色差仪在织物视觉遮蔽性测试上的应用

陈丽丽，曹秀明，王 妮，施楣梧

(1.东华大学a.纺织学院； b.生态纺织教育部重点实验室，上海 201620； 2.江苏阳光股份有限公司，江苏 江阴 214426； 3.总后军需装备研究所，北京 100082 )

近年来，随着全球气温的不断攀升，面料轻薄化的趋势愈加明显。数据显示，自20世纪80年代以来，几乎所有纺织面料的面密度都大大降低。就毛纺织物而言，其面密度在1980—1990年间下降幅度就达到了60 g/m2左右，而这个趋势仍在延续[1]；就服装产品而言，大量兼具轻薄和保暖特性的秋冬服装占领市场，例如优衣库新推产品——薄得可以团起来塞进小包的轻羽绒服一上市便受到广大消费者的追捧，媒体也评价其为近几年服装创新最成功的产品[2]。秋冬服装尚且如此，春夏自不必说。高支棉、麻、丝、毛、超细纤维及其混纺原料等得到进一步研发，结合精细化的纤维整理和高支甚至超高支纺纱等新型技术，纱线高支化和产品轻薄化的趋势愈加明显[3]。

但是，过度追求轻薄所带来的是产品基本功能——遮蔽性的弱化，尤其对浅色织物而言，遮蔽性不足的问题尤为突出。基于人们的需求，防透明纤维及视觉遮蔽性纺织品应运而生，很好地解决了面料轻薄化与遮蔽性不足之间的矛盾。然而，迄今为止，在织物的视觉遮蔽性方面还未建立一套完善的测试评价方法，大大限制了此类产品的进一步发展。目前，分光光度计是国内最为通用也相对权威的一种织物视觉遮蔽性测试仪器，但购置成本较高。基于比较背衬黑白板后织物的色差变化的理论可行性，本文提出并验证了用色差仪测试方法表征织物视觉遮蔽性的新思路。

关于织物视觉遮蔽性的测试方法可分为主观和客观两大类。

(1)主观方法。 施楣梧等[4-5]提出可简便借助“描图纸的透明性能”测试，即将 8 张扫描图纸叠合在一起，观察“1.5 mm×60 mm”墨线的清晰程度来表征视觉遮蔽性。同时，施楣梧[5]等还借助标准光源箱， 以“评定变色用灰色样卡”中的 1 级色差灰色样卡为标准物质，将待测织物覆盖其上，根据GB/T 250—2008《纺织品色牢度试验评定变色用灰色样卡》的判断方法，对其色差级别进行判读，得到4 级 9 档视觉遮蔽效果值。该方法是我国海军首批装备——防透衬衣视觉遮蔽性的评价方法[5]。无独有偶，陈丽芬等[6-7]研究的织物视觉遮蔽性测试方法也是基于一种如图1所示的防透评级样卡进行遮蔽性评级。

主观评价方法方便快捷且可操作性强，对织物进行定性分析十分有效。然而，人眼能够识别的差异有限，当视觉遮蔽性的差异超出人眼能够识别的范围时，就需要通过客观方法进行定量分析。

图1 防透评级样卡Fig.1 Antitransparent rating cards

(2)客观方法。通常需借助于测量仪器，其中以分光光度计的应用最为广泛。然而，分光光度计只可获取能量的透过比例，不涉及光学成像，并非表征织物视觉遮蔽性的最佳选择，而且其高昂的购置成本限制了进一步的应用。而色差仪在这方面的优势则相当明显，由于其遮蔽性，织物在衬垫黑白板后，将呈现出有别于其自身固有色的另外一种颜色，借助色差仪获取两种情况下的色差便能表征相应的遮蔽性强弱。基于以上理论设想，本文提出用色差仪法表征织物视觉遮蔽性的新思路。

1 试验部分

1.1 试样准备

为验证色差仪法的普适性，在试样的选择方面力求多样化。因此，试验选用不同纤维种类、颜色和织物组织的试样60种，具体规格详见表1和2所示。其中，1～31为白色织物(29～31带有细条纹)，32～33/34～35/36～41/42～49为控制颜色为单一变量的不同颜色织物，50～60为织物组织结构、厚度、面密度以及颜色皆不相同的织物(未控制颜色为单一变量)。在所有的主客观测试评价之前，试样均放置于标准温湿度环境条件下平衡24 h。

1.2 测试方法与原理

为检验色差仪法测量织物视觉遮蔽性的准确性，需建立相应的对比试验，即人眼视觉评价法和分光光度计法。

表1白色织物基本参数
Table1Basicparametersofwhitesamples

编号组织结构纱线密度/(根·(10 cm)-1)经纬厚度/mm面密度/(g·m-2)CIE颜色L*a*b*1平纹4453230.05914.98492.69-0.72 5.602缎纹4152450.10821.96692.89-0.645.033平纹4613090.05850.16192.39-0.555.364平纹3603010.12756.84992.82-0.645.595平纹4303150.14476.04692.472.18-8.286平纹6255150.14199.07994.622.97-10.337平纹3842950.193102.04293.80-0.444.038平纹2372210.135103.36294.822.65-7.829平纹4552950.180104.71995.002.32-8.0310斜纹5153460.215105.50395.013.06-10.2011平纹3953200.242106.89593.35-0.433.7912平纹6055290.129108.12395.292.42-10.2913斜纹5543820.238110.10095.682.77-12.7114针织2001420.529115.78391.61-0.955.2715斜纹4853530.256116.63895.222.14-7.9816平纹+斜纹5203130.235119.04394.792.82-10.3517平纹+斜纹5303100.180119.41995.374.32-13.8618斜纹4903600.206121.28994.951.84-6.6519斜纹3983320.345124.04494.733.01-12.1820平纹4152950.231144.30695.373.49-11.1721缎纹3253410.360145.88695.583.59-12.5822斜纹4753400.253156.50592.862.99-14.0023平纹3362210.281174.19892.471.42-7.7724斜纹3502900.334183.05892.533.37-16.6525平纹2452220.338186.97093.742.12-9.5926平纹2512290.311187.65493.732.27-9.3027斜纹3382590.346191.89892.173.04-14.0828平纹2482260.355194.12193.652.81-11.8329平纹6754250.16396.53792.493.48-12.4530斜纹4883620.242119.23992.351.83-10.1431斜纹5584110.213121.25892.403.29-11.89 注: 2～5、8、18、21～28为涤纶织物;6～7、9～13、15～17、19～20、29～31为棉织物;1为蚕丝织物;14为涤棉交织。平纹+斜纹: 织物组织结构为若干厘米平纹与若干厘米斜纹交替出现,下文表格同此意。

表2 有色织物基本参数Table 2 Basic parameters of colorful samples

(续 表)

1.2.1 人眼视觉评价法

人眼视觉评价法是借鉴文献[6-7]的防透评级样卡进行织物防透等级的评定。该评级样卡根据字形大小和颜色深浅搭配分为1.0～5.0级，1.0级字形最小、颜色最浅，5.0级字形最大、颜色最深。将20 cm×20 cm的试样平铺于评级样卡上，观察者在北向自然光条件下，眼睛与试样距离为50～80 cm，视线垂直于试样，以能清晰判读样卡上字向的最低级数为起点，通过目测判读相应等级上全部字的方向来确定面料的防透等级[8-9]。级数越小，表明织物的视觉遮蔽效果越差，反之越好。织物视觉遮蔽性试验通过随机邀请视力正常的20人目测判读实现。观察者但凡有一字读错或难以判断，就上移一个等级，直至能够准确判读所有字向，以此确定面料的防透等级并记录[10-11]。更换观察者，重复前述步骤。最后，对20人的判读结果取平均值，进行秩位排序，以便与分光光度计和色差仪测量结果进行秩相关性分析。

1.2.2 分光光度计法

织物视觉遮蔽性试验选用日本日立公司的U-4100型紫外可见近红外分光光度仪作为试验仪器。通过分光光度计可获得多项用于表征织物视觉遮蔽性的指标，如: 555 nm(明视觉下人眼最敏感的可见光波段)波长光透射率、可见光范围内的平均透射率和反射率、总光通量透射比等。试验引入纺织行业标准FZ/ T 01009—2008《纺织品织物透光性的测定》对片状纺织品在可见光范围内的透射率总量指标进行检测，即采用总光通量透射比作为表征织物视觉遮蔽性的指标。

总光通量透射比计算如式(1)所示。

(1)

式中:τt为试样总光通量透射比(%)；τt(λ)为试样在波长λ处的单色光谱透射比(%)；S(λ)为CIE(国际照明委员会)标准照明体D65相对光谱功率分布；V(λ)为光谱光视效率，等于CIE色匹配函数；Δλ为波长间隔(10 nm)。其中相对光谱功率分布S(λ)以及光谱光视效率V(λ)可通过查表获得。

1.2.3 色差仪法

本文选用HZ-2503C型电脑色差仪作为测试仪器，该仪器依据CIE标准和国家标准研制而成，主要用于被检品的色差评定。在织物视觉遮蔽性方面，检测背衬黑白板(其中黑板的明度大小L*、偏红偏绿程度a*、偏黄偏蓝程度b*值分别为27.17，0.33，-0.41；白板的L*、a*、b*值分别为90.07，0.24，-5.05)后织物的色差变化来表征遮蔽效果，在原理上正好与色差仪相符。

色差公式如式(2)所示。

(2)

2 结果与分析

2.1 人眼视觉评价法与分光光度计法

表3 白色织物视觉遮蔽性测试结果Table 3 Test results of white samples with visual shielding property

图2 主客观方法测试结果秩相关性分析(白色织物)Fig.2 Rank correlation analysis of subjective and objective test results (white fabrics)

29～35织物在可见光范围内的透射率如图3所示，29～31为带有深色细条纹的白色织物，条纹间距在10 mm以上，其在可见光范围内的光透射率变化同1～28白色织物类似，即波动不大，表明该条纹对其视觉遮蔽性影响较小。这很可能是因为3种织物的条纹都较细且间距较大，所起到的视觉遮挡效果较弱。由于怎样设置条纹间距和如何控制条纹粗细能达到较好的视觉遮蔽效果并不是本文的主要研究内容，在后续关于白色织物不同测试结果的相关性分析中，不再考虑29～31织物。此外，由于34、35、37、40、46～48、53织物的视觉遮蔽性能极好，其对防透评级样卡上的最高级别5.0级上的字形都难以分辨，即人眼无法获取其防透等级，也就无法进行秩位排序，更不能与分光光度计测量结果进行秩相关性分析，后续关于有色织物不同测试结果的相关性分析中，将这几种织物也排除在外，余下21种有色织物的测试结果如表4所示。

图3 29～35织物在可见光范围内透射率Fig.3 Transmittance of fabrics from 29 to 35 in visible range表4 有色织物视觉遮蔽性测试结果Table 4 Test results of colorful samples with visual shielding property

编号3233363839414243444549颜色黄粉黄紫粉蓝灰浅黄深黄米黄橙R03.2254.2003.3754.0753.7503.3504.0003.3253.6503.0253.450γ082112201611191015613Tz24.67216.81823.44819.98521.61024.26021.66524.10324.16533.26021.429γz719111714813109415编号50515254555657585960颜色黑褐绿黄粉浅蓝绿浅黄蓝深黄R03.0002.7502.6751.5503.7753.2002.9753.8003.5503.300γ05321177418149Tz35.96139.64421.97934.59316.04827.74226.99420.54517.09714.600γz211232056161821

有色织物主客观方法测试结果的线性相关图像如图4所示。由图4可见，对有色织物而言，主客观方法测量结果之间的相关性程度明显不如白色织物，散点图略显分散(rs为0.736 4)。因为分光光度计对于织物遮蔽性的测量仅从能量透过角度进行考虑而不涉及光学成像因素。不同颜色织物对光的特定波段有选择性的吸收，进而影响织物的总光通量透射比，而人眼视觉评价的是视觉透明感，涉及视觉对颜色灵敏程度的综合评价[10]。由此可见，分光光度计虽是目前定量表征织物视觉遮蔽性最为权威的测试仪器，但依然存在着某些亟待改进的缺陷。

图4 主客观方法测试结果秩相关性分析(有色织物)Fig.4 Rank correlation analysis of subjective and objective test results (colorful fabrics)

2.2 色差仪

色差仪测得白色和有色织物的色差指标与主客观方法的测试对比结果如表5和6所示。将1～31织物衬垫黑白板后的色差值与总光通量透射比进行趋势比较，如图5所示。色差值总体趋势与总光通量透射比的结果较为一致，呈正相关关系，即总光通量透射比越大，衬垫黑白板后织物的色差值越大，织物越透明。

图5 背衬黑白板后色差值与总光通量透射比之间的关系(白色织物)Fig.5 The relationship between the chromatic aberration after backing white and black board and the total luminous flux(white fabrics)表5 白色织物色差仪测量结果Table 5 Testing results of white fabrics with colorimeter

编号12345678910愰E37.94031.42021.97726.23620.7859.8029.82915.2365.7419.029γE124359861914编号11121314151617181920愰E8.3699.0318.0789.5268.0359.29310.4693.6736.8829.430γE1513161017127211811编号2122232425262728愰E4.9981.9241.6181.6512.8633.2220.7642.493γE2025272623222824 注: γE为衬垫黑白板后织物色差秩位,下文表格同此意。

表6 有色织物色差仪测量结果Table 6 Testing results of colorful fabrics with colorimeter

为获取定量的相关性指标，分别以人眼视觉评价的防透等级秩位与分光光度计的总光通量透射比秩位为横轴，以衬垫黑白板后织物的色差值秩位为纵轴进行秩相关性分析，如图6所示。由图6可知，rs分别为0.938 7和0.987 4，均与1较为接近，置信度为0.01时，织物衬垫黑白板所测色差值与主客观方法测量结果的相关性是显著的。其中与分光光度计法的相关性尤为显著，秩相关系数高达0.9874。由此可见，就白色织物而言，通过比较背衬黑白板后织物的色差变化大小可以起到与分光光度计较为一致的视觉遮蔽性表征结果。

(a)

(b)图6 色差仪法与主客观方法测试结果秩相关性分析(白色织物)Fig.6 Colorimeter test results comparing to subjective and objective method’s on rank correlation analysis(white fabrics)

与主观方法rs=0.938 7比较，色差仪也仅稍逊于分光光度计(rs=0.940 9)。因此，可以推断就白色织物而言，借助色差仪获取背衬黑白板后织物的色差值，可以较好地表征织物视觉遮蔽性。此外，由于色差仪的易操作以及低成本等优势，在白色织物的测量上，色差仪更具优势。

而就有色织物而言，其衬垫黑白板后的色差值与总光通量透射比的趋势线走向依然呈现很强的相关性，如图7所示。通过比较色差值与主客观测量结果的秩相关系数值(如图8所示)发现，其间的相关性程度依然不如白色织物。与白色织物不同的是，有色织物的色差仪与人眼视觉评价结果的相关性程度(rs=0.823 4)明显高于主客观方法(rs=0.736 4)之间的比较结果，而与客观的分光光度计测量结果的相关系数也有0.7078，与主客观方法之间的比较结果相比相关性显著。

因此，就目前结果而言，相比较分光光度计的总光通量透射比，色差仪通过色差原理所取得的背衬黑白板后织物的色差大小更适合于表征有色织物的视觉遮蔽性。试验结果也可表明，虽然色差仪与分光光度计在工作原理上存在较大差异，但均能较好地表征织物的视觉遮蔽性。

图7 背衬黑白板后色差值与总光通量透射比之间的关系(有色织物)Fig.7 The relationship between the chromatic aberration after backing white and black board and the total luminous flux(colorful fabric)

(b)图8 色差仪法与主客观方法测试结果秩相关性分析(有色织物)Fig.8 Colorimeter test results comparing to subjective and objective method’s on rank correlation analysis(colorful fabrics)

2.3 关于借助色差仪评价视觉遮蔽性的设想

色差仪可用于测量标准样与待测样的色差，为控制产品的色差级别，该仪器在参数设置中有容差这一关键指标，如图9所示。容差值人为设定，可根据颜色管理要求的高低判断色差是否为合格的标准值[16-17]。若测出的色差值小于容差值，即为合格，大于则不合格。该仪器对色差的测量非常精确，并可对不同的色差值进行级别划分，如图10所示。根据色差值大小的不同，将色差分为1.0～5.0级9个等级，1.0级表示色差最大，产品颜色质量最差(类比视觉遮蔽性最差)，5.0级表示色差最小，产品颜色质量最佳(类比视觉遮蔽性最佳)。图9和10均引自色彩品质管理系统CQCS3操作说明书。

图9 容差等参数设置Fig.9 Tolerance parameter setting

图10 色差等级设置Fig.10 Color grading

该等级设置与文献[6-7]研究的防透评级样卡相似。因此，不仅可通过色差判断产品的视觉遮蔽性是否为合格，还可通过色差值所属级别的不同比较产品的优劣。而这一点对于改进色差仪的功能，从而能够进行织物视觉遮蔽性的表征有着很大的借鉴意义。

3 结 论

(1) 通过人眼视觉评价法(防透等级)与分光光度计法(总光通量透射比)的秩相关性分析可知，白色织物的秩相关系数rs为0.940 9，相关性显著，而有色织物rs为0.736 4，相关性稍弱。

(2) 对白色织物而言，其衬垫黑白板后色差测量结果与分光光度计结果几乎一致(rs=0.987 4)，而与主观人眼视觉评价法的测量结果也存在很高的一致性(rs=0.938 7)。因此，通过比较衬垫黑白板后织物的色差变化，即总色差可以表征白色织物的防透性能。

(3) 对于有色织物，衬垫黑白板后色差仪测量结果与人眼视觉评价法和分光光度计法测量结果的秩相关系数分别为0.823 4和0.707 8。该法与主观视觉评价结果的秩相关系数(rs=0.823 4)明显高于分光光度计法与主观方法之间的秩相关系数(rs=0.736 4) 。研究结果为色差仪替代分光光度计进行织物视觉遮蔽性的表征提供了一定的试验依据。

(4) 通过色差仪功能中容差以及色差等级的设置等，可对织物的视觉遮蔽性进行快速简便的评级，并可判断其视觉遮蔽性合格与否。