Luận văn thạc sỹ vật lý - Máy đo màu

Vì màu sắc là một hiện tượng khá phức tạp nên rất khó kiểm tra và phân loại. Những khác biệt lớn về nguồn chiếu sáng và sự biến thiên đáng kể trong quá trình cảm nhận của con người cho thấy cần thiết phải có một hệ thống hay một dụng cụ đo đạc chuẩn. Một dụng cụ như thế ít nhất cũng cho phép thông tin về các đặc điểm và dung sai của màu và đặt nền tảng cho ngành khoa học về màu. Đúng như tên gọi của nó, thiết bị đo màu là thiết bị dùng để đo màu của vật thể. Trong các trường hợp cụ thể tùy vào dạng của vật thể là rắn, lỏng hoặc khí mà ta sẽ sử dụng thiết bị đo màu có cấu tạo phù hợp với vật thể mà ta đo. Tuy nhiên về mặt nguyên tắc đo thì ta có thể phân loại máy đo màu thành hai loại chính đó là đo trực tiếp và đo gián tiếp [1]. Đo trực tiếp là thiết bị cho phép ta có thể đọc trực tiếp các thông số cho ta thông tin về màu của vật mà ta đo mà không cần phải thực hiện qua các bước trung gian nào. Đo gián tiếp là ta sẽ xác định phổ phản xạ hoặc phổ truyền qua của ánh sáng sau khi phản xạ hoặc truyền qua từ mẫu, sau đó sẽ thông qua các phép tính toán rồi cuối cùng ta mới nhận được các thông số cho ta thông tin về màu. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng và tùy vào từng mục đích cụ thể mà ta sẽ sử dụng loại thiết bị nào mà có lợi cho ta nhất.

38 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MÀU 2.1. Thiết bị đo màu. 2.1.1 Vài điều sơ lược về thiết bị đo màu Vì màu sắc là một hiện tượng khá phức tạp nên rất khó kiểm tra và phân loại. Những khác biệt lớn về nguồn chiếu sáng và sự biến thiên đáng kể trong quá trình cảm nhận của con người cho thấy cần thiết phải có một hệ thống hay một dụng cụ đo đạc chuẩn. Một dụng cụ như thế ít nhất cũng cho phép thông tin về các đặc điểm và dung sai của màu và đặt nền tảng cho ngành khoa học về màu. Đúng như tên gọi của nó, thiết bị đo màu là thiết bị dùng để đo màu của vật thể. Trong các trường hợp cụ thể tùy vào dạng của vật thể là rắn, lỏng hoặc khí mà ta sẽ sử dụng thiết bị đo màu có cấu tạo phù hợp với vật thể mà ta đo. Tuy nhiên về mặt nguyên tắc đo thì ta có thể phân loại máy đo màu thành hai loại chính đó là đo trực tiếp và đo gián tiếp [1]. Đo trực tiếp là thiết bị cho phép ta có thể đọc trực tiếp các thông số cho ta thông tin về màu của vật mà ta đo mà không cần phải thực hiện qua các bước trung gian nào. Đo gián tiếp là ta sẽ xác định phổ phản xạ hoặc phổ truyền qua của ánh sáng sau khi phản xạ hoặc truyền qua từ mẫu, sau đó sẽ thông qua các phép tính toán rồi cuối cùng ta mới nhận được các thông số cho ta thông tin về màu. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng và tùy vào từng mục đích cụ thể mà ta sẽ sử dụng loại thiết bị nào mà có lợi cho ta nhất. Nguyên tắc chung của các thiết bị đo màu là nguồn sáng chiếu sáng mẫu đo, mẫu đo hấp thụ và phản xạ tín hiệu màu đến bộ phận thu nhận (bộ cảm biến), tín hiệu sau khi được thu nhận bởi bộ phận thu nhận sẽ được xử lý để đưa ra các giá trị màu. Các giá trị màu đo được sẽ hiển thị trên màn hình hoặc in ra máy in. Hình 2.1: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của máy đo màu 39 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân Hình 2.2: Tín hiệu phản xạ từ vật thể sẽ được thu nhận bởi bộ thu nhận có độ nhạy như mắt người 2.1.2. Các loại thiết bị đo màu thường dùng. Có 3 thiết bị đo màu cơ bản: máy đo màu quang phổ, máy đo màu theo phương pháp kích thích 3 thành phần màu (colorimeter) và máy đo mật độ (densitometer), những thiết bị này có các ứng dụng khác nhau và cung cấp các thông tin khác nhau về dữ liệu màu cần đo. 2.1.2.1. Máy đo màu kích thích ba thành phần. Máy đo màu kích thích ba thành phần được chế tạo với nguyên lý hoạt động tương tự như cơ chế nhìn màu của mắt người. Để có hiểu rõ về máy đo màu kích thích ba thành phần ta sẽ tìm hiểu về phương pháp đo 3 kích thích thành phần màu. Phương pháp đo kích thích 3 thành phần màu là đo ánh sáng phản xạ từ vật thể bằng cách sử dụng bộ thu nhận có tác dụng như bộ lọc màu có phổ đáp ứng tương tự như mắt người do vậy nó đo trực tiếp các giá trị kích thích R, G, B (hoặc X,Y, Z). Tuy nhiên, việc đo màu còn bị lệ thuộc nguồn sáng và đặc tính của người quan sát nên quy trình xác định các giá trị kích thích màu diễn ra như hình 2.3. 40 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân Ánh sáng với sự phân bố quang phổ được phản chiếu từ mẫu đo (A) đi vào các bộ cảm biến (B) đã được lọc tương ứng với 3 màu sơ cấp của tổng hợp cộng, sau đó các bộ cảm biến sẽ xuất ra các giá trị kích thích (X,Y,Z) (C). Vì thế (C)=(A)x(B). Máy đo màu sử dụng phương pháp đo kích thích 3 thành phần màu như trình bày ở trên gọi là máy đo màu kích thích ba thành phần. Ánh sáng phát ra từ nguồn chiếu tới bề mặt mẫu, sau khi phản xạ từ mẫu, chùm ánh sáng phản xạ sẽ được truyền tới bộ cảm biến màu. Cảm biến màu có tác dụng lọc chùm ánh sáng phản xạ chỉ cho 3 loại ánh sáng là Red, Green và Blue đi qua và đồng thời nó sẽ chuyển đổi cường độ của 3 màu này thành tần số hoặc điện áp của các màu thành phần. Tín hiệu sau khi qua cảm biến sẽ được chuyển đến một hệ thống vi xử lý nhằm hiệu chỉnh cho phù hợp với chuẩn quan sát của CIE. Và cho ra 3 giá trị thành phần hợp nên màu của bề mặt mà ta đo. Ví dụ với quả táo màu đỏ các giá trị kích thích mà Hình 2.3: Quy trình xác định các giá trị màu theo phương pháp kích thích 3 thành phần màu. 41 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân máy đo được sẽ là X=21,21, Y=13,37 và Z=9,32. Các giá trị kích thích này sau đó sẽ được dùng để tính các giá trị trong không gian màu khác như Yxy hay L*a*b*. Các thiết bị đo theo phương pháp kích thích 3 thành phần có hạn chế là độ chính xác không cao lắm. Tuy nhiên ưu điểm của nó là kích thước nhỏ, tốc độ xử lí nhanh, giá thành tương đối rẻ và tiện lợi. Do vậy, chúng được dùng chủ yếu cho việc đo sự khác biệt màu trong lĩnh vực sản xuất và kiểm tra chất lượng sản phẩm in. 2.1.2.2. Máy đo màu quang phổ. Nguyên tắc đo màu bằng quang phổ là sẽ xác định giá trị màu bằng cách phân tích phổ phản xạ của mẫu đo tại từng bước sóng. Máy đo quang phổ hiển thị dữ liệu nó đo được thành một đường cong phổ phản xạ biểu diễn phổ phản xạ tại các bước sóng đã biết của nguồn sáng. Trong máy quang đo màu phổ, ánh sáng thường được chia bằng một lăng kính hoặc bằng cách tự nhiễu xạ trước khi các bước sóng được lựa chọn để đo. Mỗi dải là một vùng hẹp của phổ khả kiến. Còn đối với các dải hẹp, người ta thường dùng bộ lọc màu. Độ phân giải phổ của thiết bị phụ thuộc vào khoảng nhỏ nhất của dải màu mà nó có thể đo được. Phương pháp đo phổ là phương pháp chính xác nhất và phức tạp nhất gồm các bước đo phổ và tính toán số liệu đo. Đo phổ là quá trình vật lý để xác định độ phản xạ theo độ dài bước sóng. Độ phản xạ được tính theo tỷ lệ ánh sáng phản xạ từ mẫu đo so với mẫu trắng chuẩn. Tập hợp các giá trị độ phản xạ theo độ dài bước sóng có thể biểu diễn thành đường cong phản xạ trong vùng ánh sáng thấy được. Đường cong đó gọi là đường cong phản xạ của một màu. Thông qua độ phản xạ ánh sáng theo độ dài bước sóng, người ta có thể tính toán được các toạ độ màu cụ thể trong không gian màu. 42 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân . Hình 2.4: Minh họa các màu ứng với đồ thị phản xạ phổ 43 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý đo màu của máy đo màu bằng phương pháp quang phổ Như vậy, trong phương pháp này trước tiên ta sẽ tiến hành đo đạc để xác định phổ phản xạ, từ phổ đo được người ta sẽ xác định giá trị độ phản xạ và từ đó sẽ tính các toạ độ màu. Quá trình tính toán diễn ra nhanh chóng nếu thiết bị có đặt một phần mềm thích hợp và có thể cho ra kết quả đo trên màn hình hoặc máy in. Tính toán màu là công việc tốn nhiều thời gian và công việc này do một máy tính đảm nhiệm nhằm tìm ra các trị số X , Y, Z từ đó tính ra tọa độ màu x, y, z : 44 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân   700 400   dxRSkX   700 400 .   dyRSkY   700 400   dzRSkZ Để đơn giản hơn cho việc tính toán, việc lấy tích phân được thay bằng phép cộng lần lượt theo khoảng độ dài bước sóng :   700 400   dxRSkX   700 400   dyRSkY   700 400   dzRSkZ Trong đó : S(): mật độ năng lượng phổ theo độ dài bước sóng của ánh sáng chuẩn. R(): hệ số phản xạ theo độ dài bước sóng. )(),(),(  zyx : hàm tổng hợp màu CMFs XYZ k: hệ số chuẩn hoá phù hợp với mổi loại ánh sáng chuẩn. Tuy nhiên, một khó khăn gặp phải khi sử dụng máy đo quang phổ đó là giá thành của máy đo quang phổ thường rất cao và phép đo thường phức tạp rất mất thời gian. Vì vậy máy đo quang phổ thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như là phân tích và nghiên cứu, đặc biệt là phân tích thành phần hóa học của một chất với kĩ thuật sắc kí khí quang phổ. 2.1.2.3. Máy đo mật độ. Máy đo mật độ màu đo lượng ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua mẫu đo rồi so sánh với lượng ánh sáng chiếu đến mẫu, tỉ lệ giữa lượng sáng chiếu tới và phản xạ (hoặc truyền qua) cho biết mật độ của màu ở bề mặt mẫu đo. Kết quả của phép đo được tính toán bởi một máy tính riêng biệt và hiển thị trên màn hình. Máy đo mật 45 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân độ màu thường được dùng trong công nghệ in và đo giá trị mật độ của lớp mực in thông qua các kính lọc. Có 2 dạng máy đo mật độ màu được sử dụng theo các mục đích khác nhau. • Máy đo mật độ thấu minh, đo lượng ánh sáng truyền qua vật liệu trong suốt như phim. Dạng máy này chủ yếu dùng để đo độ đen của phim. • Máy đo mật độ phản xạ, đo lượng ánh sáng phản xạ từ bề mặt, ví dụ đo mật độ tông nguyên qua các kính lọc màu thích hợp để biết độ dày lớp mực in và các thông số khác. Ngược lại, từ giá trị mật độ tông nguyên này người ta có thể biết được giá trị màu. 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo màu. Kết quả đo màu phụ thuộc vào các điều kiện sau: loại ánh sáng chiếu tới; góc đo hình học và góc nhìn của người quan sát chuẩn. * Điều kiện chiếu sáng : Sự khác nhau cơ bản của một nguồn sáng này so với một nguồn sáng khác chính là sự phân bố năng lượng ánh sáng trên toàn bộ dải phổ. Khi quan sát vật thể dưới các nguồn sáng khác nhau thì sự cảm nhận màu sắc sẽ khác nhau. Thí dụ dưới ánh sáng của đèn tròn thì vật có vẻ bị vàng hơn so với khi quan sát vật dưới ánh sáng mặt trời. Nguyên nhân của hiện tượng này chính là sự phân bố năng lượng phổ khác nhau của các nguồn sáng khác nhau. Nguồn sáng khác nhau làm cho màu xuất hiện khác nhau. Điều này ta có thể thấy được trên hình 2.6. Giả sử chúng ta đo một quả táo bằng máy đo quang phổ với nguồn sáng chuẩn D65 (Ví dụ 1) và nguồn sáng chuẩn A (ví dụ 2). Trong ví dụ 1, (A) là đồ thị phân bố năng lượng phổ của nguồn sáng chuẩn D65 và (B) là đồ thị phổ phản xạ của quả táo. (C) là đồ thị phân bố năng lượng phổ của ánh sáng phản chiếu từ quả táo và cũng là kết quả kết hợp của (A) và (B). Ở ví dụ 2 (A’) là phân bố năng lượng của nguồn sáng chuẩn A và (B) là phổ phản xạ của mẫu đo (quả táo). Cũng giống như ví dụ 1 (C’) là phân bố năng lượng phổ của mẫu đo và chính là kết quả phối hợp của (A’) và (B). 46 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân Nếu chúng ta so sánh (C) và (C’) ta sẽ thấy rằng ánh sáng trong vùng màu Red của (C’) mạnh hơn nhiều so với (C), có nghĩa là quả táo sẽ đỏ hơn nhiều dưới nguồn sáng (A). Điều đó chỉ ra rằng màu của vật thể thay đổi tuỳ theo nguồn sáng chiếu vào nó. Một máy đo phổ trong thực tế đo phổ phản xạ của mẫu đo, thiết bị đo có thể tính toán giá trị màu dưới dạng số trong các không gian màu khác nhau bằng cách sử dụng dữ liệu về sự phân bố năng lượng phổ cho nguồn sáng được chọn và dữ liệu cho các đường cong tổng hợp màu chuẩn. * Hiện tượng Meta Là hiện tượng hai vật thể được nhìn giống nhau dưới một nguồn sáng nhưng lại khác nhau dưới một nguồn sáng khác. Đây là một vấn đề khá phức tạp. Trong Hình 2.6: Kết quả đo phụ thuộc vào nguồn sáng 47 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Học viên: Hồ Thị Thân hình 2.7, đường cong phổ phản xạ của hai mẫu đo khác nhau. Tuy các giá trị L*a*b* của hai mẫu được đo dưới nguồn sáng D65 giống nhau nhưng khi đo dưới nguồn sáng A chúng lại khác nhau. Điều này chỉ ra rằng mặc dù hai mẫu đo có các đặc tính phổ phản xạ khác nhau nhưng chúng lại có màu giống nhau dưới ánh sáng ban ngày (Nguồn sáng chuẩn D65). Hình 2.7: Hiện tượng Meta [...]... các giá trị kích thích thành phần của màu bất kì mà ta cần hiệu chỉnh Học viên: Hồ Thị Thân 1 51 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý 3.3.2 Phương pháp ma trận 4 màu (Four-color matrix method).[20] Trong phương pháp này ta sẽ dùng 2 máy đo màu là máy đo mà ta cần hiệu chỉnh và máy đo chuẩn cùng đo 4 màu cơ bản Red, Green, Blue và White Trước tiên, ta sẽ xác định tọa độ của các màu Red, Green và Blue để xác định ma... phẩm nhiều hãng sơn đã sử dụng máy đo màu để hỗ trợ việc pha màu sơn, giúp khách hàng có thể dễ dàng lựa chọn màu sơn theo ý muốn trong hàng ngàn màu sơn có sẳn và cho phép pha màu theo yêu cầu ngay tại cửa hàng Bằng cách, trên cơ sở màu mà khách hàng chọn, kĩ thuật viên sẽ sử dụng máy đo màu để xác Học viên: Hồ Thị Thân 53 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý định các giá trị màu của màu được chọn , sau đó hệ thống...48 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Để ước lượng được hiện tượng Meta cần phải đo các mẫu dưới hai hay nhiều nguồn chiếu sáng với các đặc tính phổ phản xạ khác nhau Mặc dù cả hai loại máy đo màu kích thích và máy đo phổ đều sử dụng một nguồn sáng đơn nhưng kết quả đo có thể được tính toán dựa trên các nguồn chiếu sáng khác nhau Các máy đo màu theo phương pháp kích thích thông thường có thể đo dưới nguồn... sai số của kết quả mà máy đo được thì cần thiết phải có một bước quan trọng là hiệu chỉnh máy đo Bước này đóng vai trò không thể thiếu trong việc thiết kế một máy đo màu, Học viên: Hồ Thị Thân 50 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý nó quyết định độ chính xác của kết quả đo Hiện nay người ta cũng đã đưa ra được một số phương pháp để hiệu chỉnh, bằng việc sử dụng một máy đo được chọn làm chuẩn (máy này có độ chính... trọng trong đo màu CIE định rõ 4 góc đo hình học cho các thiết bị được sử dụng trong đo màu như hình 2.9 * Bề mặt mẫu đo : Bề mặt mẫu đo ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả đo Để kết quả đo được chính xác thì khi chuẩn bị mẫu đo cần thỏa mãn một số yêu cầu như là: + Kích thước mẫu đo phải lớn hơn kích thước của cửa sổ đo của thiết bị + Mẫu đo phải đảm bảo ánh sáng không xuyên qua + Bề mặt mẫu đo phải phẳng... chỉnh R như sau: 1 R  N RGB M RGB Vậy: Khi ta đo một màu bất kì (bằng máy đo mà ta cần chuẩn hóa Mt), kết quả đo được sẽ nhân với ma trận hiệu chỉnh đã xác định được ở trên: M’ = R M Vậy: tọa độ màu xác định từ ma trận M’ đã được hiệu chỉnh sẽ được biểu diễn lên tọa độ màu 2.3 Ứng dụng của máy đo màu Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy đo màu của nhiều hãng khác nhau và chúng được ứng dụng... 2 độ (khi tiến hành đo với các mẫu nhỏ) và góc 10 độ (với các mẫu có diện tích lớn) * Góc đo hình học Nhằm đạt được nhiều ứng dụng khác nhau người ta chế tạo ra thiết bị đo màu có nhiều góc đo hình học khác nhau Khi chiếu lên mẫu đo ánh sáng thẳng góc định Học viên: Hồ Thị Thân 49 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý hướng thì có vẻ khác hẳn khi chiếu lên đó ánh sáng từ mọi hướng Vì vậy góc đo hình học đóng vai...  ym , B  *  k m , G  zm , B   k m , B     xr , B   k r , R     y r , B  *  k r ,G  z r ,B  k r ,B     52 Luận văn Thạc sĩ Vật Lý Với: (xm,w, ym,w,z m,w) và (xr,w, yr,w,zr,w) là các tọa độ màu của màu White đo được bởi máy đo cần hiệu chỉnh và máy đo chuẩn tương ướng Từ đó ta có thể xác định các hệ số k như sau: 1  k m, R   xm ,R    k m ,G    y m, R  k m, B   z... để đi thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị đo được của máy đo mà ta cần hiệu chỉnh và máy đo chuẩn, cụ thể là sẽ thiết lập một ma trận hiệu chỉnh Trong bước này ta có thể thấy rằng độ chính xác của máy mà ta cần hiệu chỉnh sẽ phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của máy chuẩn Như vậy, việc chọn máy đo chuẩn sẽ rất quan trọng Như vậy, để hiệu chỉnh máy đo, ta sẽ tiến hành xác định một ma trận hiệu... được màu mong muốn Trong ngành công nghiệp in, máy đo màu được sử dụng để xác định các công thức pha màu để quá trình pha màu nhanh hơn, xác định công thức pha màu từ các loại mực tồn kho để tiết kiệm mực, xác định độ sai lệch màu giữa mẫu chuẩn và màu đang in để kiểm tra chất lượng và đưa ra các quyết định điều chỉnh tự động trên máy in Tại Drupa năm 1990, hãng Heidelberg đã giới thiệu một bộ phận đo