色差仪的几何结构及d/8结构和45/0结构的区别

在颜色的测量过程中，多种因素会影响测量结果的准确性，如观察角度、样品位置等。为了统一颜色测量的条件，CIE对颜色测量的条件做了标准化的规定，其中就包括颜色测量的几何条件，而色差仪是以CIE为基础研制的光学仪器。本文对色差仪几何结构及d/8结构和45/0结构的区别做了介绍。

色差仪的几何结构：

光与材料的相互作用产生了镜面反射和漫反射、定向透射和散射透射以及光吸收，每种成分的特定组合取决于光源、材料的性能以及它们的几何关系。

1931年CIE在定义标准观察者、标准照明体时，就提出了把与法向成45°角的入射和沿着法向观察，作为测量反射率的标准几何条件。这种几何条件标记为45°/0°，该写法表示照射角度/观察角度，通常将法向定义为0°。

另一种常用的几何条件是漫射/垂直，它要用到积分球。积分球是一个直径是十几厘米或更大的中空金属球，它的内表面涂有高漫反射物质，如硫酸钡或聚四氟乙烯。为测色设计的积分球，球体会有多个开孔。其中有1个观测孔，即接收器孔，它在测量孔对面，一般与法线呈80角，用于采集物体的反射光。因此这种几何条件标记为d/8°，含义是漫射照明，8°观察。

光线是可逆的，上面2种几何条件就可以衍生出0°/45°和8°/d两种几何条件。

在某一时期CIE推荐了以上4种几何条件，那时当在整个漫射角范围内旋转样品时，大多数材料具有一致的体色。目前，许多材料都具有随角异色性，它们颜色的改变是照明条件和观察几何条件的函数。含有金属片或珠光颜料的涂料就是一个典型的例子。因此，多角几何条件应运而生。多角测量是以逆定向反射角（与镜面反射光的夹角）来定义的。下图从左至右分别为0°/45°、积分球和多角度几何结构的示意图。

对应上面的几何条件，发展出来的测色仪分别为45°/0°（0°/45°）测色仪、积分球分光测色计和多角度分光测色计。其中积分球分光测色计又可以区分为便携式和台式，值得一提的是，台式分光测色计可以测量透明样品的颜色参数。

d/8结构和45/0结构色差仪的区别：

积分球是一个中空的金属球，其内表面涂有中等灰色的高反射漫射物质，如硫酸钡或聚四氟乙烯。进入这个球体的光线经过多次反射后都只能从测量孔或光源孔射出积分球。一束光从任意的不通过球心的角度照进积分球，经过球壁的多次反射后会从各个角度照射到样板，最终通过测量孔或光源射出积分球。测量孔是在与法线夹角成8°的位置，由一组光电管构成的探测器。例如三恩时公司的TS7020、TS7030、TS7036等色差仪就是这种结构的色差仪。

CIE没有明确规定积分球的开孔尺寸，只要求所有开孔面积不超过内表面积的10%，因此不同厂家的产品的开孔位置、尺寸及光源入射角度会有区别。与观测孔关于法线对称的地方有一个光阱，关闭光阱时镜面反射成分包含在内，简写作d/8：i（d表示漫反射照明，8是8度角接收，i指包括镜面反射），也可简写作SPIN。当光阱打开时去除了镜面反射，此条件简写作d/8：e，e指去除镜面反射。这种仪器不仅能测量不透明样品的颜色，还可以测量透明样品的颜色。

理想漫反射物体对于任意一束光都将以漫反射形式即各方向等效地反射出去，为此入射光和观察者的角度并不重要，不会影响到观察结果，但真实物体表面并非理想漫反射表面，多少都会由于镜面反射成分和表面纹理而造成由于入射光和观察者的几何位置不同而表现出来的微小颜色差异。而环形照明则可以消除这种影响，其是以45°环形照明，0°（法线方向）观测的，可以缩写为：45/0：c。由于光路可逆，它与0°照明45°方向环形接收是等效的，该测色几何条件对应的色差仪有三恩时公司的NR145+等。这种结构的仪器是完全不包括镜面反射光的，测得的数据与人眼观察一致，另外这种仪器只能测量不透明样品的颜色。

d/8结构色差仪SCI和SCE的区别：

特别注意，只有积分球才会区分镜面光泽包含和镜面光泽排除，这是很多初学者经常容易忽略的概念。当人们在观察光泽样品时，他们总是旋转样品以消除镜面反射，从而能看到样品的真实颜色。因此，光泽排除的积分球应运而生。测色时除去光镜面反射，得到的结果与目视测量有更好的一致性。它的原理是在积分球上开一个孔，该孔放在镜面反射的方向，可根据测量需要，分别将与球的内壁相同的材料或黑色光阱放在镜面开孔处，这样就可将镜面反射光包含在测量中，也可以将镜面反射光从测量中除去。缩写形式“SCI”（Specular Component Included）用于表示包含镜面光泽的积分球测量，而“SCE”（Specular Component Excluded）用于表示排除镜面光泽的积分球测量。测色时最好指明使用的是哪种模式。

包含镜面光泽的测量方法，可以把样品表面的影响降至最低，特别适合颜色质量监控和计算机配色，反映的是样品材质的颜色，与样品表面条件无关；而排除镜面光泽的测量方法，所测量的结果和肉眼观察的比较相似，考察了样品表面状态和纹理的影响。这2种模式被广泛应用在材料性能测试过程中。

d/8结构色差仪积分球对测色的影响：

积分球是一个中空的球腔，球腔上开有入孔和出孔，腔壁一般为具有漫反射性质的涂层。当积分球用于激光功率与能量测量时，被测激光束从入孔射入，经过腔壁复杂的漫反射后，一部分光被腔壁吸收，其余从入孔和出孔射出。通过特殊的设计，可使出射光能量比入射光低几个数量级，将强激光衰减，用弱光探测器测量取样出孔处的光功率、波形和能量，换算后即可得到原入射光束的相应参数。在0/d条件下当量光谱反射比（经过多次反射的综合作用结果）ρs（λ）的计算公式如下：

ρ（λ）为积分球内壁材料的光谱反射比；D为积分球内腔直径；f为积分球开口面积和总面积之比；s为样品被照射面积。

从上面的公式可以分析出，光谱反射比经过积分球后损失较大，这就大大减小了仪器的信噪比。传统的内壁材料一般是BaSO4喷涂，它容易老化和脱落，所以经过一段时间，仪器的精度会有很大变化。