白度的測量方法有哪些?白度常用計算式有哪些?
2024-01-25
什么是白度?白度(Whiteness)表示物質表面的白色程度,用白色含量的百分率來表示,是紙張、印刷等行業常用的一個檢測產品質量的重要指標。對白度進行量化,是管控產品質量的重要手段。本文對白度的測量方法及常用計算式作了介紹,對此感興趣的朋友可以了解一下!
什么是白度?
在五彩斑斕的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)世(shi)界里,白(bai)(bai)色(se)和(he)近白(bai)(bai)色(se)是人們接觸最多也是最喜歡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)。“白(bai)(bai)”擁有光反射比高、色(se)飽和(he)度(du)(du)(du)低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)屬性(xing)(xing)。基于視覺(jue)感知而判斷反射物(wu)(wu)體所(suo)能“顯白(bai)(bai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)程(cheng)度(du)(du)(du)”,學術上稱為(wei)白(bai)(bai)度(du)(du)(du)。白(bai)(bai)度(du)(du)(du)(Whiteness)表示物(wu)(wu)質表面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)白(bai)(bai)色(se)程(cheng)度(du)(du)(du),用(yong)白(bai)(bai)色(se)含量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)百分率(lv)來表示。通常把氧化鎂的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)白(bai)(bai)度(du)(du)(du)定為(wei)100%,即其反射率(lv)為(wei)100%,反射率(lv)越高,白(bai)(bai)度(du)(du)(du)越高。白(bai)(bai)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)單位為(wei)“%”。白(bai)(bai)色(se)與其他顏(yan)色(se)一(yi)(yi)樣是一(yi)(yi)種(zhong)三維空間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)量(liang),位于色(se)空間(jian)中相(xiang)當狹窄(zhai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)范圍內。正(zheng)常色(se)覺(jue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)觀察(cha)者可(ke)根據(ju)一(yi)(yi)定范圍內光反射比、色(se)飽和(he)度(du)(du)(du)和(he)主波長不(bu)同(tong),將一(yi)(yi)系(xi)列(lie)白(bai)(bai)色(se)按其白(bai)(bai)度(du)(du)(du)高低(di)排成一(yi)(yi)維序列(lie),進行定量(liang)評(ping)價。20世(shi)紀60年(nian)代以(yi)來,因不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生產領域對白(bai)(bai)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)評(ping)價有不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)見(jian)解,所(suo)以(yi)先后提(ti)出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)白(bai)(bai)度(du)(du)(du)公(gong)式達上百種(zhong),令(ling)人遺憾(han)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是到(dao)目前為(wei)止仍然沒有一(yi)(yi)個(ge)通用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)白(bai)(bai)度(du)(du)(du)公(gong)式。但(dan)是在保證可(ke)靠性(xing)(xing)和(he)準(zhun)(zhun)確性(xing)(xing)前提(ti)下,不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)公(gong)式依(yi)然可(ke)以(yi)得(de)到(dao)相(xiang)對統一(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)白(bai)(bai)度(du)(du)(du)標準(zhun)(zhun)。
一般情況下,當物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)對(dui)可(ke)(ke)見(jian)光(guang)譜內(nei)所(suo)有波(bo)長反(fan)(fan)射(she)比(bi)(bi)都(dou)在(zai)80%以(yi)(yi)上時(shi),可(ke)(ke)認(ren)為(wei)該物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)為(wei)白(bai)色(se)。從(cong)反(fan)(fan)射(she)率曲(qu)線(xian)上可(ke)(ke)看出(chu),白(bai)色(se)物(wu)質(zhi)在(zai)可(ke)(ke)見(jian)光(guang)譜區間內(nei)幾乎(hu)呈一條光(guang)滑曲(qu)線(xian)沒有峰谷。理想(xiang)標(biao)準白(bai)板應對(dui)一切波(bo)長輻(fu)射(she)完全漫反(fan)(fan)射(she)無(wu)吸收,即(ji)其反(fan)(fan)射(she)比(bi)(bi)對(dui)任何波(bo)長的輻(fu)射(she)都(dou)等于1的純白(bai)物(wu)質(zhi),但是(shi)(shi)這種(zhong)全漫反(fan)(fan)射(she)物(wu)質(zhi)在(zai)現實(shi)情況中幾乎(hu)不存在(zai),故現在(zai)所(suo)用的標(biao)準白(bai)板都(dou)是(shi)(shi)以(yi)(yi)反(fan)(fan)射(she)比(bi)(bi)非常接近1的化學物(wu)質(zhi)(如高純度(du)硫酸鋇、氯化鎂)作(zuo)為(wei)替代,以(yi)(yi)此對(dui)被測物(wu)質(zhi)作(zuo)目視的相對(dui)比(bi)(bi)較(jiao)。實(shi)際上白(bai)度(du)可(ke)(ke)以(yi)(yi)看作(zuo)是(shi)(shi)距(ju)離理想(xiang)白(bai)色(se)的程度(du)。
白度的測量方法:
過去是用目視法(fa)判斷哪個物體更白、物體是不(bu)是達到工(gong)農業生(sheng)產中對(dui)白度(du)的要求,這種方(fang)(fang)法(fa)具有很大(da)的誤差(cha);現(xian)在(zai)是利用光電檢測(ce)(ce)的方(fang)(fang)法(fa)測(ce)(ce)量(liang)物體的白度(du),這樣白度(du)變(bian)成(cheng)了一個可準(zhun)確測(ce)(ce)量(liang)的值,并且利用這種方(fang)(fang)法(fa)可減小測(ce)(ce)量(liang)誤差(cha)、提高(gao)測(ce)(ce)量(liang)速度(du),滿足了工(gong)農業生(sheng)產的需要。白度(du)測(ce)(ce)量(liang)方(fang)(fang)法(fa)大(da)致可分為以下三種:
1.單光譜反射率測(ce)量法
通過對單光(guang)(guang)譜的(de)(de)(de)反射(she)率測量來判斷物體的(de)(de)(de)白度,這(zhe)種(zhong)方(fang)法一(yi)般是利用(yong)(yong)主(zhu)波長(chang)為457nm±0.5nm,半峰(feng)寬度為44nm的(de)(de)(de)藍光(guang)(guang)來測定樣品的(de)(de)(de)反射(she)比,用(yong)(yong)測得(de)的(de)(de)(de)反射(she)比來表示樣品的(de)(de)(de)白度。這(zhe)種(zhong)方(fang)法由于(yu)(yu)是用(yong)(yong)一(yi)個波長(chang)的(de)(de)(de)濾光(guang)(guang)片進行(xing)測量的(de)(de)(de),往往會帶來較大的(de)(de)(de)誤(wu)差(這(zhe)是由于(yu)(yu)一(yi)個波長(chang)的(de)(de)(de)濾光(guang)(guang)片覆蓋(gai)的(de)(de)(de)波長(chang)區太窄所(suo)致)。
2.光電(dian)積分(fen)式測色法
光(guang)電積分式(shi)測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)法(fa)是模擬(ni)人眼的三(san)(san)刺激值特性(xing)(xing),采(cai)用光(guang)電積分效應,直接測(ce)(ce)(ce)量顏色(se)(se)的三(san)(san)刺激值。此方法(fa)使用濾(lv)(lv)光(guang)片,對所用的光(guang)電探測(ce)(ce)(ce)器(qi)的光(guang)譜響應進行濾(lv)(lv)色(se)(se)修(xiu)正,使它與CIE 標(biao)準觀察(cha)者一(yi)致。這種測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)系統一(yi)般都由光(guang)源、探測(ce)(ce)(ce)器(qi)、數據(ju)處(chu)理和輸出單元等組(zu)成。光(guang)源多為穩定性(xing)(xing)光(guang)源,多數使用鹵鎢(wu)燈。探測(ce)(ce)(ce)器(qi)為三(san)(san)個或四個經過濾(lv)(lv)色(se)(se)修(xiu)正的硅光(guang)電二極管或光(guang)電管。這種測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)系統與下面所述的分光(guang)式(shi)測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)系統相比(bi)較而言價格低廉(lian),并(bing)且適用性(xing)(xing)廣泛,與后(hou)者相比(bi)更適應工(gong)農業生產(chan)的需要。
3.分光式測色法
這種方(fang)法(fa)也是(shi)一種基于三刺(ci)激值的(de)(de)(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)方(fang)法(fa),不(bu)過這種方(fang)法(fa)不(bu)是(shi)不(bu)是(shi)直接測(ce)(ce)量(liang)(liang)顏(yan)色的(de)(de)(de)(de)三刺(ci)激值,而(er)是(shi)測(ce)(ce)量(liang)(liang)物體的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)反射(she)(she)或透(tou)射(she)(she)特性,即測(ce)(ce)量(liang)(liang)物體的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)輻度(du)(du)因數或光(guang)(guang)譜(pu)透(tou)射(she)(she)比,通過積(ji)分(fen)計算求(qiu)得(de)(de)顏(yan)色的(de)(de)(de)(de)三刺(ci)激值。這種測(ce)(ce)量(liang)(liang)方(fang)法(fa)一般(ban)以(5~20)nm的(de)(de)(de)(de)等距波(bo)(bo)長(chang)間隔,在(380~780)nm的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)段內(nei)測(ce)(ce)得(de)(de)各波(bo)(bo)長(chang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)反射(she)(she)率。光(guang)(guang)譜(pu)信號采集是(shi)單(dan)(dan)(dan)通道(波(bo)(bo)長(chang))按(an)順序逐個掃描(miao)取(qu)得(de)(de)。這決定了它的(de)(de)(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)速度(du)(du)較慢。這種測(ce)(ce)量(liang)(liang)系(xi)統主要由光(guang)(guang)源、單(dan)(dan)(dan)色器(qi)、光(guang)(guang)電(dian)探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)、數據處理和(he)輸(shu)出(chu)裝置等組(zu)成。光(guang)(guang)源一般(ban)采用(yong)穩定性光(guang)(guang)源(如鹵鎢(wu)燈、氙燈等);單(dan)(dan)(dan)色器(qi)是(shi)整(zheng)個儀器(qi)的(de)(de)(de)(de)核心,分(fen)為(wei)棱鏡(jing)分(fen)光(guang)(guang)式(shi)(shi)、光(guang)(guang)柵分(fen)光(guang)(guang)式(shi)(shi)和(he)濾光(guang)(guang)片分(fen)光(guang)(guang)式(shi)(shi)等;探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)為(wei)光(guang)(guang)電(dian)倍增管、光(guang)(guang)電(dian)管。由于系(xi)統的(de)(de)(de)(de)掃描(miao)機構和(he)光(guang)(guang)路復雜(za),使(shi)得(de)(de)整(zheng)個系(xi)統的(de)(de)(de)(de)體積(ji)較大,成本也較高,使(shi)得(de)(de)它的(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)受到很大的(de)(de)(de)(de)局(ju)限。
總體來說白(bai)(bai)(bai)(bai)度測(ce)(ce)量(liang)方(fang)法(fa)大(da)致(zhi)可(ke)分為兩類:一是(shi)通過對單(dan)光譜(pu)的(de)反射(she)率測(ce)(ce)量(liang)來判斷(duan)物(wu)體的(de)白(bai)(bai)(bai)(bai)度,這(zhe)(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)用(yong)測(ce)(ce)得(de)的(de)反射(she)比(bi)來表示樣品的(de)白(bai)(bai)(bai)(bai)度,優點是(shi)測(ce)(ce)定方(fang)法(fa)簡單(dan),儀(yi)器便宜;但這(zhe)(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)由(you)于是(shi)用(yong)一個波(bo)(bo)長的(de)濾光片進(jin)行測(ce)(ce)量(liang)的(de),往(wang)(wang)往(wang)(wang)會帶來較大(da)的(de)誤差(這(zhe)(zhe)是(shi)由(you)于一個波(bo)(bo)長的(de)濾光片覆蓋的(de)波(bo)(bo)長區太窄所致(zhi))。第(di)二類是(shi)基于三(san)刺激(ji)值的(de)測(ce)(ce)量(liang)方(fang)法(fa),這(zhe)(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)主(zhu)要是(shi)先(xian)測(ce)(ce)得(de)被測(ce)(ce)物(wu)體的(de)三(san)刺激(ji)值,然后利用(yong)與三(san)刺激(ji)值相關的(de)白(bai)(bai)(bai)(bai)度公式計算出白(bai)(bai)(bai)(bai)度值。
常用的白度計算公式介紹:
計算白(bai)(bai)(bai)度(du)的(de)色差(cha)公(gong)式(shi)有很多,目前常用的(de)主(zhu)要有兩(liang)種,一種是(shi)與色差(cha)概念有關的(de)白(bai)(bai)(bai)度(du)公(gong)式(shi),以亨特(te)(Hunter)白(bai)(bai)(bai)度(du)公(gong)式(shi)為代表;另一種是(shi)CIE白(bai)(bai)(bai)度(du)公(gong)式(shi),以甘茨(ci)(Ganz)白(bai)(bai)(bai)度(du)公(gong)式(shi)為代表。下(xia)面(mian)主(zhu)要對CIE白(bai)(bai)(bai)度(du)公(gong)式(shi)進行(xing)介(jie)紹。
由于大多數的(de)(de)白(bai)度(du)(du)(du)公(gong)式(shi)基(ji)本上都沒有考慮(lv)對(dui)偏(pian)色(se)(se)的(de)(de)表示,所以不(bu)論偏(pian)紅或偏(pian)綠都稱之為(wei)白(bai)。但是(shi),現實中(zhong)(zhong)理想的(de)(de)中(zhong)(zhong)性(xing)白(bai)是(shi)不(bu)存在(zai)的(de)(de),色(se)(se)度(du)(du)(du)學家甘(gan)茨(E.Ganz)在(zai)20世(shi)紀60年代中(zhong)(zhong)期提出了加權因子不(bu)同的(de)(de)中(zhong)(zhong)性(xing)白(bai)、偏(pian)綠白(bai)和偏(pian)紅白(bai)等(deng)三種白(bai)度(du)(du)(du)計算公(gong)式(shi)。CIE色(se)(se)度(du)(du)(du)技(ji)術委(wei)員會(hui)于1983年正式(shi)推薦了以甘(gan)茨公(gong)式(shi)為(wei)基(ji)礎,并經修改后(hou)的(de)(de)白(bai)度(du)(du)(du)評價(jia)公(gong)式(shi),即(ji)CIE白(bai)度(du)(du)(du)公(gong)式(shi)。該公(gong)式(shi)以W=100的(de)(de)完(wan)全漫反(fan)射體為(wei)參照點,以D65為(wei)評價(jia)白(bai)度(du)(du)(du)的(de)(de)標準(zhun)照明體,并包(bao)括(kuo)白(bai)度(du)(du)(du)W和淡(dan)色(se)(se)調TW兩個部分。當(dang)采用CIE1931標準(zhun)色(se)(se)度(du)(du)(du)觀察者時,對(dui)應的(de)(de)白(bai)度(du)(du)(du)公(gong)式(shi)為(wei):
式(shi)中:Y是白(bai)(bai)色樣品(pin)(pin)的三刺激值,x、y是樣品(pin)(pin)的色品(pin)(pin)坐標,xn、yn是完全漫射體的色品(pin)(pin)坐標。如果(guo)采用CIE1964補充標準色度(du)(du)觀察者,則其(qi)白(bai)(bai)度(du)(du)公式(shi)表(biao)示(shi)為:
式中:參數的定義不變(bian),只是(shi)取值為10°視(shi)場CIE標準色度(du)系統。
在上面兩組白(bai)度公式中,W、W10越(yue)(yue)大,則表(biao)示(shi)(shi)白(bai)度越(yue)(yue)高;Tw、Tw10值為正時,表(biao)示(shi)(shi)帶綠(lv)色,且數值越(yue)(yue)大,表(biao)示(shi)(shi)越(yue)(yue)偏(pian)綠(lv);Tw、Tw10值為負時,表(biao)示(shi)(shi)帶紅色,且其(qi)絕對值越(yue)(yue)大,表(biao)示(shi)(shi)越(yue)(yue)偏(pian)紅;對于(yu)完全(quan)漫射體,其(qi)W、W10均為100,Tw、Tw10都等于(yu)零。
另外,對于明顯帶(dai)有某種顏(yan)色的樣品,評價其白(bai)度(du)是沒有意義的,故應用CIE白(bai)度(du)公式進行評價的樣品,應符合(he)下列限制(zhi)條(tiao)件,即: