高紅波，周 彥，曾麗梅，吳偉鋼

(中國測試技術研究院， 四川 成都 610021)

1 引 言

羅維朋比色計具有操作簡單、實用性高、能夠量化等特點，逐漸被世界各國廣泛采用，取代了以往用眼睛觀察菜籽油顏色的習慣[1,2]。

羅維朋比色計(Lovibond colorimeter)已成為目前國際上通用的油脂顏色測量設備，也是GB 1536—2004《菜籽油》和GB/T 22460—2008《動植物油脂羅維朋色澤的測定》規(guī)定的油脂色澤檢驗用計量器具，羅維朋比色計量值是否準確可靠，關系著我國食用油進出口貿(mào)易和食品安全[3,4]。

我國于1988年展開對羅維朋顏色系統(tǒng)研究， 1991年發(fā)布了JJG 758—1991《羅維朋比色計檢定規(guī)程》，但是一直未找出羅維朋顏色系統(tǒng)和其它國際通用顏色體系(如CIE色度系統(tǒng))之間的關系，無法溯源至我國現(xiàn)有的色度基準[5～8]。

Gree E[9]最早提出用光譜光度計研究羅維朋顏色系統(tǒng)，Lowry O H等[10]使用該方法進行了深入研究。Deane B等[11]指出羅維朋色度系統(tǒng)和CIE色度系統(tǒng)存在對應關系。文獻[1,2]作者方誼筠也指出用光譜光度計來仲裁對儀器顏色量值的方法是可行的。在國內(nèi)外有關專家研究成果的基礎上，本文提出了用光譜光度法研究光密度和羅維朋顏色體系之間的關系。

2 研究方向

傳統(tǒng)的羅維朋比色計為目視式，近年來，英國Lovibond公司生產(chǎn)了PFXi系列全自動色度儀和美國Hunterlab公司生產(chǎn)了Vista系列全自動色度儀均為電子式。它們操作簡單、使用方便、功能強大，能同時測量CIE、羅維朋、加德納和賽波特等多種色度系統(tǒng)，且能在各系統(tǒng)間自由切換，被各大實驗室廣泛選用。該類儀器采用了光譜光度法。實驗數(shù)據(jù)表明該類儀器與目視儀器的測量結果基本一致，同時，也說明各色度系統(tǒng)之間有某種轉(zhuǎn)換關系，并確定研究方向為光譜光度法[12～14]。

羅維朋濾色片是羅維朋比色計的主要部件，它是帶有羅維朋數(shù)值的標準器，有紅色、黃色、藍色、中性色4種顏色共計84片。其中，紅色片有0.1～0.9羅維朋單位、1～9羅維朋單位、10～70羅維朋單位共25片，用R表示；黃色片有0.1～0.9羅維朋單位、1～9羅維朋單位、10～70羅維朋單位共25片，用Y表示；藍色片有0.1～0.9羅維朋單位、1～9羅維朋單位、10～40羅維朋單位共22片，用B表示；中性色片有0.1～0.9羅維朋單位、1～3羅維朋單位共12片，用N表示，中性色片由其它3種色片組合而成。研究羅維朋顏色體系就必須先從羅維朋濾色片著手。

羅維朋濾色片實際上起著濾光作用，研究濾光性，關系到的主要參數(shù)有：中心波長、峰值波長、最大透射比、區(qū)間半寬等。

對羅維朋公司生產(chǎn)的多套標準濾光片，用光譜光度法測量每一片的光譜透過率，先研究單波長光譜透射比和羅維朋數(shù)的關系，分析其整體趨勢；再計算每片羅維朋色片在特定光源和視場下的積分透射比，研究其與羅維朋數(shù)之間的關系[15～20]。

3 實驗過程和數(shù)據(jù)分析

用色度工作基準裝置測量英國Lovibond公司生產(chǎn)的2套MODEL E型羅維朋濾色片和10套MODEL F型羅維朋濾色片，在380～780 nm波長范圍內(nèi)間隔10 nm掃描，每套測量84次，共得到1008組數(shù)據(jù)。色度工作基準裝置結構圖如圖1所示。

圖1 色度工作基準裝置結構圖Fig.1 Structure chart of chromaticity working reference device

數(shù)據(jù)表明不同套羅維朋濾色片之間并沒有很好的一致性，尤其在羅維朋數(shù)值越小時，濾色片精度并不高，一致性較差，但還是可以從整個數(shù)據(jù)圖中發(fā)現(xiàn)它們有一定的整體趨勢，通過分散的點繪制漸近線來調(diào)整不規(guī)則的點。從備選的12套濾色片中挑選表面平整光滑、厚度均勻、光學畸變小、無氣泡、無污染、無腐蝕等，質(zhì)量較好的一套作為重點研究對象，以10.0羅維朋單位的紅、黃、藍3種羅維朋濾色片為例，得到的典型光譜透射比τλ如圖2所示。

圖2 光譜透射比圖Fig.2 Spectral transmittance diagram

從圖2可看出，黃色片在450 nm以下光譜透射比很低，說明吸收藍紫色光較好；紅色片在500～550 nm形成波谷，說明吸收綠色光較好；藍色片在580～600 nm光譜透射比很低，說明吸收橙紅色光較好。

研究羅維朋顏色系統(tǒng)是為了規(guī)范市場，解決因檢測結果不一致而引起的各種糾紛。現(xiàn)有相關標準GB 1536—2004《菜籽油》和GB/T 22460—2008《動植物油脂羅維朋色澤的測定》中對油脂色澤等級的判定指標要求并不高。因此，對于離散性較大的0.1～0.9羅維朋單位可以先不考慮，重點研究R：1～20羅維朋單位，Y：1～20羅維朋單位，B：1～20羅維朋單位和N：1～3羅維朋單位。

先測出它們的光譜透射比，繪制曲線，找到光譜透射比和羅維朋數(shù)之間的對應關系，再把曲線延伸，就可得到整個測量范圍內(nèi)，光譜透射比和羅維朋數(shù)之間的對應關系。以1.0、5.0、10.0、15.0羅維朋單位和20.0羅維朋單位的紅色片為例，波長在380～780 nm范圍內(nèi)，光譜透射比τλ的測量數(shù)據(jù)如表1所示。

光譜密度Dλ和τλ有如下的關系：

Dλ=-logτλ

(1)

以530 nm波長下的紅色片的光譜透射比τλ為例，繪制羅維朋數(shù)與τλ的關系圖如圖3所示。

通過圖3可看出，在530nm下光譜透射比τλ和羅維朋數(shù)并沒有明顯的線性關系，關系圖呈弧線。

表1 光譜透射比Tab.1 Spectral transmittance

如果把圖3中的縱坐標取對數(shù)，羅維朋數(shù)與光譜密度Dλ的線性關系圖如圖4所示。

圖3 τλ與羅維朋數(shù)關系圖Fig.3 Relationship diagram of τλ and Lovibond number

圖4 Dλ與羅維朋數(shù)關系圖Fig.4 Relationship diagram of Dλ and Lovibond number

由圖4可以看出，在530 nm下Dλ和羅維朋數(shù)有明顯的線性關系，它們之間的線性擬合方程為：y=0.110 5x+0.050 4,相關性系數(shù)的平方R2=0.996 8，表明該方程的可靠性很高。

整個可見光區(qū)的積分透射比研究環(huán)境條件如下：通常羅維朋比色計都是在實驗室內(nèi)使用，室內(nèi)日光條件下一般采用C光源2°視場條件(如gardner色標、saybold色標、pt-co色標等都采用C光源2°視場條件)。A光源為黑體輻射光，而C光源為平均晝光，更符合羅維朋比色計的使用環(huán)境條件。

在C光源，2°視場條件下，根據(jù)下式計算每個羅維朋濾色片的積分透射比τd。

(2)

式中：Eλ表示光源的相對光譜能量分布；Vλ表示視覺函數(shù)；τλ表示光譜透射比；∑表示求和。

積分光密度和積分透射比有如下的關系：

Dd=-logτd

(3)

式中Dd表示積分光密度。

將表1中的數(shù)據(jù)代入公式(2)計算出每個羅維朋濾色片的積分透射比，再根據(jù)公式(3)計算出積分光密度，繪制紅色片的積分光密度與羅維朋數(shù)的關系圖如圖5所示。

圖5 Dd與羅維朋數(shù)關系圖Fig.5 Relationship diagram of optical densityand Lovibond number

由圖5可以看出，紅色片的Dd與羅維朋數(shù)有明顯的線性關系，其關系式為

NR=(Dd-0.104 8)/0.034 3

(4)

同理，可以推導出黃色片、藍色片和中性片的積分光密度與羅維朋數(shù)的關系式分別為

NY=(Dd-0.053 7)/0.005

(5)

NB=(Dd-0.091 8)/0.058 8

(6)

NN=(Dd-0.171 3)/0.125 6

(7)

式中：NR表示紅色片的羅維朋值；NY表示黃色片的羅維朋值；NB表示藍色片的羅維朋值；NN表示中性色片的羅維朋值。

由公式(3)～公式(7)可看出，只要測出濾色片的積分透射比就可求出給濾色片的羅維朋數(shù)值。

4 實驗結果驗證

根據(jù)美國油品化學協(xié)會的一項標準AOCS Cc 13e-92(2002)中所提供的標準羅維朋濾色片在C光源，2°視場條件下的τd值，代入公式(3)計算Dd值，再分別代入公式(4)～公式(7)計算出羅維朋數(shù)值,并與出廠數(shù)值進行比較，以紅色片為例，得到驗證結果如表2所示。表2中，出廠值和計算值單位為羅維朋單位。

表2 驗證結果Tab.2 The verification results

將表2數(shù)據(jù)繪制在圖5中得到圖6所示驗證結果。

圖6 紅色片驗證結果圖Fig.6 Verification result diagram of red film

由圖6可看出，標準AOCS Cc 13e-92(2002)中所提供的標準羅維朋濾色片值均勻地落在關系曲線圖的左右兩側，把黃色片和藍色片代入驗證，也得到了同樣的結果，這說明上述關系式是可靠的。

5 結 論

以羅維朋濾色片為研究對象，利用光譜光度法研究了羅維朋顏色體系。實驗數(shù)據(jù)分析表明：單波長下，羅維朋濾色片的光譜密度和羅維朋數(shù)之間有明顯的線性關系；在380～780 nm波長范圍內(nèi)，羅維朋濾色片的積分光密度和羅維朋數(shù)之間也有明顯的線性關系。通過美國油品化學協(xié)會所提供的數(shù)據(jù)驗證了關系式的可靠性，為羅維朋比色計和羅維朋濾色片的量值溯源提供了另一種方案。