Nguyên lí hoạt động của máy đo màu

 Nguyên lí hoạt động của máy đo màu: 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 1.1: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của máy đo
1. 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.
1.1 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.

Hình 1.2 : Tín hiệu phản xạ từ vật thể sẽ được thu nhận bởi bộ thu


nhận có độ nhạy như 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 1.3.
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).

Hình 1.3: Quy trình xác định các giá trị màu theo phương pháp kích
thích 3 thành phần màu.
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
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. 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.


Hình 2.1 Minh họa các màu ứng với đồ thị phản xạ phổ


Hình 2.2: 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.

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
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.
4. 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 4.1
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).

Hình 4.1: Kết quả đo phụ thuộc vào nguồn sáng

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 4.2, 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 4.2 : Hiện tượng Meta

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 sáng chuẩn C và D65,

cả hai nguồn sáng này đều đại diện cho ánh sáng ban ngày và có phân bố năng
lượng phổ rất giống nhau nên không thể đo được tính Meta. Ngược lại các máy đo
trang bị nhiều nguồn sáng khác nhau nên có thể đo được tính Meta. Hơn thế nữa với
khả năng biễu diễn đồ thị phổ phản xạ ta có thể thấy một cách chính xác sự khác
biệt về phổ phản xạ của hai màu.
* Góc nhìn của người quan sát chuẩn :
Ngoài sự khác nhau về nguồn chiếu sáng , khả năng nhìn màu to nhỏ cũng làm
cho cảm nhận thị giác biến đổi tức là màu sẽ được cảm nhận khác nhau ngay cả khi
điều kiện chiếu sáng và tính chất bề mặt không đổi .

Hình 4.3 : Góc quan sát chuẩn
Ở khoảng cách quan sát là 50 cm trường nhìn 20 sẽ cho thấy một vòng tròn
đường kính 1,7 cm trong khi trường nhìn 100 sẽ là vòng tròn đường kính 8,8 cm.
CIE đề nghị 2 góc quan sát chuẩn đó là góc 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
hướng thì có vẻ khác hẳn khi chiếu lên đó ánh sáng từ mọi hướng .Vì vậy góc đo
hình học đóng vai trò quan 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 .

Hình 4.4: Các góc đo hình học
Tùy theo loại ánh sáng, góc nhìn của người quan sát chuẩn và góc đo hình học
khác nhau mà kết quả đo cho ra khác nhau .
2.3. Hiệu chỉnh máy đo màu.
Vì sao cần thiết phải hiệu chỉnh máy đo? Như đã biết thì trong khi sử dụng một
thiết bị đo thì ta chỉ thu được kết quả có độ chính xác tương đối, lúc này độ chính
xác của thiết bị đo đóng vai trò khá quan trọng. Chính vì vậy để giảm đi 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, 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 xác cao đã được kiểm chứng) 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.