Измерение и сравнение цветов

Одной из важнейших задач современного производства является обеспечение идентичности экземпляров продукции установленным образцам. Человеческий глаз различает несколько миллионов оттенков цвета, и даже незначительное различие цвета может показаться нам неприемлемым. При этом мы способны запомнить лишь несколько десятков цветов и каждый из нас даст свое описание цвета объекта, то есть, мы не сможем передать точную информацию о цвете, руководствуясь только собственными чувствами. Так же, как и при других точных измерениях, нам необходим эталон и измерительный прибор для численного представления свойств объекта (рис. 1).

Рис. 1

При измерении, например, размера, Вы можете использовать эталоны длины различных типов и классов точности. Их физические свойства незначительно изменяются с течением времени, что позволяет сохранить необходимую точность измерений.

Ситуация значительно усложняется при измерении и сравнении цветов продукции. Подавляющее большинство физических объектов изменяет свой цвет с течением времени под влиянием различных факторов окружающей среды (солнечная радиация и искусственное освещение, влажность, воздух), в результате изменения состояния поверхности (появление блеска, шероховатости, царапин, загрязнений), в результате естественного разложения (органические вещества) и даже в результате изменения температуры объекта.

Так же, восприятие цвета невозможно без освещения объекта и в значительной степени зависит от параметров освещения и взаимного расположения наблюдателя, источника света и объекта наблюдения.

При использовании образца продукции в качестве эталона цвета, Вам пришлось бы обеспечить условия хранения для каждого из образцов и производить сравнение цвета в условиях специального освещения. Возможно, Вы могли бы сравнивать цвета по фотографиям или по каталогам, с карточками различных цветов, но фотографии передают не весь спектр видимого света и искажают цвета, а каталог не отражает фактуру поверхности и имеет ограниченный набор оттенков. Таким образом, использование образца продукции или любого физического объекта в качестве эталона цвета становится технически сложной, подчас неразрешимой проблемой, и, в любом случае, не позволяет гарантировать соответствие цвета утвержденным образцам.

Для численной оценки колориметрических (цветовых) параметров, международной комиссией по освещению (CIE), с учетом особенностей человеческого зрения, была разработана система измерения на основе «цветового пространства» – трехмерной системы координат, указывающей значение светлоты, оттенка и насыщенности измеренного цвета. Измерения производятся при стандартизированных условиях, обеспечивающих воспроизводимость результатов. Каждому измеренному цвету соответствует уникальная точка и для передачи точной информации о цвете достаточно указать координаты этой точки в цветовом пространстве.

Измерение и сравнение цветов производится специализированными приборами – спектрофотометрами и колориметрами. Konica Minolta Sensing выпускает широкий спектр стационарных и портативных приборов измерения цвета, как универсальных, так и для решения специфических задач.

Принцип измерения и конструкция современных спектрофотометров и колориметров обеспечивают высокую повторяемость результатов измерений, необходимую для точной оценки и сравнения цветов. Параметры используемых осветителей, наблюдателей, углов измерения и апертур приборов установлены стандартами CIE. В момент измерения цвета объект располагается в фиксированном положении относительно источника освещения (осветителя) и объектива фотоприемника (наблюдателя). Зона измерения задается калиброванным отверстием (апертурой) и закрыта от окружающего света. В результате измерения пользователь получает численное значение параметров измеренного цвета (колориметрическое значение), которое может использоваться в качестве эталона, хранящего данные о цвете эталона продукции или в качестве образца, для сравнения цвета образца с цветом эталона. Аппаратное измерение и сравнение цветов позволяет исключить субъективную оценку соответствия цвета человеком.

В промышленности, торговле и в исследовательской деятельности можно выделить несколько направлений в измерении цвета.

Во первых, это измерение цветоразличия между цветом эталона продукции и цветом каждого последующего образца (партии товара и т.п.). При этом, возможно использование, как собственных эталонов продукции, так и эталонов заказчика или требований стандартов. Например, изготовитель мебельной пленки может проверять соответствие закупаемых красителей и цветоразличие изготавливаемой пленки, как однотонной, так и со сложной фактурой, разноцветным узором, что позволит отгружать заказчикам партии пленки с минимальным цветоразличием от предыдущих поставок. Изготовитель мебельных щитов, используя цифровые колориметрические данные, может заказать пленку с необходимым оттенком, насыщенностью и светлотой, и изготовить продукцию, соответствующую собственному каталогу или образцам заказчика. Изготовитель мебели, в свою очередь, может подбирать мебельные гарнитуры с минимальным цветоразличием составляющих предметов.

Эту последовательность можно перенести на любую другую цепочку предприятий, где продукция одних выступает в качестве сырья для других и звенья, использующие аппаратное измерение и контроль цвета окажутся в наиболее выгодных условиях, так как смогут однозначно установить требования и объективно произвести оценку. Возможно, наибольшую потребность в измерении и сравнении цветов имеет изготовитель конечной продукции, так как он является последим звеном цепи и несет наибольший риск. В любом товаре, имеющем недопустимое цветоразличие в окраске элементов, потребитель сразу заметит несоответствие цветов, что вызовет проблемы с реализацией товара.

Рис. 2

Рис. 3

С данной проблемой столкнулись, в частности, специалисты лаборатории по окраске гидрофильных контактных линз ООО «Доктор Оптик» г. Москва. По условиям производства, заготовки для контактных линз изготавливаются парами со стандартными параметрами или с параметрами заказчика. Пары заготовок окрашиваются в специализированном устройстве, обеспечивающем непрерывное перемешивание красителя, стабильную температуру и время крашения. Несмотря на использование лучших современных технологий, оборудования и красителей, вследствие физических особенностей материала контактных линз, периодически наблюдается заметное различие окраски линз в парах. В результате, в автоматизированный и технологически совершенный процесс, пришлось ввести дополнительную операцию: ручную сортировку и подбор линз в пары с одинаковыми оптическими параметрами и минимальным цветоразличием в паре. Так как восприятие цвета зависит от множества факторов (опыт и возраст сотрудника, условия освещения, цвет окружающей обстановки и фона и т.п.), каждый из специалистов производил сортировку в соответствии с собственным восприятием цвета, что не всегда совпадало с мнением заказчиков. Процесс подбора в пары по цвету был трудоемким малопроизводительным и при этом, не обеспечивал должного качества.

Для решения проблемы было предложено использовать спектрофотометр Konica Minolta CM-5, являющийся автономным и полнофункциональным стационарным прибором. Спектрофотометр имеет большой встроенный дисплей, отображающий настройки прибора, параметры и результаты измерений. CM-5 производит измерения цвета в отраженном свете (измерение на отражение), а также измерение цвета и прозрачности в проходящем свете (измерение на пропускание). Встроенное программное обеспечение позволяет вести базу данных эталонных цветов и данных образцов, определять цветоразличие образца относительно эталона, устанавливать допустимые отклонения оттенка, насыщенности и светлоты, соответствие или не соответствие образца эталону на основании допусков. Конструкция прибора обеспечивает измерение материалов любого типа, как пластин, пленок, монолитных объектов, гранул, порошков, так и жидкостей, паст и т.п.

Выбор спектрофотометра CM-5 был обусловлен специфическими функциями прибора и возможностью использования разнообразных аксессуаров (рис. 2).

Так как контактные линзы хранятся в специальной жидкости и поверхность извлеченной для измерения линзы увлажнена, для защиты фотометрической сферы прибора от случайного попадания жидкости был выбран режим измерения «измерение с чашкой Петри на отражение». Дополнительный аксессуар чашка Петри, выполнен из оптического кварцевого стекла, влияние дна чашки на результат измерения компенсируется при проведении калибровки белого, благодаря использованию внешней калибровочной пластины. Так как воспроизводимость измерений напрямую зависит от точности позиционирования измеряемого объекта, был разработан специальный держатель контактной линзы. Устройство держателя обеспечивает стабильность установки линзы относительно апертуры прибора и исключает ошибки оператора, что обеспечивает воспроизводимость результатов измерений (рис. 3).

Рис. 4

Рис. 5

Линза прикладывается вогнутой стороной к выпуклой поверхности линзадержателя. Оператор прикасается промокательной бумагой к краю контактной линзы, для удаления капель жидкости и устанавливает держатель в пазы апертурной маски прибора. Поверхность контактной линзы оказывается в непосредственной близости от отверстия апертурной маски и отделена от него стеклом чашки Петри. Измерение производится в цветовом пространстве LСh, где L – значение светлоты, С – значение насыщенности, h – значение оттенка. При измерении учитывается зеркальная составляющая (SCI), для максимального соответствия аппаратного вердикта и визуальной оценки человеком. Оператор измеряет одну линзу из пары в качестве эталона цвета, вторую, в качестве образца (рис. 4). Сразу после измерения, на дисплее отображается результат в виде абсолютных значений L, C, и h, цветоразличие по каждому из параметров ∆L, ∆C, и ∆h, суммарное цветоразличие ∆E и итоговый вердикт, основанный на введенных пользователем допусках цветоразличия. Так как соответствие цветов и пределы допусковдля каждого производства и материала различны, для оценки допусков группой специалистов ООО «Доктор Оптик» были подготовлены пары линз различного цвета, имеющие, при визуальной оценке, одинаковый цвет, малозаметное цветоразличие, заметное, значительное и недопустимое цветоразличие. По результатам измерения этих образцов было установлено, что среди пар линз, отобранных как имеющие приемлемое цветоразличие, суммарное цветоразличие составляет от ∆E=1,8 для розовых линз до ∆E=3.0 для синих, при этом, неприемлемым становится различие насыщенности ∆C более 0,8, а влияние различия светлоты ∆L было менее существенным и не меняло вердикт визуальной оценки при значении менее ∆L=2,5 (рис. 5). Также было установлено, что различие оттенка ∆h в одной окрашиваемой партии крайне незначительно и не превышает ∆h=0,5 при среднем значении ∆h=0,3. Измеренные величины типичны при окрашивании различных материалов, так как незначительное изменение концентрации красителя влияет на насыщенность цвета, но не приводит к существенному изменению оттенка.

Так как в ходе эксперимента было выявлено значительное влияние на визуальный вердикт различия в насыщенности ∆C, незначительное влияние различия светлоты ∆L и незначительное различие оттенка ∆h в одной партии окраски, на основании тестовых измерений была разработана методика расчета значений допуска ∆L, ∆C, ∆h и суммарного цветоразличия ∆E для линз различного цвета, оптической силы и ценовых категорий.

В процессе измерений было установлено, что у линзы, извлеченной из контейнера с жидкостью, вследствие испарения жидкости с поверхности линзы, изменяются физические размеры (уменьшается диаметр, увеличивается толщина), что приводит к значительному увеличению насыщенности окраски и изменению вердикта о соответствии/не соответствии цвета линз в паре. На основании показаний спектрофотометра был построен график временной зависимости изменения насыщенности цвета различных экземпляров и типов линз, который показал незначительное изменение насыщенности, в пределах ∆C=0.2, в течение первой минуты и резкое изменение насыщенности, до ∆C=0.8 (цветоразличие становится неприемлемым), в течение второй минуты. То есть, точность измерений, воспроизводимость результатов и итоговый вердикт, в данном случае, зависят не только от типа измерения, позиционирования линзы, настроек допусков, но и от времени измерения с момента извлечения линзы из жидкости.

Рис. 6

С учетом данных особенностей материала и быстродействия прибора (одно измерение за 3 секунды), была составлена временная карта процесса измерений, регламентирующая последовательность действий оператора и продолжительность каждой операции.

Строгое соблюдение процедуры измерения позволило создать базу данных эталонных цветов, для классификации продукции по цвету, хранения и последующего точного воспроизведения необходимых оттенков и подбора линз в пары (рис. 6).

При ручной сортировке, каждый из специалистов извлекал пару линз из контейнера и визуально оценивал цветоразличие. При недопустимом цветоразличии он поочередно извлекал одну за другой линзы из своей группы контейнеров до тех пор, пока не подбирал пару к одной из первых. Подбор пары перебором всех вариантов производился для каждого экземпляра линзы.

Использование спектрофотометра позволило сократить число сотрудников, участвующих в сортировке и значительно повысить эффек тивность и качество работы.

Оператор CM-5 берет пару окрашенных линз, извлекает одну из них, прикладывает к держателю и помещает на апертуру прибора. Производит измерение колориметрических данных линзы в качестве эталона цвета и возвращает линзу в контейнер. Извлекает вторую линзу из пары, устанавливает и измеряет в качестве образца, сравниваемого с эталоном. На дисплее прибора отображается вердикт о соответствии/не- соответствии образца эталону, на основании введенных допусков для данного типа линз. При положительном вердикте пара поступает в продажу, при отрицательном вердикте данные обеих линз сохраняются в памяти прибора в качестве эталонов. CM-5 имеет функцию автоматического подбора эталона с минимальным цветоразличием. Оператор измеряет линзу, не имеющую пары, и прибор, среди хранящихся в памяти до 1000 данных измерений, выбирает вторую линзу с минимальным цветоразличием. В результате однократного измерения всех линз, часть из них сразу переводит в готовый товар, а оставшиеся создают базу данных для сопоставления параметров. Таким образом, отпадает необходимость многократного извлечения и измерения каждой линзы, что значительно повысило производительность.

Рис. 7

Данные CM-5 могут быть сохранены непосредственно с прибора на USB карту памяти для хранения, распечатки или обработки на компьютере. Данные могут использоваться в табличных редакторах, для углубленного анализа и выявления зависимости изменения цвета контактных от типа и концентрации красителя, продолжительности окраски, интенсивности перемешивания, температуры и продолжительности процесса. Печать результатов измерений для ведения отчетов и документирования может производиться принтером, подключенным непосредственно к спектрофотометру. Благодаря небольшому весу и габаритам, прибор не требует специального места для установки и может использоваться непосредственно на рабочем столе специалиста. Включение и подготовка прибора к работе занимают около минуты. Д ля повышения точности измерений, например, при подготовке эталонных данных для партии продукции, прибор может автоматически произвести серию измерений в одной или нескольких точках объекта и вычислить среднее квадратичное значение. Также, CM-5 может производить оценку параметров запрограммированных пользователем, для учета специфических факторов конкретного производства. Настройки типа и параметров измерений, параметров и вида отчетов могут быть сохранены в виде файлов настроек на USB карту памяти, что обеспечивает быструю перенастройку прибора для каждого типа измерений.

CM-5 производит измерения как на отражения, так и на пропускание, что позволяет измерять рассеяние света и прозрачность заготовок и окрашенных линз. Прибор имеет расширенный диапазон измерения цвета (от 360 нм до 740 нм), что дает возможность измерять пропускание контактными линзами ультрафиолетового излучения (рис. 7). Результат измерения отображается как в виде спектрального графика, упрощающего визуальную оценку, так и в виде численного значения пропускания на выбранной длине волны с шагом 10 нм. Использование спектрофотометра позволило наладить производство и стандартизировать целый ряд параметров контактных линз.

В следующей главе мы рассмотрим цветоподбор на основе сложения спектров красителей, примеры использования спектрофотометров и специализированного программного обеспечения.