顏色測量標準化之照明觀察幾何條件

發布時間： 2018-05-16　　點擊次數： 3919次

由于顏色視覺的復雜性，顏色測量和目視評價條件必須標準化，這樣結果才有可比性。根據照明委員會CIE的規定，顏色測量必須在以下三個方面實現標準化：在計算被測量樣品的三刺激值時, 照明光源選擇標準照明體，常用的標準照明體有A、C、D65；②計算被測量樣品的三刺激值時, 要選用標準觀察者，小視場(1°~4°)選用CIE1931標準色度觀察者，大視場(10°)時選取用CIE1964標準補充色度觀察者；③測量裝置必須選擇標準化幾何條件（Geometry），即標準照明觀察條件。

2004年以前CIE推薦幾何條件

物體色的顏色測量是通對光譜或三刺激值的測量來實現的，因此測量結果與光源、探測器和樣品的相對位置關系，即幾何條件有關。同樣的，對顏色樣品的目視評價也會受照明和觀察的幾何條件影響，測量結果和目視評價的相關程度依賴于儀器測量的幾何條件對實際觀察時的幾何條件的模擬程度。在2004年之前，CIE根據人眼觀察物體的主要方式規定了4種反射測量的幾何條件和4種透射測量的幾何條件。以反射測量為例，如下圖所示，這些幾何條件包括：0/d(垂直照明/漫射接收)，d/0(漫射照明/垂直接收)，0/45(垂直照明/45°接收)和45/0 (45°照明/垂直接收)。

CIE在2004年以前的4種反射測量的幾何條件

根據CIE規定在0/45，45/0，d/0三種條件下測得的光譜反射因數稱為光譜輻亮度因數，分別記為ρ0/45 、ρ45/0 、ρd/0 ；在0/d條件下測得的光譜反射因數稱為光譜反射比ρ。

2004年CIE推薦幾何條件

隨著儀器制造業和其它顏色應用的不斷發展，幾何條件的實現方式多種多樣，上述幾何條件的表示方法已經不能全面地闡述測量狀態。例如規則反射成分或鏡面反射成分是否包含、45/0條件中入射光的實現方式等均未能在符號中表示。因此，CIE于2004年在其出版物中對幾何條件的表示方法進行了修訂，并取消了儀器測量中“照明/觀測條件”的提法，代之以“幾何條件”以避免與目視觀察條件相混淆。

對于物體反射色度的測量，CIE規定了如下10種幾何條件

(1) 漫射：8°幾何條件，包含鏡面成分；簡寫符號為di:8°

這里，di 是 Diffusion 和Included的縮寫。如下圖所示，取樣孔徑被以其平面為界的半球內表面從各個方向均勻地照明，測量區域過充滿。探測器對取樣孔徑區域的響應均勻，反射光束軸線和樣品中心法線成8°角，在接收光束軸線5°內的所有方向上認為取樣孔徑反射的輻射是均勻的。

CIE的di:8°幾何條件

(2) 漫射：8°幾何條件，排除鏡面成分；簡寫符號為de:8°

這里，de 是 Diffusion 和Excluded的縮寫。如下圖所示，首先滿足di:8°的條件，但是用一個光澤陷阱取代了di:8°的反射平面。因此將單面的平面反射鏡放置于取樣孔徑處時，沒有光反射到探測器方向，并且在這個方向的1°以內也沒有鏡面反射，以便為儀器雜散光或對準誤差留有寬容度。

CIE的de:8°幾何條件

(3) 8°：漫射幾何條件,包含鏡面成分；簡寫符號為8°:di

該幾何條件滿足di:8°的條件，但照明光源與探測器的光路相反。因此取樣孔徑被與法線成8°角的光照明，以參考平面為界的半球收集取樣孔徑反射的各個角度的通量，如下圖所示

CIE的8°:di幾何條件

(4) 8°：漫射幾何條件，排除鏡反射成分；簡寫符號為8°:ｄe

該幾何條件滿足de:8°的條件，但照明光源與探測器的光路相反，如下圖所示。CIE的8°:de幾何條件

(5) 漫射/漫射幾何條件，簡寫符號為d:d

該幾何條件的照明滿足di:8°的條件，且以參考平面為界的半球收集取樣孔徑反射的各個角度通量。

(6) 備選的漫射幾何條件(d:0°)

該幾何條件是備選漫射幾何條件，它的出射方向沿著樣品法線，這是嚴格的不包含鏡面反射的幾何條件。

(7) 45°環帶/垂直幾何條件(45°a:0°)

這里，a是annular的縮寫。如下圖所示，從頂點位于取樣孔徑中心，中心軸位于取樣孔徑法線上，半角分別為40°和50°的兩個正圓錐之間各個方向射來的光均勻地照明取樣孔徑；探測器從頂點位于取樣孔徑中心，中心軸沿樣品法線方向半角為5°的正圓錐內均勻接收反射輻射。這種幾何條件可以將樣品質地和方向的選擇性反射影響降至zui低。如果這種照明幾何條件是由多個光源以接近于形排列來近似得到，或者由多根出光口排列成圓形且被單個光源照明的光纖束近似得到，就得到圓周/垂直幾何條件(45°c:0°)。

CIE規定的45°a:0°幾何條件

(8) 垂直 /45°環帶幾何條件(0°:45°a)

其中角度和空間條件滿足45°a:0°的條件，但照明光源與探測器的光路相反。因此取樣孔徑被垂直照明，反射輻射被中心與法線成45°角的環帶接收。

(9) 45°單方位/ 垂直(45°ｘ:0°)

其中角度和空間條件滿足45°ａ：0°的條件，但輻射只從一個方位角發出，這排除了鏡反射，但突出了質地和方向性。符號中ｘ表示入射光束從某任意方位照射參考平面。

(10) 垂直 45°單方位(0°:45°ｘ)

其中角度和空間條件滿足45°ｘ：0°的條件，但光路相反。因此樣品表面被垂直照明，從與法線成45°角的某個方位接收反射輻射。

CIE規定，在幾何條件符合(1)、(2)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)的情況下測量的結果是光譜反射因數；當測量張角足夠小時，反射因數的量值與輻亮度因數的量值相同。符合幾何條件（3）且積分球為理想積分球時，測量結果為反射比，也是臺式分光光度計zui常采用的幾何條件。因此在45°ｘ:0°條件可以給出輻亮度因數β45:0；在0°:45°ｘ條件下可以給出輻亮度因數β0:45；在di:8°條件下可以給出輻亮度因數βdi:8，它接近于輻亮度因數βｄ:0；在8°:di條件的測量結果是反射比ρ。

對于透射物體的顏色測量，CIE規定了如下6種幾何條件

(1) 垂直/垂直幾何條件(0°:0°)

如下圖，入射與測量的幾何條件都是*相同的正圓錐狀，正圓錐的軸位于取樣孔徑中心的法線上，半角是 5°，取樣孔徑的面輻射和角輻射以及探測器的面響應和角度響應都是均勻的。