
Для удобства использования была также предложена модификация модели CIELABпутем трансформации координат цветности из прямоугольной в полярные координаты цветового тонаh и насыщенности (C* ):
Новые координаты h иC* фактически являются коррелятами рассмотренных ранее психофизических характеристик цвета в виде цветового тона и насыщенности. На графике, также как цветовой тон и насыщенность, координатаh определяется углом, а координатаC* - радиусом относительно центра координат, которым является осьL* .
Рис. 54. График цветового пространства CIELAB в полярных координатахh иC*
Достоинством цветовой модели CIEL AB , определившим ее широкое использование в колориметрии и промышленности, явилось то обстоятельство, что она эффективно решила проблему представления величины цветовых различий в промышленности, а также и то, что описание цвета в этой системе фактически моделирует процесс представления цвета аппаратом человеческого зрения. Как показали недавние исследования человеческого зрения в процессе визуального восприятия сигнал от палочек и колбочек, возникающий при наблюдении того или иного цвета, далее трансформируется в три нервных импульса, один из которых соответствует сигналу яркости, а два других являются цветоразностными сигналами.
Применение формул цветового различия. Разработанные формулы цветового различия позволяют избежать субъективных визуальных оценок, причины которого разнообразны и полностью неустранимы, и использовать методы объективной колориметрии для решения следующих задач: – установка объективных цветовых допусков и проверка соответствия цвета материала установленным допускам; – объективная оценка цветоустойчивости материалов;
– количественная оценка степени метамеризма; – подбор близких (в пределах установленных различий) цветов из базы данных к испытуемому цвету и сортировка по цвету (разбиение множества образцов цвета на группы с заданной величиной цветового различия внутри группы).
Самой распространенной формулой определения цветовых различий является рекомендуемая МКО формула СIЕLАВ, которая входит во многие отечественные и зарубежные стандарты. Часто используют формулу цветовых различийCIELCH и соотносят различия в значениях полярных координатh иC* с визуально наблюдаемыми значениями цветового тона и насыщенности. Общая величина цветового различия, определенная в этих пространствах, одинакова. Но различия в координатахa* и b* дают возможность определить: является ли испытуемый цвет более красным, синим, желтым или зеленым, а различия в координатахh иC* - изменение его цветового тона и насыщенности по сравнению со стандартным цветом.
В программное обеспечение ряда приборов, кроме этих формул, входит формулаFМС-2 (Фриля-МакАдама-Чиккеринга), которая не является рекомендацией МКО, но дает хорошее согласие инструментальных данных с визуальной оценкой, а такжеформулыСМС (l:с), CIE 94 (МКО 94) и формулаС IE DE 2000 . Для лучшей корреляции с визуальной оценкой рекомендуется использоватьформулуСМС (l:с) .
Цветоизмерительные приборы. В соответствии с классификацией, установленной изготовителями приборов и приведенной в , цветоизмерительные приборы различаются по: типу измеряемого излучения (отраженный, пропускаемый, испускаемый свет или объединяющие измерения разных видов излучений), условиям применения (портативные, настольные (лабораторные), on-line, устанавливаемые на производственных линиях), оптической геометрии измерения (с геометрией 45/0 и 0/45, геометрией Дифф./0° и 0°/Дифф., геометрией 0/0 и другими, более редкими, многоугловые - гониоспектрофотометры) и способу определения координат цвета. По способу определения координат цвета различают три типа приборов:
колориметры – приборы для непосредственного измерения координат цвета для ограниченного набора колориметрических условий (источник/ наблюдатель);
компараторы – приборы для сравнения цветовых характеристик (отношения координат цвета) испытуемого образца и близкого к нему по цвету образца сравнения, характеристики которого известны;
спектрофотометры – приборы, измеряющие спектр отражения (пропускания) образца и по спектральным данным осуществляющие расчет координат цвета в любых цветовых пространствах для всех возможных сочетаний источник/ наблюдатель. Основное различие между спектрофотометрами и колориметрами является принципиальным - колориметры не измеряют спектров . Спектрофотометры, специально предназначенные для измерения цвета, часто называютспектроколориметрами.
На отечественном рынке цветоизмерительные приборы (а также камеры для визуального сравнения цвета) представляют фирмы:X - RITE (GretagМасbeth входит в нее),Dataсо1ог ,Hunter . Лидирующей является фирмаX - RITE . Они поставляют как портативные, так и стационарные приборы, в том числе, приборы высшего класса по точности и долговременной воспроизводимости результатов, с двухлучевыми оптическими схемами с двумя спектральными анализаторами, типа спектрофотометраСо1ог Еуе 7000 Масbeth илиSpectraflash SF 600 Рlus Dataсо1оr . Также имеются приборы для измерения цвета покрытий с металлическим, перламутровым и другими эффектами, типа многоуглового гониоспектрофотометраСо1ог Еуе 740 GL. Приборы различаются по назначению, конструкции, программному обеспечению, стоимости. Постоянно разрабатываются новые приборы.
На рис. 55 представлены спектроколориметры, используемые во ВНИИТЭ и рядом – современные приборы фирмыX - RITE .
(а)
(б)
Рис. 55. Спектроколориметры, используемые во ВНИИТЭ: «Радуга-2» (ЧОКБА, СССР), RFC-3 (фирма «OPTON», Германия)? (1973-1995 гг.), COLOR-EYE CE-3100 (Macbeth, США), (1995-2000гг.) (а), современные приборы фирмыX - RITE (б)
На отечественном рынке цветоизмерительные приборы (а также камеры для визуального сравнения цвета) представляют фирмы: X - RITE (в настоящее время широко известная фирмаGretagМасbeth входит в нее),Dataсо1ог ,Hunter .Они поставляют как портативные, так и стационарные приборы, в том числе, приборы высшего класса по точности и долговременной воспроизводимости результатов, с двухлучевыми оптическими схемами с двумя спектральными анализаторами, типа спектрофотометраСо1ог Еуе 7000 Масbeth илиSpectraflash SF 600 Рlus Dataсо1оr . Также имеются приборы для измерения цвета покрытий с металлическим, перламутровым и другими эффектами, типа многоуглового гониоспектрофотометраСо1ог Еуе 740 GL. Приборы различаются по назначению, конструкции, программному обеспечению, стоимости.
Стороженко, Алексей Иванович
Ученая cтепень:
Кандидат технических наук
Место защиты диссертации:
Санкт-Петербург
Код cпециальности ВАК:
Специальность:
Оптические и оптикоэлектронные приборы и комплексы
Количество cтраниц:
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ КООРДИНАТ ЦВЕТА И ЦВЕТНОСТИ
1.1 Общие сведения о принципах, методах и приборах определения цвета
1.2 Визуальное измерение цвета
1.3 Расчетный (спектрофотометрический) метод
1.4 Принципы объективного измерения цвета
1.4.1 Метод компарирования
1.4.2 Метод непосредственного измерения координат цвета и цветности
1.5 Приборы для определения координат цвета и цветности
1.5.1 Приборы для визуального измерения цвета
1.5.2 Приборы для расчетного способа определения координат цвета и цветности
1.5.3 Приборы для объективного измерения цвета
1.6 Сравнительный анализ погрешностей методов измерений координат цвета и цветности
1.7 Исследование зависимости координат цветности от геометрии измерений
ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ ЦВЕТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1 Виды источников света для цветовых измерений
2.2 Исследование погрешностей методов измерений координат цветности источников излучений
2.2.1 Метод определения координат цветности источника при сравнении с известным источником
2.2.2 Метод непосредственного определения спектра источника и расчета координат цветности
2.2.3 Исследование погрешностей методов измерений координат цветности источников
2.2.4 Особенности измерений координат цветности автомобильных ламп и выбор цветов в светодиодных светофорах
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЦВЕТА
3.1 Стандартные источники света
3.2 Цветность стандартных источников А, В, С, D
3.3 Воспроизведение стандартных источников А, В, С
3.4 Воспроизведение источника D
3.5 Исследование возможности воспроизведения источника D65 с помощью импульсной лампы
3.6 Оценка возможности разработки требуемого источника излучения, состоящего из нескольких светодиодов
3.7 Источник D65, состоящий из нескольких светодиодов
СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ КООРДИНАТ ЦВЕТА И ЦВЕТНОСТИ МЕТОДОМ ПЕРЕСЧЕТА
4.1 Вывод формул пересчета
4.2 Теоретическое исследование погрешности метода
4.3 Исследование погрешности метода пересчета
РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОВОГО КОЛОРИМЕТРА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО МЕТОД ПЕРЕСЧЕТА
5.1 Принцип работы фильтрового колориметра
5.2 Оценка теоретической погрешности прибора
Введение диссертации (часть автореферата) На тему "Оценка погрешностей визуальных и фотоэлектрических методов измерения координат цвета"
В настоящее время все более и более широкое распространение получают колориметрические измерения в различных областях применений. Так исторически основными направлениями таких измерений принято считать полиграфическую, текстильную, а также оптическую промышленности. С появлением новых материалов в области дорожных знаков, разметки и светофоров и, соответственно, новых стандартов цветовые измерения получили и здесь очень большое значение. Кроме того, особое место занимает контроль цвета при производстве косметических средств и упаковок, где требуется получать одинаковый выбранный цвет для каждого типа продукции.
С расширением колориметрических измерений появляются новые автоматические приборы для проведения цветовых измерений, а морально устаревающие приборы просто заменяются. Так перестали применяться визуальные колориметры, для работы с которыми требуется и хорошее цветовое восприятие оператора, и специальные навыки работы с такими приборами. Однако чаще всего основная причина замены оборудования связана с распространенным мнением, что все современные приборы должны обязательно иметь связь с компьютером и быть максимально автоматизированными. Такой перевес в сторону автоматизации ведет к тому, что одни методы получают большее распространение, а другие -исчезают. Однако если попытаться сравнить погрешности разных приборов, то чаще всего оказывается, что на большинство современных приборов приводятся погрешности, измеренные в разных системах цветов. Кроме того, на зарубежные приборы практически всегда приводятся погрешности, измеренные в своих лабораторных условиях, по своим методикам и на своих комплектах эталонных образцов. В Российской Федерации пока еще используется абсолютная погрешность измерений в наиболее распространенной системе цветов XYZ, что позволяет сразу отнести прибор к определенному классу: рабочее средство измерений или рабочий эталон. Однако уже наблюдается тенденция к зарубежному способу представления погрешностей.
В настоящее время проблема оценки погрешностей различных методов измерений цвета очень актуальна: исследование на основе испытаний приборов различных типов может дать не только подробный анализ преимуществ и недостатков существующих методов измерений, но и возможность качественно описать и количественно оценить все составляющие погрешности измерений, а также предложить способы для уменьшения погрешности.
Следовательно, для выполнения поставленной проблемы необходимо:
1. сравнить возможности и сопоставить погрешности забытых классических методов измерений координат цвета и цветности с методами, получившими распространение только за последние годы;
2. провести испытания методов измерения цвета источников излучений;
3. исследовать влияние геометрии измерений на координаты цветности;
4. по результатам анализа наиболее существенных составляющих погрешностей измерений координат цвета и цветности различными методами предложить алгоритмы и схемные решения отдельных узлов и элементов измерительных установок и приборов, позволяющих повысить точность измерений.
Применение современной микроэлектронной техники может снизить себестоимость изготовления новых колориметров. Для этого требуется провести анализ существующих методов снижения погрешности и модернизировать их для возможности встраивания в микропроцессорное устройство. Использование всех существующих достижений значительно упрощает схему прибора, а погрешность измерений координат цветности остается приемлемой для практического применения.
Заключение диссертации по теме "Оптические и оптикоэлектронные приборы и комплексы", Стороженко, Алексей Иванович
Результаты теоретического и практического исследований метода
пересчета показывают, что алгоритм работает с некоторой погрешностью,
но абсолютная погрешность координат цветности остается в пределах
допустимых для рабочего средства измерения пределах - 0.02-0.03. Однако
для некоторых образцов были получены несколько большие значения
погрешности. Это связано с тем, что исследования проводились на
визуальном колориметре и, следовательно, на результируюшую
погрешность измерений еще влияет цветовая адаптация глаза,
восприимчивость глаза к цвету, усталость глаза и другие субъективные
причины. Исследование применимости метода пересчета показало, что данный
алгоритм может быть применен для снижения погрешности измерений при
изготовлении объективного фильтрового колориметра, в котором кривые
сложения неточно соответствуют или даже значительно отличаются от
стандартизованной системы XYZ. Колориметр, калиброванный таким
способом и измеряюпций только координаты цветности, может использоваться в качестве рабочего средства измерения, а, при
оптимальном выборе градуировочных фильтров, прибор может также
измерять и координаты цвета. Применение метода пересчета с делением
локуса на области позволяет еще больше уменьшить погрешность, но
усложняет расчеты. Так как, вывод формул пересчета производится только
один раз, то этот способ повышения точности оправдан экономически. Следовательно, метод пересчета позволяет разрабатывать суш;ественно
более простые, но в тоже время достаточно точные приборы.ГЛАВА 5
РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОВОГО
КОЛОРИМЕТРА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО
МЕТОД ПЕРЕСЧЕТА
5.1 Принцип работы фильтрового
колориметра
При изготовлении фильтрового колориметра, в настоящее время,
расчетчики стараются разрабатывать и изготавливать светофильтры,
спектры пропусканий которых подобны общепризнанным кривым
сложений XYZ , , Создание светофильтров, подобных кривым
сложения XYZ, возможно, но решить эту задачу с требуемой
погрешностью очень сложно, так как стекол с требуемым спектральным
составом не существует. Добиться достаточно близкого спектрального
состава возможно используя несколько различных, часто редких и очень
дорогих, цветных оптических стекол. Однако, цветные фильтры, спектры
пропусканий которых подобны другим кривым сложения, например -
системе RGB , изготовить относительно просто. Известно, что некоторые приборы специально разрабатывались для
обеспечения решения особых задач. В них спектральные коэффициенты
пропусканий трех светофильтров полностью охватывают видимую часть
спектра, но не подобны каким-либо общепринятым кривым сложений
(например - колориметр ФМ104М , , изготовленный в ГОИ , с
системой цветов Шкловера). При попытке провести прямые измерения на
таком приборе координаты цвета и цветности испытуемого образца будут
иметь значительную погрешность. Поэтому, в методике измерений таких иметь значительную погрешность. Поэтому, в методике измерений таких
приборов всегда есть пересчет результатов измерений из системы цветов
колориметра в стандартизованную систему XYZ по приводимым
формулам. Этот способ еще пятьдесят лет назад был описан как метод
градуировки по трем образцам в описании визуального колориметра ФМ 18а . Однако с переходом на новые (в основном спектральные)
приборы этот метод был забыт и отброшен в сторону - современная
тенденция приборостроения состоит в том, что все составляющие
элементы прибора должны быть, воспроизведены наиболее точно. Такой
подход не всегда оправдан - есть ряд задач, где требуется произвести
измерения только как "индикатор" цвета, а погрешность для прибора
такого класса может быть довольно значимой, но приемлемой. Таким образом, макет фильтрового колориметра может иметь либо
более легко воспроизводимую известную систему цветов, либо
специальную систему цветов. Очевидно, что, если есть возможность
разработать собственную систему цветов, то это даст ряд преимуществ,
таких как:
В качестве регистрирующих устройств можно использовать любые
приемники оптического излучения,
Светофильтры можно изготавливать из наиболее распространенных
марок стекол,
Можно увеличить сигналы с приемников без использования
дополнительного электрического усиления изменяя спектральный
состав соответствующего светофильтра. Так как математический пересчет не представляет сложностей для
современной электроники, то, учитывая все выщеизложенное, была
предложена принципиальная схема работы (рисунок 5.1.1) фильтрового
колориметра. образец
Измерение
сигналов
Пересчет
формулам:
рез-тов на
1 - Оптический блок, 2 - Электронный блок регистрации сигналов, 3 - Пересчет
сигналов из системы цветов колориметра в заданную систему, 4 -Дисплей
Рисунок 5.1.1 -Принципиальная схема работы фильтрового колориметра
Оптический блок (рисунок 5.1.1) может быть реализован под
различные задачи. Поэтому предложена одна из самых распространенных
на сегодня схема, где в оптическом блоке устанавливается один источник
излучения и испытуемый образец, а три корригированных приемника
излучения регистрируют сигналы. В качестве источника излучения можно
использовать, например, менее мощную, чем испытанная выше лампа
ИФП -8000, импульсную трубчатую ксеноновую лампу ИПО -75. Образец,
работающий на отражение, устанавливается в положение А. Если образец
работает на пропускание, то его устанавливают в положение Б, а в
положение А устанавливают эталонный образец белого цвета из стекла
МС-20. Предложенный оптический блок макета может быть изменен для
обеспечения возможности измерения координат цветности источников
излучений, а также можно изменить и предложенную геометрию
измерений на любую другую. Для расчета координат цвета и цветности
необходимо три приемника излучения, спектральные чувствительности
которых разделяют все видимое излучение на три области красно оранжевых, желто-зеленых и сине-фиолетовых цветов. Папример можно
выбрать такие сочетания приемников и светофильтров: Se+CC-8, Se+3C-
11, Se+OC-5. Электронный блок регистрации должен обеспечить
аналоговое усиление и фильтрацию, а также измерение аналого-цифровым
преобразователем полученных с фотоприемников сигналов. По трем
цифровым отсчетам производится пересчет координат цвета из системы цветов колориметра в заданную систему по заложенной в
микропроцессоре устройства программе. После пересчета результаты
сразу же выводятся тем же микропроцессором на дисплей. Очевидны преимущества такой схемы:
Простота изготовления,
Универсальность,
Компактность,
Невысокая стоимость комплектующих уже при мелкосерийном
производстве. Основа всех преимуществ - это применение метода пересчета на
основе современной электроники. Несмотря на то, что такой метод раньше
очень широко применялся, не удалось найти сведений о теоретической
погрешности метода, то есть его собственной погрешности, вызванной
именно неточностью самого пересчета. Также не было обнаружено
никаких сведений о границах применимости метода, то есть насколько
сильно спектры пропусканий светофильтров могут отличаться от кривых
сложений системы цветов, в которую производится пересчет. 5.2 Оценка теоретической погрешности
Основная часть любого объективного фильтрового колориметра -
оптико-электронная схема, в которую входят:
Источник(и) излучения,
Светофильтры,
Приемники излучений. В разработке любого прибора необходимо всегда учитывать его
предполагаемую стоимость. Значительный вклад в обшую цену
фильтрового колориметра вносит использование цветных стеклянных
светофильтров, а также стоимость фотоприемников.Анализ погрешностей позволил предположить, что есть возможность
свободно выбирать не только градуировочные образцы, но и системы
цветов, значительно отличающихся от стандартизованных систем RGB,
XYZ, LAB, и произвести пересчет в систему XYZ, в которой принято
представлять результаты цветовых измерений. Это позволяет существенно
упростить схемные и конструктивные рещения измерительных приборов и
соответствует современным тенденциям, когда стараются уменьщить
количество дорогостоящих оптических элементов, заменяя их средствами
вычислительной техники. Именно поэтому потребовалось провести
теоретическое исследование предполагаемых схем. Это позволило не
создавая несколько разных рабочих макетов приборов, оценить
погрещности и диапазоны измерений координат цветности предложенных
схем колориметров. Наиболее распространенной схемой , любого фильтрового
колориметра для определения координат цвета и цветности прозрачных
или отражающих образцов является схема с одним источником и тремя
корригированными приемниками, В качестве источника излучения обычно
используют лампу накаливания, которая работает в режиме источника А и
освещает испытуемый образец, но в данном макете прибора можно легко
установить импульсный источник D65 на основе исследованной лампы
ИФП, Такая схема можно, нанример, реализовать в следующей
комбинации:
Лампа накаливания включается в таком режиме, чтобы ее цветовая
температура была 2856 К, то есть ее спектр соответствует спектру
излучения источника А;
В качестве трех приемников используются кремниевые
фотоприемники со светофильтрами из стекол СС-2*СЗС-22, ЗС 8*СЗС-23 и ОС-17*СЗС-23 (спектральные характеристики при
использовании источника А приведены на рисунке 5,2,1),
аэ^ооспосмоч"псогсосз)Осдэт^тцэгооспогчпгю(огсоо5Осм
Рисунок 5.2.1 -Кривые сложений системы XYZ и подобранные кривые спектральных
Возможен и другой подход, который состоит в том, чтобы
поочередно освещать тремя цветными источниками поверхность
испытуемого образца, а сигналы регистрировать одним приемником. С
появлением разнообразных цветных светодиодов этот способ очень легко
реализовать. При их использовании можно работать в импульсном режиме
и тем самым дополнительно снизить влияние фоновой засветки. Спектры
излучений цветных светодиодов не очень широкие, но, благодаря
большому выбору по длинам волн, можно включать сразу несколько
источников для обеспечения необходимого спектрального состава. Получить спектр, подобный кривой сложения Z при угловом размере поля
Для кривой сложения Y - белый светодиод со светофильтром из стекла
марки ЖЗС-18, для X - белый светодиод со светофильтром из стекол
марок ОС-17 и СЗС-23 вместе с уже упомянутым синим светодиодом, но
при значительно меньшей мощности. Полученные спектральные кривые
при использовании кремниевого приемника показаны на рисунке 5.2.2.Белый св-д * 0С17
0.08*Синий св-д
ооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооо
Рисунок 5.2.2 -Кривые сложений системы XYZ и подобранные кривые спектральных
чувствительностей трех корригированных приемников (для источника А)
Второй способ может быть несколько изменен: несколько
светодиодов, перекрывая весь видимый спектр, излучают поочередно, а
один приемник их регистрирует. На рисунке 5.2.3 показаны спектральные
характеристики семи цветных светодиодов и одного белого. Координаты
цветностей в стандартизованной системе XYZ 1931 г. отмечены на
рисунке 5.2.4. Такая схема представляет не что иное, как реализацию методов
многоцветной колориметрии. Для работы с таким колориметром
необходима более сложная система расчета, состоящая из четырех этапов:
1. Предварительное измерение сигналов, получаемым от трех, наиболее
полно охватывающих видимый спектр, светодиодов (например: синий
440 нм + белый + красный 690 нм);
2. Приближенное определение координат цветности испытуемого
образца по формулам пересчета для выбранных светодиодов;
3. Измерение трех сигналов от тех трех светодиодов, в область цветов которых попали предварительно определенные координаты цветности
(пример выбора областей показан на рисунке 5.2.4);
4. Окончательный пересчет сигналов по формулам для выбранных
светодиодов в координаты цветности в требуемой системе. ооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооо
Рисунок 5.2.3 - Спектральные кривые светодиодов
о 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75
Рисунок 5.2.4- Координаты цветности светодиодов в системе XYZ1931 г.Испытания проводились на основе сравнения расчетных координат
цветности с пересчитанными значениями случайно выбранных 100
образцов. В разное время на разных установках были измерены их
спектральные данные и получены координаты цвета и цветности для
источника А в системе цветов XYZ 1931 г. В первом способе, составив кривые сложений, спектральные
характеристики которых приведены на рисунке 5.2.1, были рассчитаны
координаты цветности в полученной системе цветов, подобной
стандартизованной системе XYZ. Затем был произведен пересчет из
системы цветов колориметра в стандартизованную систему XYZ. Расчетные значения и полученные координаты цветности до и после
пересчета показаны на рисунке 5.2.5 (приведены только составляющие
"х"). Результаты для второго и третьего способа приведены,
соответственно, на рисунках 5.2.6 и 5.2.7. Расчетные значения
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100
Рисунок 5.2.5 - Координаты цветности до и после пересчета в первой схеме
Расчетные значения
Коорд. цветности до пересчета
Коорд. цветности после пересчета
о Fi"i"i"i"i"i"."."P
Рисунок 5.2.6 - Координаты цветности до и после пересчета во второй схеме
Расчетные значения
Коорд. цветности после предварит, пересчета
Коорд. цветности после второго пересчета
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97
Рисунок 5.2.7 - Координаты цветности после предварительного и более точного
пересчетов в схеме с восемью светодиодами
Результаты всех расчетов сведены в одну таблицу 5.2.1, в которой в
соответствующих полях приведено количество образцов,
удовлетворяющих установленному диапазону погрешности.Таблица 5.2.1 -Количество образцов (из 100), попадающее в диапазон погрешности
Диапазон
погрешности
1-ый способ
1 ист.-З приемника
пересчета
пересчета
2-ой способ
3 ист.-1 приемник
пересчета
пересчета
3-ий способ
8 светодиодов
после 1-го
пересчета
после 2-го
пересчета
Из таблицы 5.2.1 видно, что наименьшую погрешность имеет
колориметр по схеме, предложенной в первом способе. Причина этого в
том, что в этом способе кривые сложения наиболее нодобны кривым
сложений системы, в которую производится пересчет (система XYZ
1931 г., источник А). Можно показать, что нет разницы каким из первых
двух способов получены кривые сложений (1 источник и 3 приемника или
3 источника и 1 приемник), но чем более точно они воспроизведены тем
меньшая будет погрешность. Несмотря на то, что погрешность измерений
координат цветности таким колориметром не превышает 0.01 для большей
реально воспроизводимой части локуса она все же остается значительной. Ноэтому для ее снижения прибор предпочтительнее использовать в
качестве компаратора или в качестве рабочего средства измерений
координат цветности для выбранной части цветового локуса. Это
позволяет специализировать прибор для определенных нужд (например -
, , -, , , ), разработав специальную систему цветов
для повышения точности измерений в требуемой области локуса. Использование восьми светодиодов с одним приемником не дало
приемлемого результата, так как их спектральные кривые широки, чтобы
методом. Системы цветов для каждой части локуса значительно
отличаются от стандартизованной системы, в которую нроизводится
пересчет, и погрешность после второго более точного пересчета остается
все же значительной. Для реализации спектрофотометрического метода
необходимо использовать как минимум 16 узкополосных светодиодов, равномерно распределенных по спектру, как это было реализовано в
некоторых фильтровых колориметрах с интерференционными
спектральный состав образца, и, на этих данных, рассчитать координаты
цветности в требуемой системе. Для сравнения с мировыми аналогами результаты испытания макета
со схемой, предложенной в первом способе, были пересчитаны в систему
цветов LAB. В настоящее время именно в этой системе наиболее часто
приводят основную погрешность практически любого колориметра. При
этом измерения обычно проводятся на комплекте из 12-13 образцовых
стекол. Например, для компактного денситометра фирмы X-Rite,
измеряющего координаты цветности, приводится значение средней
погрешности ДЕ = 0.4. В предложенном макете погрешность измерений
координат цветности оказалась АЕ = 0.5, но испытания проводились на
основе 100 спектров пропусканий и отражений. Несмотря на то, что
погрешности приборов примерно равны себестоимость изготовления
разработанного колориметра существенно меньше импортного аналога.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Главное достижение исследования состоит в детальном анализе и
проведении испытаний методов измерений координат цветности, а также в
разработке нового типа переносного колориметра,
В ходе диссертационной работы проведены и решены следующие
исследования и задачи:
1. Выполнен обзор и произведены испытания методов определения
координат цветности образцов, работающих на пропускание и
отражение, а также методов измерения координат цветности
источников излучения. Результаты исследования показали, что
пофешность измерений на приборах и установках для определения
координат цветности разных типов, использующихся в качестве
рабочих средств измерений, - примерно одинаковы, но, в зависимости
от типа испытуемого объекта, применение одного прибора
предпочтительнее, чем другого. 2. В результате рассмотрения и испытания методов измерения координат
цветности источников излучения показано, что измерения по
эталонному приемнику на спектрофотометрической установке точнее,
чем при сравнении с известным источником света. 3. Проведен анализ влияния составляющих погрешностей на результат
определения координат цветности на основе измерений на приборах и
предложены способы снижения погрешности измерений. 4. Используя методы уменьшения погрешности, предложен принцип
построения объективного компактного колориметра с произвольным
набором светофильтров, который может применяться в качестве
компаратора цвета или рабочего средства измерений, методика его
калибровки и способ снижения погрешности измерений на основе
метода пересчета.5. Предложен простой и недорогой в реализации макет переносного
колориметра, использующего одновременно достижения
фотоэлектрической и классической визуальной колориметрии и новые
микросхемы для миниатюризации и проведения всех расчетов,
включая алгоритмы снижения погрешности измерений и вывода
результатов. Результаты испытаний показали, что прибор может
применяться в качестве рабочего средства измерения и выпускаться
серийно. Кроме того показано, что принципиальная схема
колориметра легко перестраивается под большинство задач. 6. Предложен вариант импульсного источника D65 на основе
импульсной лампы ИФП со стеклянным светофильтром для
использования в переносных приборах и установках. Испытания
макета показали его соответствие требованиям, высокую
эффективность и возможность применения для разнообразных задач. 7. Произведены сравнительные измерения координат цветности
отражающих образцов при разных геометриях измерений и показано,
что результаты сильно зависят от геометрии измерений даже для
стандартных цветных образцов.
Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стороженко, Алексей Иванович, 2007 год
1. Вершинский А, Е. Источник D65 для цветовых измерений - Л.: ОМП , 1978, №4, стр. 72.
2. Вершинский А. Е. Относительное спектральное распределение излучения ламны КИМ 9-75 - Л.: ОМП, 1977, № 12, стр. 55.
3. Вершинский А. Е. Оценка точности воспроизведения источника D65 - Л.: ОМП, 1978, №4, стр. 5.
4. ГОСТ 8.205-90 Государственный поверочная схема для средств измерений координат цвета и координат цветности.
5. ГОСТР 12.4.026-2001 Система стандартов безопасности труда. Цвета сигнальные и знаки безопасности.
6. ГОСТР41.7-99 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения подфарников, задних габаритных(боковых) огней, стоп-сигналов и контурных огней механическихтранспортных средств (за исключением мотоциклов) и их прицепов.
7. ГОСТР41.20-99 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения автомобильных фар с ассиметричнымиогнями ближнего света и (или) огнями дальнего света,предназначенными для использования с галогенными лампаминакаливания (лампы П4).
8. ГОСТР41.37-99 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения ламп накаливания, предназначенных дляиспользования в официально утвержденных огнях механическихтранспортных средств и их прицепов.
9. ГОСТ 6593-76 Краски печатные. Метод определения цвета.
10. ГОСТ 7721-89 Источники света для измерений цвета. Типы. Технические требования. Маркировка.10011. г о с т 8933-58 Нефтепродукты. Метод определения цветафотоэлектроколориметром.
11. ГОСТ 10807-78 Знаки дорожные. Общие технические условия.
12. ГОСТ 11583-74 Материалы полимерные строительные отделочные. Методы определения цветоустойчивости под воздействием света,равномерности окраски и светлоты.
13. ГОСТ 12083-78 Колориметры фотоэлектрические лабораторные. Типы. Основные параметры. Технические требования.
14. ГОСТ 13088-67 Колориметрия. Термины, буквенные обозначения.
15. ГОСТ 14313-69 Колориметры визуальные лабораторные концентрационные. Типы. Основные параметры.
16. ГОСТ 15821-70 Материалы белые нелюминесцирующие. Метод измерения показателя белизны и разнооттеночности.
17. ГОСТ 16873-78 Пигменты и наполнители неорганические.
18. ГОСТ 16872-78 Пигменты неорганические. Методы определения красящей способности.
19. ГОСТ 22133-76 Покрытия лакокрасочные станков, кузнечно- прессовых и литейных машин, инструмента. Требования к внешнемувиду.
20. ГОСТ 23198-94 Лампы газоразрядные. Методы измерения спектральных и цветовых характеристик.
21. ГОСТ 25695-91 Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры.
22. ГОСТ Р 51256-99 Технические средства организации дорожного движения. Разметка дорожная. Типы и основные параметры. Общиетехнические требования.
23. ГОСТ Р 52282-2004 Технические средства организации дорожного движения. Светофоры дорожные. Типы и основные параметры.Общие технические требования. Методы испытаний.101
24. Груздева Н, И., Гуревич М. М., Демкина Л. В. Стеклянные светофильтры для воснроизведения излучения источников В и С - Л.:ОМП, 1977, №2, стр. 3-6.
25. Инструкция И 01-76 Цветовая гамма и контрольные образцы (эталоны) цвета эмалей и красок. Порядок разработки, согласования,утверждения и нормирования - М.: ВНИИТЭ, 1976.
26. Инструкция И 04-80 Инструментальные методы определения цвета декоративных материалов - М.: Отдел оперативной полиграфииВНИИТЭ, 1980,25 с.
27. Курицын А. М., Шляхтер Е. М. Универсальный переносной колориметр НР1КФИ типа ПКГ - М.: типография НР1КФИ, 1981,Вып. 105, стр. 31-44.
28. Лагутин В. И. Оценка погрешности определения координат цветности объектов - М.: Измерительная техника, 1987, N2 2, стр. 27-29.
29. Лакокрасочные материалы. Цветовой ассортимент и его нормирование-М.: ВНИИТЭ, 1978.
30. Луизов А. В. Цвет и свет - Л.: Энергоатомиздат, 1989,256 с.
32. МИ 25-74 Методика поверки образцов цвета - М.: Изд-во стандартов, 1975.
33. МИ 31-75 Методика поверки образцов белой поверхности - М.: Изд- во стандартов, 1975.
34. МИ 34-75 Методика поверки компараторов - М.: Изд-во стандартов, 1976.
35. МИ 141-77 Методика поверки спектрофотометров типа СФ-18 - М.: Изд-во стандартов, 1978.102
36. Порядок разработки, согласования и утверждения эстетически полноценного ассортимента декоративных материалов - М.: ВНИИТЭ,1975.
37. РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения.
38. РМГ 43-2001 Применение "Руководства по выражению неопределенности измерений".
39. Фотометр постоянных источников света ФПИ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации - Л.: изд-во "ГОИ им. СИ. Вавилова",1979,37 с.
40. ЮстоваЕ. П. Таблицы основных колориметрических величин - М.: Изд-во комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1967.
41. Юстова Е. П. Цветовые измерения (Колориметрия) - СПб.: Издательство СПбГУ, 2000,399 с.
42. Billmeyer F. W., Jr., Marcus R. Т. Effect of illuminating and viewing geometry on the color coordinates of samples with various surface textures- Applied Optics, 1969, №8, pp. 1763-1768.
43. CIE, CIE Publication 15.2, Colorimetry, 3nd ed. - Vienna: Commission International de l"Eclairage (CIE), Central bureau of the CIE, 2004.45. nunt R. W. G. Measuring colour (3rd ed.) - Chichester: Fountain Press,1998,344 р.
44. Mabon T. J. Color measurement of plastics: which geometry is best. - The Regional Technical Conference of the Society of Plastics Engineers,Cherry nill,NJ, 1992.
45. Malacara-nemandez D., Color vision and colorimetry: Theory and applications. - Bellingham: SPIE Optical Engineering press, 2002,176 p.
47. Ohno y . Color issues of white LEDs. - OIDA workshop preliminary report, 2000.103
48. Rich D. The effect of measuring geometry on computer color matching. - Color research and application, 1988, №13, pp. 113-118.
49. RiesH., Leikel., Muschaweck J. Optimized additive mixing of colored light-emitting diode sources. - Optical engineering, 2004, Vol. 43, JST» 7,pp.1531-1536.
50. Ryer A. D. Light measurement handbook. - Newburyport: Technical publications dept. International Light Inc., 1998, 64 p.
51. Shevell S. The science of color (2nd ed.). - Washington: OSA and Elsevier Science, 2003,336 p.
52. Zukauskas A. et al. Optimization of white polychromatic semiconductor lamps. - Applied phys., 2002, №80, p. 234.
53. Zukauskas A., Ivanauskas F., Vaicekauskas R., Shur M. S., Gaska R. Optimization of multichip white solid state source with four or more LEDs.-Proc. SPIE 4445, 2001, pp. 148-155.104
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания.
В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.
