Колориметры, виды, принцип работы

Что такое колориметры?

"В строгом смысле колориметры - это инструменты для измерения физических величин, которые имеют отношение к восприятию цвета. Обычно такие устройства выдают значения тристимулы, например, типа CIE RGB, CIE XYZ или LMS. Это координаты в некотором выбранном цветовом пространстве..."

Полезные статьи:

Что такое рефлектометры? Виды, принцип работы

Спектрофотометры, виды, принцип работы

Все статьи

Термин "колориметр" также иногда используется в более широком смысле для приборов в приложениях, где цветовое впечатление не является аспектом, представляющим фактический интерес, но используется только зависящее от длины волны поглощение. Например, для извлечения информации о других аспектах, таких как концентрация некоторых светопоглощающих веществ в растворе. Это несколько неточное использование термина распространено в т.ч и в аналитической химии.

Колориметры различных типов могут применяться либо к свету, либо к объектам, которые взаимодействуют со светом, таким как красители и раскрашивания. Некоторые типичные типы колориметров и их типичные области применения объясняются ниже.

Колориметры для определения характеристик источников света

Часто требуется объективно охарактеризовать цвет или цветовой баланс света – например, белого света, используемого для освещения. В других случаях, например, при тестировании светодиодов для сигнальных ламп, можно проверить постоянство цветного светового потока.

Обычно представляет интерес не полный оптический спектр света, который можно измерить с помощью какого-либо оптического спектрометра (более конкретно, спектрорадиометра). Вместо этого в колориметрии интересует только результирующее восприятие цвета. Эта информация часто фиксируется в форме значений тристимулы. В прежние времена измерения цвета часто основывались на визуальном сравнении объектов с эталонными объектами цвета, но такие методы больше не распространены.

В зависимости от применения могут подходить различные значения тристимул. Например, может потребоваться получить значения RGB, чтобы полученный цвет можно было легко воспроизвести с помощью цветного дисплея RGB (возможно, после применения математической коррекции – преобразования цвета – если два цветовых пространства RGB не идентичны). В других случаях могут потребоваться значения tristimulus LMS, указывающие на реакцию колбочек рецепторных клеток в человеческом глазу.

Если колориметр tristimulus работает на основе цветового пространства RGB, некоторые характеристики спектрального поглощения могут не давать таких же результатов цветопередачи, как для человеческого глаза. Такой наблюдатель метамерии цвета ошибки можно минимизировать за счет оптимизации спектральные кривые отклика, может попробовать, например, чтобы выполнить Лютер состоянии (после Роберта Лютера), получения истинного колориметрических приборов.

Колориметры Tristimulus

Самый простой метод измерения значений tristimulus заключается в использовании комбинации подходящего оптического фильтра и фотодиода (часто кремниевого фотодиода). Например, подходящий красный, зеленый или синий фильтр может изменять спектральный отклик фотоприемника (т.е. чувствительность, зависящую от длины волны), получая значения цветов RGB (красный, зеленый и синий) в используемом цветовом пространстве RGB. 

Простые устройства такого типа могут быть относительно дешевыми, легкими, компактными и надежными. Компактный прибор может содержать собственно измерительное устройство, дисплей и все остальное; в других случаях имеется компактная внешняя измерительная головка, которая обычно подключается к остальной части прибора с помощью кабеля.

Модифицированный принцип работы основан на одном фотоприемнике и вращающемся колесе фильтра; измерения с использованием разных фильтров выполняются не одновременно, а последовательно. Этот принцип особенно подходит для колориметров визуализации.

Обратите внимание, что цветовое пространство нельзя использовать для точного представления произвольных цветов. Существуют цвета за пределами гаммы RGB, которые математически имели бы отрицательное значение по крайней мере для одной из трех координат. Поэтому никогда не может произойти в таком приборе, потому что измеренная интенсивность не может быть отрицательной. Например, для любого монохроматического света возникает эта проблема. 

Однако это ограничение не всегда практически актуально, например, если дальнейшая обработка цветов в любом случае сопряжена с такими ограничениями: это не помогает точно записывать цвета, которые в любом случае нельзя точно напечатать или отобразить. Можно существенно расширить цветовое пространство, используя один или более дополнительных фотоприемников с другими фильтрами, где затем объединяются четыре или пять значений измерения для вычисления полученных значений tristimulus.

Колориметры со спектрометром

Чтобы избежать ограничения доступного цветового пространства, можно использовать более сложный метод измерения с помощью оптического спектрометра, который должен охватывать весь видимый спектральный диапазон. Из полученных оптических спектров можно рассчитать все виды значений тристимул, просто спектрально интегрируя произведение спектральной интенсивности с соответствующими функциями фильтра. 

Проблема с метамерией наблюдателя также устраняется таким образом. Кроме того, такие приборы обычно управляются компьютером, что позволяет им предлагать различные полезные дополнительные функции. Однако очевидными недостатками этого подхода являются существенно более высокая стоимость, больший размер и вес (часто делающие такие устройства непереносимыми) и их обычно более низкая надежность.

В некоторых колориметрах для визуализации фактически сочетаются оба принципа работы: фактические измерения выполняются на основе принципа оптического фильтра простого колориметра tristimulus, но есть также одноканальный спектрометр для калибровки цветовых данных. Такая комбинация методов также может использоваться там, где требуется максимальная скорость измерения.

Усовершенствованный колориметр может выдавать значения tristimulus разных видов. Например, он может выводить как значения CIE RGB, так и значения CIE XYZ. Это может быть наиболее точным для прибора, содержащего спектрометр, как объяснялось выше. Однако в более простом устройстве можно применить цветовые преобразования к исходным значениям tristimulus.

Колориметры для характеристики цветных объектов

Часто требуется охарактеризовать цвета (не излучающих свет) объектов, таких как краски. Это можно сделать, освещая такие объекты хорошо контролируемым образом и анализируя свет, который передается, отражается или рассеивается на объекте. Анализ освещенности может быть выполнен теми же методами, что и описанные выше – например, с помощью простого детектора цвета tristimulus или, в случае более совершенных устройств, со спектрометром. Для регулируемого освещения существуют источники света, действующие как стандартные осветительные приборы CIE, такие как D65 с соответствующей цветовой температурой около 6500 K.

Подходящий источник света может быть встроен в колориметр и установлен таким образом, чтобы направления падающего и анализируемого света на анализируемой поверхности были одинаковыми для всех измерений. Как правило, следует избегать геометрии, в которой зеркальные отражения от объекта достигают детектора, поскольку они могут демонстрировать совершенно другой спектр отражения. Некоторые устройства могут выполнять измерения при различном освещении или направлениях наблюдения (освещенность или углы обзора относительно нормали к поверхности). 

В других случаях используется рассеянное освещение, которое может быть достигнуто с помощью интегрирующей сферы. Аналогично, можно рассеивать отраженный свет с помощью интегрирующей сферы, чтобы анализировать свет, рассеянный во всех направлениях. Очевидно, что используемые условия измерения должны быть четко указаны, чтобы сделать данные о цвете значимыми.

Колориметры и управление цветом

Колориметры могут применяться в системе управления цветом. Например, можно обрабатывать цветные изображения, полученные с помощью фотокамер с цветовой калибровкой, таким образом, что данные печати получаются с четко определенными цветовыми данными. 

Напечатанные результаты затем можно проверить с помощью колориметра. Аналогичным образом, точное воспроизведение цвета на экране компьютера можно проверить, выполнив измерения колориметром на экране и, возможно, соответствующим образом скорректировав его настройки. Если все элементы такой системы управления цветом хорошо контролируются, может быть гарантирован естественный цветовой вид результатов.

Управление цветом в основном применяется для профессиональной печати и фотографической продукции, но обычно не для потребительских устройств. Например, потребительские камеры не только не откалиброваны точно для определенного цветового пространства, но также часто применяют автоматическую цветокоррекцию на основе эвристических алгоритмов; в этом процессе большая часть фактической информации о цвете уже теряется. Это не может быть восстановлено позже, например, путем калибровки монитора компьютера с помощью колориметра. Аналогичным образом, универсальные цветные лазерные принтеры и струйные принтеры обычно неточно соответствуют определенному цветовому пространству. Кроме того, детали цвета могут постепенно меняться с течением времени.

Дополнительные функции колориметра

Калибровка прибора

Для точной колориметрии иногда может потребоваться повторная калибровка колориметра. Поэтому устройства высокого класса часто предлагают соответствующие функции калибровки. Простое решение заключается в том, что они поставляются с определенными стандартами отражения, которые оптимизированы для сохранения четкого цветового вида в течение более длительного времени. Кроме того, производитель может предложить услуги по калибровке.

Эталонные цвета

Некоторые колориметры могут сохранять некоторое количество записанных значений цвета, которые впоследствии могут быть использованы в качестве эталонных цветов. Затем они могут отображать не только значения цвета образца, но и “расстояние” до эталонного цвета.

Колориметры для получения изображений

Существуют колориметры для визуализации, которые предоставляют не только информацию о цвете для одного пятна или для однородной области, но и выдают данные о цвете 2D с пространственным разрешением. Такой прибор может содержать некоторую матрицу в фокальной плоскости (например, ПЗС-или КМОП-датчик изображения) в сочетании с вращающимся колесом фильтра. 

Впоследствии записываются изображения одной и той же сцены с использованием разных частей колеса фильтра. В отличие от простого точечного колориметра, такие устройства могут использоваться для быстрой проверки однородности цвета на некоторой площади – например, при производстве плоскопанельных дисплеев. В сочетании с подходящим программным обеспечением, которое может быстро распознавать объекты на изображениях, колориметры для визуализации могут быть очень полезны, например, при промышленном мониторинге качества.

Расширенные данные о цвете

Различные другие типы потенциально весьма полезных функций предлагаются, в частности, компьютеризированными приборами. Например, они могут обеспечивать индекс метамерии.

Цифровые интерфейсы

Высококачественные колориметры и даже некоторые недорогие устройства имеют цифровой интерфейс (например, типа USB). Это позволяет управлять измерениями с внешнего компьютера, сохранять и сравнивать данные там и т.д. Для многих применений, таких как контроль качества в промышленном производстве, производительность может быть значительно повышена с помощью таких приборов.

Функции, выходящие за рамки измерений цвета

Некоторые колориметры предлагают дополнительные функции, которые выходят за рамки измерения цвета. Некоторые примеры:

• Может отображаться общая интенсивность освещения, как для простого люксметра или фотометра.
• Устройства высокого класса часто основаны на спектрометре или спектрофотометре и могут также выдавать полные оптические спектры или спектры отражения в дополнение к данным о чистом цвете.
• Существуют устройства, которые также могут измерять интенсивность синего и ультрафиолетового света, например, в целях мониторинга световой опасности.