Проверка точности и качества спектроскопии и колориметрии для анализа цвета

Введение

Колориметрия – это метод измерения, используемый для количественной оценки цвета вещества или объекта по интенсивности и длине волны света, поглощаемого, проходящего или отражаемого образцом. Часто выражается в шкале RGB (красный – зеленый – синий), но также может быть представлено в шкале HEX и L*a*b*. Цветовое пространство L*a*b* было первоначально определено Международной комиссией по освещению (CIE) в 1976 году, где L* определяет яркость от черного (0) до белого (100), a* – от зеленого (–128) до красного (+127) и b* – от синего (–128) до желтого (+127). Эти значения были определены таким образом, что изменение любого из них на одну единицу примерно соответствовало бы визуально воспринимаемому изменению цвета.

Рисунок 1. Образцы краски и эталонная плитка, использованные для эксперимента (слева направо: белый эталон, Голубой уголь, Одеяния Мерлина, Глубокая земля, Гондола, Четырехлистный клевер, Глубокая мята, Прохладный мятлик, Зеленая вода, Слезы феникса, Мятная дымка, Полярный белый, Слоновая кость и Летний серый)

Целью данного эксперимента является измерение цветовых значений по отношению к цветовому пространству L*a*b* 13 различных образцов краски, включая два образца пурпурного цвета (Голубой уголь и Одеяния Мерлина), два образца коричневого цвета (Глубокая земля и Гондола), три белых образца (Полярный белый, Слоновая кость и Летний серый) и шесть зеленых образцов (Четырехлистный клевер, Глубокая мята, Прохладный мятлик, Зеленая вода, Слезы феникса и Мятная дымка) (рис. 1). В качестве эталона будет использоваться белая эталонная плитка. Измерения будут проводиться в видимом (VIS) спектральном диапазоне исключительно для сравнения цветовых различий, а не различий в ультрафиолетовом или инфракрасном спектрах.

Описание спектроскопической установки

Для эксперимента решено использовать установку Avaspec-ULS2048CL-EVO. Прибор ранее использовался для измерения поглощения и отражения, а теперь используется для измерения цвета, что подчеркивает его универсальность. Он оснащен интерфейсом USB3.0, который в 10 раз быстрее, чем USB2, КМОП детектором, быстрым микропроцессором AS –7010 и объемом памяти в 50 раз больше. Это означает, что он может хранить больше спектров и предлагать широкие функциональные возможности. Кроме того, спектрометр можно адаптировать к конкретным задачам, используя различные размеры щелей, решетки и оптоволоконные входные разъемы. Источником света, использованным для эксперимента, был AvaLight-XE-HP, мощный импульсный ксеноновый источник света. Он поставляется в компактном корпусе, что делает его хорошо подходящим для интеграции в системы заказчика. По сравнению с AvaLight-XE, максимальная мощность которого составляет 2 Вт, AvaLight-XE-HP обеспечивает значительно большую мощность (6 Вт). При подключении к спектрометру AvaSpec через специальный интерфейсный кабель количество вспышек на сканирование можно установить в программном обеспечении AvaSoft, а вспышки синхронизируются с данными, собранными спектрометром.

Другие аксессуары, использовавшиеся в данном эксперименте, включали белую эталонную плитку (WS-2), которая применялась в качестве эталона как для измерения отражения, так и для измерения цвета, 200-микронный оптоволоконный отражательный зонд (FCR-7UVIR200-2-BX) для подключения интегрирующей сферы к спектрометру, держатель зонда (RPH-1), чтобы постоянно держать зонд под углом 45 градусов, и специальный интерфейсный кабель для подключения AvaLight-XE-HP к AvaSpec-ULS2048CL-EVO для управления вспышками при каждом сканировании и для питания источника света. Этот интерфейсный кабель был разработан командой инженеров и подходит для  многих вариантов сборки, которые могут быть необходимы для клиентов.

Рисунок 2. Экспериментальная установка для измерения цвета, зонд устанавливается в держатель, который затем помещается поверх образца краски

Методология

Каждый образец представлял собой образец краски, взятый из магазина. Образцы хранились в выдвижном ящике, чтобы гарантировать, что цвета не изменятся под воздействием солнечного света. Зонд устанавливался в держатель, который помещали отдельно на каждый образец краски для анализа. Держатель зонда установил постоянное расстояние измерения, что, в свою очередь, привело к точному сравнению измерений. Белая эталонная плитка была измерена первой, чтобы установить эталон, и она также была измерена под держателем зонда, чтобы обеспечить согласованность измерения расстояния.

Для анализа данных использовано два режима в AvaSoft, эксклюзивном пользовательском программном пакете. Первым использованным режимом был цветной режим, который включен в AvaSoft-All или доступен в виде отдельного дополнительного модуля. Этот режим специально разработан для измерения цвета с возможностью контроля таких параметров, как L*, a*, b*, X, Y и Z, а также dL, da, db и dE. Диаграмма в реальном времени отображает измерение образца на графике L*a*b*, для измерений dL, da, db и dE можно назначить отдельный эталонный цвет, а все данные можно сохранить в файл Excel или текстовый файл. Вторым используемым был режим отражения. Он предназначен для приложений с отражением, где эталонное измерение будет показывать 100%, а измерение в темноте – 0%. В этом эксперименте в качестве эталона использовалась белая эталонная плитка. Время интегрирования составило примерно 50 мс, которое можно настроить для увеличения или уменьшения количества света, измеряемого за один раз, и оно влияет на общую величину получаемого спектра. При времени интегрирования 50 мс количество вспышек за сканирование для источника света было установлено равным 5, что является максимальным количеством для этого времени интегрирования. Установлено усреднение на 10. Это означает, что десять значений были усреднены вместе, чтобы обеспечить более согласованные результаты спектров.

Результаты

Ниже показаны спектры образцов в режиме осциллографа, спектры отражения образцов и таблица данных цветового режима для каждого образца.

Рисунок 3. Спектры всех образцов краски в режиме осциллографа, где каждый образец представлен соответствующими значениями RGB

Рисунок 4. Спектры отражения всех образцов краски, где каждый из них представлен соответствующими значениями RGB

Таблица 1. Данные цветового режима для всех образцов краски и эталонной белой плитки

Рисунок 5. Скриншот модуля цветового режима с измерением образца краски Четырехлистный клевер

Анализ и заключение

Хотя измерения для образцов краски проводились в режимах отражения и цвета, также был включен график образцов краски в режиме осциллографа (рис. 3). Эти спектры показывают, почему данный режим не идеален для измерения цвета.

Хотя ясно, что образцы белой краски имеют самую высокую интенсивность подсчета, а образцы коричневой краски имеют наименьшее количество подсчетов, образцы фиолетового цвета находятся между образцами зеленого цвета, что дает мало указаний на то, какой перед наблюдателем образец без цветовой маркировки каждого набора данных.

Спектры в режиме отражения гораздо более информативны: белые образцы имеют высокий коэффициент отражения в видимом спектре, зеленые образцы имеют коэффициент отражения от среднего до низкого в видимом спектре, но всегда демонстрируют повышенный коэффициент отражения в зеленой области, пурпурные образцы демонстрируют более высокий коэффициент отражения в сине-фиолетовой области, а образцы коричневой краски демонстрируют низкую отражательную способность в видимом спектре (рис. 4).

Значения цветового пространства L*a*b* для каждого образца приведены в таблице (таблица 1). Образцы фиолетовой краски имеют относительно низкие значения L*, указывая на то, что они более темные. Положительные значения a* и отрицательные значения b* означают, что они представляют собой смесь красного и синего, что приводит к фиолетовому цвету.

Образцы коричневой краски имеют еще более низкие значения L*, а это означает, что они темнее, чем образцы пурпурной краски. Значения a*, близкие к нулю, означают, что они имеют равномерное сочетание зеленого и красного, а положительные значения b* предполагают, что образцы более желтые, чем синие.

Кажется, это точное описание типичных оттенков коричневого. Образцы зеленой краски имели широкий диапазон значений L* (от 40.46 до 79.52) и b* (от –0.53 до 16.2), но все образцы имели отрицательные значения a*, хотя и с широким диапазоном (от –9,77 до –40,8). Эти отрицательные значения a* указывают на то, что в каждом образце больше зеленого, чем красного, что очевидно для зеленых образцов.

Диапазон b* указывает на диапазон образца от слегка голубого до умеренно желтого. Диапазон L* указывает на диапазон светлоты образцов зеленой краски. Наконец, все образцы белой краски показали высокие значения L*, близкие к 100, что указывает на высокую светлоту, а значения a* и b* близки к нулю, демонстрируя сбалансированное сочетание оттенков зеленого, красного, синего и желтого. Это согласуется с тем фактом, что белый цвет является комбинацией всех цветов видимого спектра.

Чуть более высокое значение b* цвета Слоновая кость можно увидеть в том, что он кажется немного более желтым, чем два других образца белой краски. Изображение модуля цветового режима включено, чтобы показать пример использования надстройки (рис. 5).

В заключение, в настоящем эксперименте подчеркивается использование как режима отражения, так и режима цвета в AvaSoft для измерения образцов цвета, при этом режим отражения дает общее представление о широком спектре образца, а режим цвета дает количественные значения с точки зрения цветового пространства L*a*b*. 

AvaSpec-ULS2048CL-EVO хорошо подходит для различных применений, включая измерения поглощения, отражения и измерения цвета, как показано в данном эксперименте. AvaLight-XE-HP – это ксеноновый источник света, который хорошо подходит для случаев, где требуется высокая мощность или компактный форм-фактор.

Интерфейсный кабель, соединяющий AvaLight-XE-HP и AvaSpec-ULS2048CL-EVO, подчеркивает возможности инженерной группы по предоставлению пользовательских сборок и решений для нужд клиентов. Пожалуйста, свяжитесь с нами для получения дополнительной информации о конфигурации, которая лучше всего подходит для вашего применения.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ