Thiết kế chế tạo dụng cụ đo màu phản xạ dùng trong nghành may

Khoa học - kó thuậät

45

THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ ĐO MÀU PHẢN XẠ
DÙNG TRONG NGÀNH MAY

Trần Thò Kim Phượng
*
, Huỳnh Văn Trí
**
, Trần Bích Hoàn
***





 TĨM TẮT
Trong ngành may tiêu chí về màu sắc
của sản phẩm ngày càng được quan
tâm.Việc xác định độ lệch màu, độ đều màu,
độ bền màu, …u cầu phải có những thiết
bị đo chính xác và đắt tiền và thường vượt
q khả năng đầu tư của các doanh nghiệp
sản xuất dạng vừa và nhỏ. Để kiểm tra chất
lượng sản phẩm trong sản xuất may cơng
nghiệp cũng như trong khâu giao nhận theo
hợp đồng các loại ngun liệu, bán thành
phẩm cũng như sản phẩm cuối cùng, tiêu chí
màu chỉ được đánh giá thơng thường dựa

vào phương pháp cảm tính, chủ quan. Điều
này dễ đưa đến rủi ro và tranh chấp.
**

Nội dung nghiên cứu này là thiết kế
chế tạo một loại dụng cụ đo cầm tay, có cấu
tạo đơn giản và làm việc tương đối tin cậy.
Dụng cụ nhận dạng màu sắc của sản phẩm
dệt may theo ngun lý phản xạ 45˚/0˚ của
các tia đơn sắc tạo ra từ các led bán dẫn.
Tín hiệu nhận được bởi một photodetector và
được xử lý bởi một vi điều khiển AVR. Các
giá trị kích thích màu X, Y, Z được tính theo
cơng thức với số liệu của CIE 1964 và qui
đổi về các hệ tọa độ màu CIE Yxy, CIELAB.
Dựa vào các tiêu chuẩn kiểm định về

**

*
NCS. ThS. Trần Thị Kim Phượng - Khoa Cơng nghệ May -
Thời trang, Trường Đại học Cơng nghiệp Tp. HCM.
**
PGS. TS. Trưởng Khoa Cơng nghệ May - Thời trang, Trường
Đại học Cơng nghiệp Tp. HCM.
***
PGS.TS. Khoa Cơng nghệ Dệt may - Thời trang, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.

độ trắng, độ lệch màu của vật liệu vải sợi,

dụng cụ đo đã cho những kết quả đánh giá
khách quan, nhanh chóng và tin cậy. Dụng
cụ có thể chế tạo được trong nước với giá
thành thấp nên rất thích hợp cho các cơ sở
sản xuất, kinh doanh dệt may hiện nay.

 ABSTRACT
DESIGNING AND MANUFACTURING
REFLECTANCE COLORIMETER USING
IN GARMENTS
Color criteria, in the textile industry,
are paid more attention nowadays. Color
difference, color shading and color fastness
testings require precise and expensive
instruments which almost all SMEs are not
able to afford. To check the quality of
product in the textile and garment industry
as well as to deliver material, work in
process and finished goods, color criteria
are often subjectively assess. This method
lead to risks and arguments.
The study is to invent a simple and
reliable handy measurement instrument.
Color identify instrument for garments
operates based on principle of reflection
45˚/0˚ of monochromatic ray created by a
LED. The signal is received by a
photodetector and processed by a AVR chip.

The CIE tristimulus values XYZ are
calculated from CIE 10 degree Standard

Khoa hoïc - kó thuaäät


46

Observer functions and transfered to CIE
Chromaticity Coordinates Yxy, CIELAB
color scale.
Based on whiteness and color shading
testing standard of fabric, the instrument
shows objective, quick and reliable
assessment. The instrument can be
fabricated with low cost; therefore, it is
suitable for our current textile and garment
manufacturer.
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Màu sắc của một vật thể là kết quả
của ánh sáng đi từ vật đó tạo nên cảm nhận
trong não người thông qua đôi mắt, chúng
phụ thuộc vào 3 yếu tố: nguồn sáng, vật thể
và người nhìn. Để nhận dạng và đo lường
màu sắc, trong công nghiệp cũng như trong
nghiên cứu, học tập người ta dùng các
dụng cụ hay thiết bị đánh giá định lượng
được gọi là máy đo màu (colorimeter,
spectophotometer). Về nguyên tắc, cấu tạo
của các thiết bị này phải tuân theo phương

thức tương tự như mắt người nhìn màu hay
tiến trình cảm nhận màu phải được mô
phỏng lại trong các thiết bị đo [1, 2, 3].
Trong các ngành in, nhuộm, sơn, nghệ
thuật tạo hình, công nghiệp sản xuất hàng
tiêu dùng,.. màu sắc được đánh giá, nghiệm
thu bởi con người nên ba yếu tố kể trên phải
được tính đến trong các thiết bị đo. Với mục
đích này, chúng thường được đo bằng
phương pháp kích thích 3 giá trị giống như
cảm nhận của mắt người hoặc đo phổ phản
xạ [4, 5].
Từ các công trình nghiên cứu về phối
màu dựa trên định luật Grassmann [6, 7, 8],
phép đo quang phổ kế phản xạ được dùng
phổ biến trong ngành dệt may hiện nay.
Trong quá trình đo, ánh sáng được chiếu tới
mẫu đo. Ánh sáng phản xạ đi qua một hệ
thống ống kính và tới bộ cảm biến, bộ cảm
biến này dùng để đo cường độ ánh sáng của
mỗi màu và chuyển tín hiệu cảm nhận được
cho bộ vi xử lý. Tại đó, các tín hiệu được đối
chiếu với giá trị cảm nhận tương ứng của 3
loại tế bào hình nón trong mắt người được
xác định theo chuẩn quan sát của CIE [9,
10]. Kết quả nhận được là các giá trị kích
thích màu X, Y và Z. Sau cùng, các giá trị
này được chuyển đổi thành các tọa độ màu
CIE Yxy hay các tọa độ của các không gian
màu khác (thí dụ như CIELAB hay

CIELUV, vv..).
Quá trình tính toán các giá trị X, Y, Z
thường qua 3 bước:

• Bước đầu tiên là xây dựng đường
cong kích thích màu () bằng cách nhân
các giá trị hàm năng lượng phổ tương đối
S() của nguồn sáng với giá trị phổphản xạ
R() của mẫu đo cho mỗi bước sóng;
• Bước thứ hai, các giá trị từ đường
cong kích thích màu () sẽ nhân với các giá
trị của các đường cong phối màu
)(z),(y),(x 
được công bố bởi CIE
(xem hình 1). Kết quả cho 3 đường cong
mới;
• Cuối cùng, bằng phép tính tích phân
Khoa hoïc - kó thuaäät

47

và nhân với hằng số tiêu chuẩn hóa K (công
thức 1.4), 3 thành phần kích thích màu X, Y,
Z được tìm ra ở phạm vi các bước sóng λ mà
mắt người có thể nhìn thấy. Các giá trị X, Y,
Z có khả năng mô tả màu một cách chính xác
và được dùng làm tọa độ cơ bản của một
màu sắc nào đó trong không gian màu CIE.




780
380
d)(R)(x)(SKX 
(1.1)


780
380
d)(R)(y)(SKY 
(1.2)


780
380
d)(R)(z)(SKZ 
(1.3)


780
380
d)(y)(S
100
K

(1.4)
Trong đó
S(λ) - Năng lượng phổ tương đối của
nguồn sáng được xác định theo tiêu chuẩn
CIE;

)(z),(y),(x 
- Hàm phối màu
dưới góc nhìn 10˚ của CIE 1964;
R(λ) - Phổ phản xạ của mẫu đo.
Do các hàm S(λ) và
)(z),(y),(x 

đã được CIE chuẩn hóa, công bố với độ
chính xác đến 5 con số có nghĩa và liệt kê
theo từng giá trị của λ (thay đổi trong phạm
vi từ 380 nm đến 780 nm), nên các máy đo
màu dạng này trên thực tế được thiết kế chế
tạo dùng để xác định phổ phản xạ R(λ) của
mẫu đo. Sau đó xử lý tính toán thông số màu
X, Y, Z theo các công thức từ (1.1) đến (1.4).
2. THIẾT KẾ DỤNG CỤ ĐO
MÀU
Để có được hàm phản xạ R(λ) trong
dãy bước sóng mà mắt người cảm nhận
được, người ta phải thiết kế các dụng cụ đo
có khả năng phát ra những tia đơn sắc có λ
thay đổi gần như liên tục từ 380 nm đến 780
nm. Năng lượng phản xạ của các tia đơn sắc
này được ghi nhận thông qua một cảm biến
quang điện và được xử lý sau đó để tính toán
các thông số màu.
Nguồn sáng có phổ liên tục gần giống
như nguồn sáng của mặt trời thường dùng
trong các dụng cụ đo màu hiện nay là nguồn

sáng của đèn xenon. Nhờ vào hệ thống quang
học có chức năng lọc hoặc làm tán sắc ánh
sáng của nguồn ở dạng khúc xạ lăng kính hay
nhiễu xạ cách tử, các tia đơn sắc được tạo ra.
Đã có rất nhiều mẫu dụng cụ đo thiết kế, chế
tạo theo nguyên lý trên được sản xuất [11, 12,
13, 14, 15], tuy nhiên chúng khá phức tạp, cần
gia công và lắp đặt chính xác nên tương đối
đắt tiền, chỉ trang bị thích hợp cho các phòng
thí nghiệm phục vụ nghiên cứu khoa học hay
kiểm định chất lượng.


Việc tạo ra các tia đơn sắc từ các
nguồn riêng lẽ thì gặp phải khó khăn về số
Khoa hoïc - kó thuaäät


48
lượng và không gian bố trí các linh kiện phát
sáng. Mặt khác cũng không được nhiều lựa
chọn để có các nguồn phát tia đơn sắc phân
bố đều với từng bước sóng rải từ 380 nm đến
780 nm.
Qua các phân tích trên, để tìm được
một thiết kế tương đối dễ chế tạo, giá thành
thấp nhưng làm việc tương đối ổn định,
trong nghiên cứu này chọn các LED (light-
emitting diode) có bước sóng trong phạm vi
hẹp làm nguồn sáng cho dụng cụ đo. Số

lượng LED có hạn nhưng bước sóng có năng
lượng lớn nhất của từng loại được chọn gần
với các bước sóng mà mắt người nhạy cảm
nhất, do đó những sai lệch tính toán về
nguyên lý sẽ giảm đáng kể. Sơ đồ làm việc
của bộ cảm biến phổ phản xạ được mô tả
trên hình 2.
Nguồn sáng kể như đơn sắc được tạo
ra bởi 4 cặp LED của hãng Shenzhen (Trung
Quốc), chúng có công suất bức xạ lớn nhất ở
các độ dài sóng λ tương ứng là 460, 525, 590
và 625 nm, độ rộng của mỗi phổ sóng
khoảng 60 nm. Đây là một trong những loại
đèn LED được sử dụng phổ biến trong quảng
cáo, có nhiều trên thị trường với giá rẻ, làm
việc ổn định và tuổi thọ cao.
Từng cặp LED được bố trí đối xứng
qua trục trung tâm, trên đó có lắp bộ thu là
một photodiode P, ánh sáng được thiết kế đi
đến mẫu đo O tạo nên một góc 45˚ so với
đường thẳng đứng. Ánh sáng phản xạ từ O sẽ
đến điểm thu của photodiode P dưới một góc
nhìn 10˚.
Các cặp LED tuần tự phát sáng, bộ
thu chuyển tín hiệu quang điện đến mạch
khuếch đại và đưa vào cổng biến đổi A/D
của một vi điều khiển AVR. Giá trị đo được
cho mỗi tia sáng phản xạ từ mẫu đo được so
sánh với tín hiệu từ vật đo chuẩn là một đĩa
lõm nhỏ được nén phẳng bởi bột BaSO

4
. Do
mỗi LED phát sáng được cung cấp nguồn từ
một chân của vi điều khiển nên quá trình
hiệu chỉnh sự tuyến tính của tín hiệu phản xạ
phù hợp với dữ liệu biến đổi A/D trở nên
thuận tiện hơn.
Phổ năng lượng phản xạ R(λ) đo được
của dụng cụ là các vạch xung RB, RG, RY
và RR. Tuy nhiên để thuận tiện cho tính
toán, trong nghiên cứu này coi phổ R(λ) là
một đường liên tục nối các điểm RO - RB -
RG - RY - RR - RI. Với điều kiện như vậy,
hàm R(λ) có thể viết theo dạng toán học sau:
380 nm ≤ λ ≤ 460 nm :








80
380
1
2
RB
)(R



(2.1)
460 nm ≤ λ ≤ 525 nm :
)460(
65
RBRG
RB)(R 

 
(2.2)
525 nm ≤ λ ≤ 590 nm :
)525(
65
RGRY
RG)(R 

 
(2.3)
590 nm ≤ λ ≤ 625 nm :
)590(
35
RYRR
RY)(R 

 
(2.4)
625 nm ≤ λ ≤ 780 nm :









155
)625(
2
2
RR
)(R


(2.5)
Các giá trị của R(λ) từ các công thức
(2.1) đến (2.5) kết hợp với giá trị năng lượng
phổ S(λ) của nguồn sáng D65 cũng như các
hàm phối màu
)(z),(y),(x 
của CIE
1964 cho phép vi điều khiển AVR tính toán
các tích phân (1.1) - (1.4) để được giá trị
kích thích màu X, Y, Z của các mẫu đo.
Không gian màu CIEXYZ chính xác
về mặt lý thuyết. Hai vật thể có thông số đo
màu X, Y, Z giống nhau sẽ cho cảm nhận
màu từ mắt người như nhau. Tuy nhiên
không gian này không đồng nhất, dung sai
màu không đều như nhau tại các tọa độ màu
khác nhau. Do đó việc chuyển hệ tọa độ qua

không gian màu CIELAB đều hơn của
Hunter [6,7] biểu thị bởi các thông số L*, a*,
Khoa hoïc - kó thuaäät

49

b* là cần thiết để xử lý những bài toán thực
tiễn sau này. Trong trường hợp dùng nguồn
năng lượng phổ S(λ) = D65 khi tính toán,
chúng tôi dùng công thức qui đổi sau:
























008856.0
100
Y
if
100
Y
3.903
008856.0
100
Y
if16
100
Y
116
L
3/1
*
(3.1)











































100
Y
f
100
X
f200b
100
Y
f
100
X
f500a
*
*
(3.2)







008856.0tif116/16t787.7
008856.0tift
)t(f
3/1
(3.3)
Khi đó độ sai lệch màu được xác định:

     
2
*
2
*
2
**
baLabE  
(3.4)

Tất cả các công thức từ (3.1) đến (3.4)
đều được vi điều khiển tính toán và qui đổi
thể hiện trực tiếp trên LCD của dụng cụ đo.
3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐO
VÀ THẢO LUẬN
Để kiểm tra độ bền màu và độ trắng
của vải theo các tiêu chuẩn TCVN 5466 -
1991 và TCVN 5236 - 1990 [16, 17], dụng cụ
đo màu được nghiên cứu thiết kế ở đây có thể
xác định được sự khác nhau về màu sắc của 2
mẫu thử. Do đó khi xử lý tín hiệu từ bộ cảm
biến, vi điều khiển phải có chức năng tính
toán, chuyển đổi, lưu trữ thông số màu của
mẫu chuẩn, so sánh thông số màu của mẫu đo
với mẫu chuẩn theo giá trị
abE
*

, tính độ
trắng của mẫu đo theo nguồn sáng D65, tính

độ biến động các thông số màu sau nhiều lần
đo (độ lệch chuẩn) để qua đó dụng cụ có thể
kiểm tra độ đều màu của vải nhuộm.
Theo cấu tạo thiết kế, dụng cụ có thể
xử lý các số liệu tối đa cho 99 lần đo, sử dụng
nguồn năng lượng độc lập từ 4 pin AA lắp
bên trong và có trọng lượng không quá 200 g.
Do không có hệ thống quang học nên dụng cụ
tương đối bền khi va chạm, sử dụng thuận
tiện trên các dây chuyền sản xuất (hình 3).
Dụng cụ xác định được độ phản xạ
ánh sáng của mẫu đo theo 4 bước sóng nhạy
cảm nhất đối với con mắt người là xanh
dương , xanh lục, vàng và đỏ. Đây thường là
những màu chính của đa số thuốc nhuộm
dùng trong các công thức phối màu. Với
những giá trị tín hiệu phản xạ từ mẫu đo
tương ứng với từng bước sóng, các nhà công
nghệ nhuộm có thể đưa vào các phần mềm
pha màu để đạt được công thức chính xác
hơn, thay vì phải dựa vào kinh nghiệm.
Trên thực tế sản xuất và sử dụng, màu
sắc của một sản phẩm thường bị thay đổi dưới
một tác nhân nào đó, sự thay đổi này không
nhiều và khó phân biệt bằng mắt thường.
Dụng cụ đo màu có thể đánh giá khách quan
và định lượng được sự thay đổi, nhờ vậy các
nhà công nghệ có thể điều chỉnh ngay các
thông số vận hành thiết bị theo hướng cải
thiện chất lượng màu sắc của sản phẩm.

Qua quá trình thực nghiệm, đo nhiều
lần trên 1 sản phẩm, kết quả đo của dụng cụ
có tính lặp lại tương đối cao, hệ số phân tán
tương đối thấp (< 0,5 %). Dụng cụ có thể
thay thế tốt phương pháp kiểm tra độ bền
màu bằng thước xám.
Do xác định
được ΔE*ab và độ
trắng W nên dụng cụ
rất hữu ích trong việc
so màu của từng lớp
vải trên bàn cắt, kiểm
tra độ lệch màu giữa
các chi tiết quần áo trên
chuyền gia công, chọn
lựa màu chỉ may, thêu