色度測量技術

色度測量技術

色度學是以物理光學,視覺心理和心理物理等學科領域為基礎的綜合性科學。

色度學中的顏色測量和評價技術是物理,分析化學以及生化中常用的檢測手段。

色度測量又稱比色,目的為檢測樣品中有色組分的含量。最早有很多基於光學的檢測工具可以幫助我們實現色度檢測,如杜波斯克比色計。現如今,隨著技術的發展,也有很多的電子儀器可以進行自動化色度測量,但是一般這種儀器在測量樣品之前需要對照調零校準,其遵循的原理是比爾-朗伯特定律。

基本介紹

  • 中文名:色度測量技術
  • 外文名: Colorimetry
常用的比色法有兩種:目視比色法和光電比色法,兩種方法都是以朗伯-比爾定律(A=εbc)為基礎。常用的目視比色法是標準系列法,即用不同量的待測物標準溶液在完全相同的一組比色管中,先按分析步驟顯色,配成顏色逐漸遞變的標準色階。試樣溶液也在完全相同條件下顯色,和標準色階作比較,目視找出色澤最相近的那一份標準,由其中所含標準溶液的量,計算確定試樣中待測組分的含量。
光電比色法是在光電比色計上測量一系列標準溶液的吸光度,將吸光度對濃度作圖,繪製工作曲線,然後根據待測組分溶液的吸光度在工作曲線上查得其濃度或含量。與目視比色法相比,光電比色法消除了主觀誤差,提高了測量準確度,而且可以通過選擇濾光片來消除干擾,從而提高了選擇性。但光電比色計採用鎢燈光源和濾光片,只適用於可見光譜區和只能 得到一定波長範圍的複合光, 而不是單色光束,還有其他一些局限,使它無論在測量的準確度靈敏度和套用範圍上都不如紫外-可見分光光度計。20 世紀30~60年代,是比色法發展的旺盛時期,此後就逐漸為分光光度法所代替。
其中光電檢測在20世紀60年代後開始占據主導。為了確保儀器所測得的光是由樣品發出的,這種儀器中濾光片的選擇很重要的。
基本反應
比色法是以生成有色化合物的顯色反應為基礎的,一般包括兩個步驟:首先是選擇適當的顯色試劑與待測組分反應,形成有色化合物,然後再比較或測量有色化合物的顏色深度。比色分析對顯色反應的基本要求是:
①反應應具有較高的選擇性,即選用的顯色劑最好只與待測組分反應,而不與其他干擾組分反應或其他組分的干擾很小;
②反應生成的有色化合物有恆定的組分和較高的穩定性;
③反應生成的有色化合物有足夠的靈敏度,摩爾吸光係數一般應在104以上;
④反應生成的有色化合物與顯色劑之間的顏色差別較大,它們的最大吸收濃度之差一般應在60納米以上。選用的顯色劑可以是一種試劑,也可以是兩種不同的試劑。如果待測組分與兩種不同的試劑反應生成一種有色化合物,則稱為三元絡合物顯色反應。這類顯色反應常常具有更高的靈敏度和選擇性,在比色法和紫外-可見分光光度法中套用非常普遍。選擇適當的顯色反應,研究最合適的反應條件和消除干擾的方法是比色分析的關鍵問題。溶液的酸度、顯色劑的用量、溫度、溶劑等對顯色反應都有影響。
色度測量常用名詞概念
光通量:
光源每秒種發出的可見光量之和,簡單說就是發光量。單位:流明(lm)照度:
單位面積內入射的光通量,也就是光通量除以面積所得到的值。單位:勒克司(lux)。照度分為水平照度和垂直照度。水平照度為光通量入射水平表面的照度,垂直照度為光通量入射到垂直面的照度。光強:
符號I,單位坎德拉cd,說明發光體在特定方向單位立體角內所發射的光通量亮度:
符號L,單位尼脫cd/m2,說明發光體在特定方向單位立體角單位面積內的光通量光效:
單位每瓦流明Lm/w,說明電光源將電能轉化為光的能力,以發出的光通量除以耗電量來表示平均壽命:
單位小時,說明指一批燈泡至百分之五十的數量損壞時的小時數經濟壽命:
單位小時,說明在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下,其綜合光束輸出減至一特定的小時數。此比例用於室外的光源為百分之七十,用於室內的光源如日光燈則為百分之八十。色溫:
以絕對溫度K來表示,即將一標準黑體加熱,溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍,逐漸改變,某光源與黑體的顏色相同時,我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫。
因相關色溫度事實上是以黑體輻射接近光源光色時,對該光源光色表現的評價值,並非一種精確的顏色對比,故具相同色溫值的二光源,可能在光色外觀上仍有些許差異。僅馮色溫無法了解光源對物體的顯色能力,或在該光源下物體顏色的再現如何。
不同光源環境的相關色溫度光源色溫
北方晴空8000-8500k陰天6500-7500k夏日正午陽光5500k金屬鹵化物燈4000-4600k下午日光4000k冷色營光燈4000-5000k高壓汞燈3450-3750k暖色營光燈2500-3000k鹵素燈3000k鎢絲燈2700k高壓鈉燈1950-2250k蠟燭光2000k
光源色溫不同,光色也不同:
色溫在3300K以下,光色偏紅給以溫暖的感覺;有穩重的氣氛,溫暖的感覺;
色溫在3000--6000K為中間,人在此色調下無特別明顯的視覺心理效果,有爽快的感覺;故稱為"中性"色溫。
色溫超過6000K,光色偏藍,給人以清冷的感覺,
a.色溫與亮度高色溫光源照射下,如亮度不高則給人們有一種陰氣的氣氛;低色溫光源照射下,亮度過高會給人們有一種悶熱感覺。
b.光色的對比在同一空間使用兩種光色差很大的光源,其對比將會出現層次效果,光色對比大時,在獲得亮度層次的同時,又可獲得光色的層次。採用低色溫光源照射,能使紅色更鮮艷;採用中色溫光源照射,使藍色具有清涼感;採用高色溫光源照射,使物體有冷的感覺。
顯色性:
光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性,也就是顏色逼真的程度;光源的顯色性是由顯色指數來表明,它表示物體在光下顏色比基準光(太陽光)照明時顏色的偏離,能較全面反映光源的顏色特性。顯色性高的光源對顏色表現較好,我們所見到的顏色也就接近自然色,顯色性低的光源對顏色表現較差,我們所見到的顏色偏差也較大。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100,各類光源的顯色指數各不相同,如:高壓鈉燈顯色指數Ra=23,螢光燈管顯色指數Ra=60~90。顯色分兩種
忠實顯色:能正確表現物質本來的顏色需使用顯色指數(Ra)高的光源,其數值接近100,顯色性最好。
效果顯色:要鮮明地強調特定色彩,表現美的生活可以利用加色法來加強顯色效果。光效:
衡量光源節能的重要指標,就是光源發出的光通量除以光源所消耗的功率。單位:流明/瓦(lm/w)。眩光:
視野內有亮度極高的物體或強烈的亮度對比,則可以造成視覺不舒適稱為眩光。眩光分為失能性眩光和不舒適性眩光,眩光是影響照明質量的重要因素。電磁干擾:
氣體放電燈鎮流器在使用過程中,會通過輻射,傳導等方式對周圍電器產生干擾。電磁噪音:
可能使周圍電器工作異常甚至失控。亮度對比:
被識別對象和其背景亮度之差與背景亮度之比稱為亮度對比,對比影響物體的可見度。對比大的物體容易被觀察到,並在視覺上產生近距感和興奮感。標準光源:
我們知道,照明光源對物體的顏色影響很大。不同的光源,有著各自的光譜能量分布及顏色,
在它們的照射下物體表面呈現的顏色也隨之變化。為了統一對顏色的認識,首先必須要規定標準的照明光源。因為光源的顏色與光源的色溫密切相關,所以CIE規定了四種標準照明體的色溫標準:
標準照明體A:代表完全輻射體在2856K發出的光(X0=109.87,Y0=100.00,Z0=35.59);標準照明體B:代表相關色溫約為4874K的直射陽光(X0=99.09,Y0=100.00,Z0=85.32);標準照明體C:代表相關色溫大約為6774K的平均日光,光色近似陰天天空的日光(X0=98.07,Y0=100.00,Z0=118.18);
標準照明體D65:代表相關色溫大約為6504K的日光(X0=95.05,Y0=100.00,Z0=108.91);
標準照明體D:代表標準照明體D65以外的其它日光。
CIE規定的標準照明體是指特定的光譜能量分布,是規定的光源顏色標準。它並不是必須由一個光源直接提供,也並不一定用某一光源來實現。為了實現CIE規定的標準照明體的要求,還必須規定標準光源,以具體實現標準照明體所要求的光譜能量分布。CIE推薦下列人造光源來實現標準照明體的規定:
標準光源A:色溫為2856K的充氣螺旋鎢絲燈,其光色偏黃。
標準光源B:色溫為4874K,由A光源加罩B型D-G液體濾光器組成。光色相當於中午日光。
標準光源C:色溫為6774K,由A光源加罩C型D-G液體濾光器組成,光色相當於有雲的天空光。
CIE標準照明體A、B、C由標準光源A、B、C實現,但對於模擬典型日光的標準照明體D65,目前CIE還沒有推薦相應的標準光源。因為它的光譜能量分布在目前還不能由真實的光源準確地實現。當前國際上正在進行著與標準照明體D65相對應的標準光源的研製工作。現在研製的三種模擬D65人造光源分別為:帶濾光器的高壓氙弧燈、帶濾光器的白熾燈和螢光燈。它們的相對光譜能量分布與D65有所符合,帶濾光器的高壓氙弧燈提供了最好的模擬,帶濾光器的白熾燈在紫外區的模擬尚不太理想,螢光燈的模擬較差。為了滿足精細辨色生產活動的需要,還有採用螢光燈和帶濾器的白熾燈組成的混光光源,稱為D75光源。
其色溫可達7500K。主要運用在原棉評級等精細辨色工作中。Lab模式:
Lab模式是一般人較為陌生的色彩模式,這個模式的色彩定義是由國際照明委員會CIE所制定的,也是目前所有模式中涵蓋色彩範圍最廣的模式。它的特色是對色彩的描述完全採用數學方式,與系統及設備無關,因此它可以無偏差地在系統與平台間進行轉換。
Lab模式是以一個亮度分量L(Lightness)——範圍是0-100;以及兩個顏色分量a與b來表示顏色。a分量是由綠色演變到紅色——範圍是-120-120;而b分量則是由藍色演變到黃色——範圍是-120-120。

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