色度测量的最佳条件

实践中，2.1.1节和2.1.2节的CIE色度值和色差的获得需基于颜色测量仪器。

目前，印刷等行业多使用分光光度计测量反射样品（不透明物体）的CIE色度值。其测量原理是：利用仪器内部的光源依一定的几何光路照射样品表面并接收反射光；而且，有特定的分光器件对光源进行分光，分别对一定波长间隔的各单色光进行测量，从而获得可见光内一定波长间隔的各单一波长光的反射系数；再根据式（2-1）和式（2-2）来计算获得某一标准光源下样品的CIE色度值。这其中，光路的几何条件和光源的光谱特性两个因素对色度测量结果具有显著影响。

1.几何条件

对于反射样品的颜色测量，CIE推荐了四种照明和观察条件作为标准的几何条件，分别如图2-2所示。

图2-2　CIE推荐四种照明/观测条件：（a）45/0；（b）0/45；（c）d/0；（d）0/d

（1）45°/垂直（缩写为45/0）。样品可被一束或多束光照明，照明光束轴线与样品表面法线成45°±2°角。观测方向和样品的法线之间的夹角不应超过10°。照明光束的任一光线和光轴之间的夹角不应超过8°，观测光束也应遵守同样的限制，如图2-2（a）所示。

（2）垂直/45°（缩写为0/45）。样品被一束光照明，照明光束轴线和样品法线间的夹角不应超过10°。在与样品表面法线成45°±2°角的方向观测。照明光束的任一光线和其光轴之间的夹角不超过8°。观测光束也应遵守同样的限制，如图2-2（b）所示。

（3）漫射/垂直（缩写为d/0）。样品被积分球漫射照明，样品法线和观测光束轴线间的夹角不应超过10°。积分球可是任意直径，但其开孔的总面积不应超过积分球内反射总面积的10%。观测轴线和任意观测光线间的夹角不应超过5°，如图2-2（c）所示。

（4）垂直/漫射（缩写为0/d）。样品被一束光照明，照明光束轴线和样品法线之间的夹角不超过10°。漫反射通量借助于积分球来收集，镜面反射通量被吸收阱吸收。照明光束的任一光线和光轴之间的夹角不超过5°。积分球的大小可以随意，但其开孔的总面积不应超过积分球内反射总面积的10%。一般测色标准型积分球内径是200mm，如图2-2（d）所示。

一些带有漫反射和镜面反射混合反射的样品，其镜面反射的影响可用光泽吸收阱来消减。照明光束和观测方向不应完全在样品的法线方向上，以避免照明器或探测器与样品之间相互反射的影响。

图2-2中采用45/0或0/45光路的测量更符合目视观察样品的情况，比积分球法能更有效地将镜面反射部分排除在外，所以常用于彩色图像的测量和印刷图像的评价。虽然此条件比积分球更接近于目视观察条件，但更好的近似值可能是这两种情况的某种加权和，因为虽然大多数观察条件是由具有一定方向性的光源构成，但环境光为漫射光，在许多情况下它在总照明中较为重要。

图2-2中积分球照明或积分球探测的主要优点是几乎与样品的表面结构无关。这一点对许多纺织品和纸张的测量非常有用，因为它们的毛面和光面有显著的差别。积分球几何条件可用作测量样品的漫反射或全反射（包括漫反射和镜面反射）特性。镜面反射部分可包括在内，只要不加光泽吸收阱去消除样品的第一次表面反射即可，此时测得的是全反射量。用光泽吸收阱消除样品的镜面反射则测得的是漫反射量。透射样品也能用有积分球的几何条件测量，同样可测得漫透射量或全透射量（包括正透射量和漫透射量）。

如图2-2所示的几何条件并非适宜所有反射样品的测量。例如，珠光漆与金属漆构成的涂层样品（如汽车车身板面），因其不同方向反射光的颜色不同，图2-2的几何条件接收的反射光就不足以表征这种表面反光特性，需要能够提供多个反光角度颜色测量的光路条件，对应的仪器称为多角度分光光度计。

2.测量条件

印刷业中使用的绝大多数分光光度计等测色仪器内部光源使用白炽灯，其光谱接近国际照明协会（CIE）规定的标准照明体A，色温为（2856±100K）。但印刷业规定的印刷品观测照明条件及颜色表征CIE色度值均对应D50标准照明体。如果仅仅是测量可见光内由光源中单色光自身的入射和反射能量对应的光反射率，光源的光谱能量分布并不影响单色光反射率的计量。但是，为使其视觉上更白，印刷和打印行业常用含有荧光增白剂的纸张。其光谱反射率测量中，激发荧光转换为蓝紫光（增加视觉白度）的紫外光并未被计入蓝紫光反射率计算的入射光能量中，只是增加了蓝紫光反射光强度的计量，因此常出现在该波段反射系数大于1的情况。如图2-3所示为一含有荧光增白剂纸张的实测反射系数曲线，在420～450nm的蓝紫光波段内出现了反射系数大于1的情况；相比之下，不含荧光增白剂的纸张在可见光范围内均不会出现反射系数大于1的结果，符合常规物理现象。

图2-3　纸张的光谱特性比较（M1条件）(www.xing528.com)

本质上，图2-3中420～450nm蓝紫光反射系数大于1的数值决定于该光谱波段内来源于荧光现象增加的反射光能量。因此，照明光源中含有的具有激发出荧光并最终转换为蓝紫光的紫外光光量就对蓝紫光反射系数的计量构成了影响。

如图2-4所示，标准照明体A和标准照明体D50的光谱功率分布不同，380nm以下的紫外光能的相对比重不同，这种不同最终会造成计量蓝紫光反射系数的差异，进而形成纸张色度计算结果的不同。

图2-4　标准照明体的光谱功率分布

由于这一因素，ISO 13655：2017（Graphic technology-Spectral measurement and colorimetic computation for graphic arts images——印刷图像的光谱测量和色度计算）制定了适于含有不同荧光增白剂介质的四种不同的测试用照明光源，称为测量条件，分别为M0、M1、M2和M3。具体内容如下：

（1）测量条件M0

测量用光源为非常接近标准照明体A的白炽灯。这是印刷行业中颜色测量仪器最早使用的测量条件，目前的测色仪器也都支持这一条件。将对应的测试结果称为M0条件色度。

但ISO 13655：2009标准对M0的定义中，并未确定光源中的紫外光含量，所以不适合用于测量含有荧光增白剂的样品。

（2）测量条件M1

M1（第一部分）规定照明光源的光谱功率分布应与标准照明体D50匹配，这一条件既适用于测量含有荧光增白剂的纸张，也适用于测量含有荧光增白剂的油墨。但便携式仪器中很难有真正符合D50标准照明体的光源，因此在M1定义中，也规定满足M1要求的第二种方法（第二部分），即在低于400nm的光谱区使用补偿的方法来达到与标准照明体D50光谱的匹配。标准中指出，这一补偿的方法仅适用于测量荧光增白纸，且要求成像色料不含荧光，即不适于墨水或荧光碳粉中含有荧光增白剂的情况，且需慎重使用。

测量条件M1的使用，可减少包括纸张、成像色料或打样色料等因荧光现象而导致的因光源不规范而造成的测量结果差异。

（3）测量条件M2和M3

M2条件是排除紫外光的测量条件，等同于以前的去除UV（UV-Cut）、没有UV（No UV）、UV滤镜（UV-Filtered）等情况。

M3条件则是偏振光条件，也包含了M2的紫外光去除，并增加了偏振光的定义。偏振光用于某些消除或减小镜面反射光的测量仪器中。

图2-5　含有荧光增白剂的铜版纸光谱反射系数

理论上每种测量条件的使用场合都相对清晰。M0适用于基材和成像色料都不含荧光增白剂的情况（此时没有荧光效应，M0条件光源的不适用性也就没有影响）。M1（第一部分）适用于基材或成像色料或二者都含有荧光增白剂的情况。M1（第二部分）则仅适于基材含有荧光并需表征荧光特性的情况，此时要求成像色料不含荧光。M2也可用于纸张荧光，但消除了荧光对色度数据的影响，即没有计入荧光的作用。M3适用于特殊用途，即使用偏光，减小第一表面反射等。

针对各种彩色印刷技术印刷图像质量的ISO/TS 15311-1：2020标准和针对数字印刷技术印刷图像质量的ISO/TS 15311-2：2018标准中均已明确，印刷图像质量评估中使用M1条件对应的CIE色度值。