色差儀原理：從基礎到應用指南

色差儀（Colorimeter）是現代製造業與品質管理領域中，用於量化物體顏色並評估色差的精密儀器。它將人眼的主觀感知轉化為客觀數值，廣泛應用於塗料、塑膠、紡織、印刷、食品、汽車與化妝品等產業。本文從顏色科學基礎出發，系統說明色差儀的工作原理、測量機制與實際應用，適合初學者與專業人員參考。

一、顏色測量的科學基礎

顏色源自光與物體的交互作用。當光源照射物體時，物體會選擇性地吸收某些波長的光，並反射或透射剩餘部分。這些反射光進入人眼或儀器，形成可見顏色。

人眼對顏色的辨識依賴三種錐狀細胞，分別對紅、綠、藍光敏感。1931 年國際照明委員會（CIE）定義了「標準觀察者」模型，並建立 CIE 1931 XYZ 色彩空間，用以量化所有可見顏色。此空間成為現代色差儀的理論基礎。

現今色差儀最常使用的色彩空間為 CIE 1976 Lab*（簡稱 Lab 空間）：

  • L*：明度（0 = 純黑，100 = 純白）
  • a*：紅綠軸（正值偏紅，負值偏綠）
  • b*：黃藍軸（正值偏黃，負值偏藍）

兩種顏色之間的差異以 ΔE*ab 表示，計算公式為：

ΔEab = √[(ΔL)² + (Δa*)² + (Δb*)²]

一般而言，ΔEab < 1 為人眼幾乎無法察覺的差異；ΔEab 在 1–2 之間屬輕微差異；超過 3 則明顯可見。

二、色差儀的核心原理與類型

色差儀主要分為三刺激值型（Tristimulus Colorimeter），其測量原理模擬人眼三種錐狀細胞：

  1. 光源（通常為脈衝氙燈或 LED）照射樣品表面。
  2. 反射光經積分球漫射均勻。
  3. 反射光通過紅、綠、藍三組濾光片（對應 CIE 標準觀察者曲線），分別捕捉三色訊號。
  4. 感測器將三色光轉換為電訊號，計算 CIE XYZ 三刺激值。
  5. 透過數學轉換，輸出 Lab* 值與 ΔE*ab 色差。

此類儀器僅處理三個寬波段數據，測量速度快、操作簡單、價格相對親民，但無法偵測同色異譜現象（不同光源下顏色匹配但光譜不同）。

三、光學結構與 SCI/SCE 模式 (*註:什麼是SCI/SCE)

色差儀常採用 d/8°（漫射照明 / 8° 觀測）結構，並支援兩種測量模式，以處理表面光澤影響：

  • SCI 模式（Specular Component Included，包含鏡面反射） 同時測量漫反射光與鏡面反射光（光澤部分）。 結果反映材料的本質顏色，不受表面光澤、紋理或粗糙度干擾。 適合配方研發、原料批次比對、需要高穩定性與可重現性的場合。
  • SCE 模式（Specular Component Excluded，排除鏡面反射） 刻意遮擋鏡面反射光，只測量漫反射光。 結果更接近人眼在一般觀看角度下的實際外觀顏色。 適合成品外觀檢驗、客戶驗收、高光澤材質（如金屬、亮光塗料）。

對於高光澤樣品，SCI 與 SCE 的 ΔE 值差異通常較大，這是正常現象，因為 SCE 排除了強烈的鏡面光，使顏色顯得較暗、較霧。

四、色差儀的測量流程與操作要點

標準測量流程如下：

  1. 校正儀器：使用黑白標準板（黑校零、白校滿）確保準確度。
  2. 設定參數：選擇光源（最常用 D65 模擬日光）、觀測角度與測量模式（SCI 或 SCE）。
  3. 放置樣品：確保樣品平整、清潔、無汙染，並完全覆蓋測量孔。
  4. 執行測量：儀器發射標準光源，接收反射光並計算數據。
  5. 比對分析：輸入標準樣數據，輸出 ΔEab、ΔL、Δa*、Δb* 等結果。
  6. 記錄條件：保存測量設定（光源、模式、孔徑）以確保數據可重現。

操作要點：

  • 多點測量取平均值，特別是紋理不均勻的樣品。
  • 測量前清潔樣品，避免指紋或灰塵。
  • 定期校正儀器（建議每日或每班次）。
  • 注意環境光源一致性，避免外部光干擾。

五、實際應用場景與選擇建議

  • 快速現場檢測、生產線巡檢 → 優先選擇色差儀（操作簡單、價格親民）。
  • 配方研發、色母開發、原料驗收 → 建議搭配分光測色儀（需完整光譜數據）。
  • 高光澤材質（如金屬、亮光烤漆）外觀驗收 → SCE 模式。
  • 批次穩定性與供應鏈標準 → SCI 模式。
  • 特殊效果顏色（珠光、金屬、螢光）→ 需分光測色儀輔助。

(*註: 色差儀跟分光測色儀的差異)

色差儀的原理不僅提升了顏色管理的科學性與客觀性，還幫助企業大幅降低重工成本、客訴風險，並維持品牌一致性。透過正確理解其基礎原理與應用方式，您可更有效率地進行顏色品質控制。若需針對特定產業（如塗料、塑膠、紡織）的應用範例或儀器選型建議，歡迎聯繫我們討論。

 

 2025-04-30
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