Spectrophotometer คืออะไร และทำงานอย่างไร?

ในกระบวนการจัดการสีระดับมืออาชีพ Spectrophotometer คืออุปกรณ์ที่ทำให้การวัดสีเปลี่ยนจากการตัดสินด้วยสายตาของมนุษย์ที่มีความคลาดเคลื่อนสูง มาเป็นการวัดเชิงตัวเลขที่แม่นยำ ทำซ้ำได้ และเป็นกลาง อุปกรณ์ชิ้นนี้คือรากฐานของระบบจัดการสีทั้งหมดในงานพิมพ์คุณภาพสูง

Spectrophotometer คืออะไร

Spectrophotometer คืออุปกรณ์วัดสีที่วิเคราะห์แสงที่สะท้อนออกมาจากพื้นผิวของวัตถุในทุกช่วงความยาวคลื่นของสเปกตรัมแสงที่ตามองเห็นได้ ตั้งแต่ 380 นาโนเมตร (ม่วง) ถึง 730 นาโนเมตร (แดง) และแปลงข้อมูลนั้นเป็นค่าตัวเลขที่อธิบายสีได้อย่างแม่นยำโดยไม่ขึ้นอยู่กับการรับรู้ของสายตามนุษย์

ความแตกต่างระหว่าง Spectrophotometer กับอุปกรณ์วัดสีชนิดอื่นอยู่ที่ความละเอียดของการวัด Colorimeter ซึ่งเป็นอุปกรณ์วัดสีที่ถูกกว่าและพบได้ทั่วไปวัดสีโดยใช้ Filter เพียง 3 ช่องที่สอดคล้องกับการรับแสงของตามนุษย์ ในขณะที่ Spectrophotometer วัดสเปกตรัมแสงที่สะท้อนทุกช่วงความยาวคลื่นแยกกันในช่วง 10 นาโนเมตรหรือละเอียดกว่านั้น ทำให้ได้ข้อมูลที่ครบถ้วนและสามารถคำนวณค่าสีในระบบใดก็ได้ที่ต้องการจากข้อมูลชุดเดียว

หลักการทำงานในระดับ Physics

เมื่อแสงตกกระทบพื้นผิวของวัตถุ แสงบางส่วนถูกดูดซับและแสงที่เหลือสะท้อนออกมา สัดส่วนของแสงที่สะท้อนในแต่ละช่วงความยาวคลื่นคือสิ่งที่ทำให้เราเห็นวัตถุนั้นมีสี วัตถุสีแดงสะท้อนแสงในช่วงความยาวคลื่น 620–700 นาโนเมตรเป็นหลักและดูดซับช่วงอื่น วัตถุสีขาวสะท้อนแสงเกือบทุกช่วงความยาวคลื่น และวัตถุสีดำดูดซับแสงเกือบทั้งหมด

Spectrophotometer วัดค่า Reflectance หรือเปอร์เซ็นต์ของแสงที่สะท้อนออกมาในแต่ละช่วงความยาวคลื่นทีละ 10 นาโนเมตรตลอดสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือ Spectral Reflectance Curve ซึ่งเป็นกราฟที่แสดงพฤติกรรมการสะท้อนแสงของสีนั้นในทุกช่วงความยาวคลื่น กราฟนี้คือ Fingerprint ของสีที่ไม่มีสีอื่นใดในโลกที่มีกราฟเหมือนกันทุกจุด

โครงสร้างภายในและกลไกการทำงาน

แหล่งกำเนิดแสง

Spectrophotometer ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานที่ให้สเปกตรัมครอบคลุมทุกช่วงความยาวคลื่นอย่างสม่ำเสมอ แหล่งกำเนิดแสงที่ใช้บ่อยที่สุดคือหลอด Xenon Flash ที่ให้แสงในช่วง Full Spectrum และมีอายุการใช้งานยาวนาน รุ่นที่ใช้ในงาน Printing มักใช้ Dual Light Source คือ D50 (แสงกลางวัน 5000K) ซึ่งเป็นมาตรฐานของอุตสาหกรรมการพิมพ์สากล ควบคู่กับ A (แสงหลอดไส้ 2856K) เพื่อตรวจสอบปรากฏการณ์ Metamerism

Integrating Sphere

แสงจากแหล่งกำเนิดถูกนำเข้าสู่ Integrating Sphere ซึ่งเป็นทรงกลมกลวงที่ผิวภายในเคลือบด้วยวัสดุสะท้อนแสงสูงอย่าง Barium Sulfate หรือ PTFE ทรงกลมนี้ทำหน้าที่กระจายแสงให้ตกกระทบพื้นผิวตัวอย่างจากทุกทิศทางอย่างสม่ำเสมอ ขจัดผลกระทบของพื้นผิวที่มีความเงาหรือพื้นผิวสากซึ่งอาจทำให้แสงสะท้อนในทิศทางที่ต่างกัน

การออกแบบ Geometry ของ Integrating Sphere มีผลต่อค่าที่วัดได้ มาตรฐานที่ใช้ในอุตสาหกรรมการพิมพ์คือ d/8° (Diffuse Illumination, 8° Observation) ซึ่งส่องแสงแบบ Diffuse ทุกทิศทางและรับแสงที่มุม 8° จากแนวตั้งฉาก การออกแบบนี้ให้ค่าที่สอดคล้องกับการรับรู้สีในสภาพแสงสภาพแวดล้อมทั่วไปมากที่สุด

รุ่นที่มีความสามารถสูงกว่ามีตัวเลือก SCI (Specular Component Included) และ SCE (Specular Component Excluded) ที่ให้เลือกว่าจะรวมหรือไม่รวมแสงที่สะท้อนตรงๆ จากผิวมันในการวัด ซึ่งให้ค่าที่ต่างกันสำหรับวัสดุที่มีความเงา

Diffraction Grating และ Detector Array

แสงที่สะท้อนออกมาจากตัวอย่างถูกส่งผ่านช่องเปิดแคบๆ (Entrance Slit) เข้าสู่ Monochromator ที่ประกอบด้วย Diffraction Grating ซึ่งเป็นพื้นผิวที่มีร่องละเอียดมากทำหน้าที่แยกแสงออกเป็นสเปกตรัมคล้ายกับปริซึม แต่มีความแม่นยำสูงกว่ามาก

แสงที่ถูกแยกออกแล้วตกลงบน Photodiode Array หรือ CCD Array ที่มีตัวรับแสงเรียงกันตลอดแนวสเปกตรัม แต่ละตัวรับแสงบันทึกความเข้มของแสงในช่วงความยาวคลื่นของตัวเอง ข้อมูลจากตัวรับแสงทุกตัวถูกอ่านพร้อมกันและส่งไปยังวงจรประมวลผล

การประมวลผลและแปลงค่า

วงจรประมวลผลแปลงสัญญาณจาก Detector Array เป็น Spectral Reflectance Data และคำนวณค่าสีในระบบต่างๆ โดยอัตโนมัติ ค่าที่ใช้บ่อยในอุตสาหกรรมการพิมพ์ได้แก่

ค่า CIE Lab* หรือ CIELAB เป็นระบบสีที่ออกแบบมาให้สอดคล้องกับการรับรู้สีของมนุษย์ L* แทนความสว่าง (0 = ดำสนิท, 100 = ขาวสนิท), a* แทนแกนแดง-เขียว (บวก = แดง, ลบ = เขียว) และ b* แทนแกนเหลือง-น้ำเงิน (บวก = เหลือง, ลบ = น้ำเงิน) ระบบนี้ถูกออกแบบให้ระยะห่างระหว่างจุดสองจุดในพื้นที่สีสอดคล้องกับความแตกต่างที่ตามนุษย์รับรู้ได้

ค่า Delta E (ΔE) คือตัวเลขที่แสดงความแตกต่างระหว่างสองสีในระบบ CIELAB โดยเป็นระยะทางในพื้นที่สีสามมิติ ΔE 1.0 คือความแตกต่างที่นักวิชาชีพด้านสีที่ผ่านการฝึกฝนเริ่มสังเกตเห็นได้ภายใต้สภาพแสงมาตรฐาน ΔE ต่ำกว่า 1.0 ถือว่าไม่สามารถแยกแยะได้ด้วยตาเปล่า และ ΔE สูงกว่า 3.0 คือความแตกต่างที่คนทั่วไปสังเกตเห็นได้ชัดเจน

ค่า Density ใช้ในการวัดความเข้มของหมึกพิมพ์ในแต่ละ Channel โดยเฉพาะ เหมาะสำหรับการควบคุม Ink Linearization ในกระบวนการ Profiling

การนำไปใช้ในกระบวนการจัดการสีสำหรับงานพิมพ์

Device Characterization และการสร้าง ICC Profile

การใช้งานหลักของ Spectrophotometer ในงานพิมพ์คือการสร้าง ICC Profile ที่แม่นยำสำหรับเครื่องพิมพ์และวัสดุแต่ละชุด กระบวนการเริ่มต้นด้วยการพิมพ์ Characterization Target ซึ่งเป็นชุดของ Color Patch จำนวนมากที่ครอบคลุมพื้นที่สีทั้งหมดที่เครื่องพิมพ์สามารถผลิตได้

Target มาตรฐานที่ใช้บ่อยในงาน Wide Format คือ IT8.7/4 ที่มี 1617 Patch, ECI2002 ที่มี 1485 Patch หรือ TC1617 สำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูงขึ้น บาง Profiling Software ใช้ Target ขนาดใหญ่กว่า 3000–5000 Patch เพื่อให้ได้ Profile ที่ละเอียดกว่า

Spectrophotometer วัดค่าสีของแต่ละ Patch และบันทึกค่า Lab* ที่ได้จริงเทียบกับค่า CMYK Input ที่ใช้พิมพ์ ซอฟต์แวร์ Profiling อย่าง X-Rite i1Profiler หรือ Basiccolor Print นำข้อมูลนี้ไปสร้างแผนที่ความสัมพันธ์ระหว่าง Input CMYK กับค่าสีจริงที่ออกมา แผนที่นี้คือ ICC Profile ที่ RIP ใช้ในการแปลงค่าสีทุกครั้งที่พิมพ์

Ink Linearization

ก่อนการสร้าง ICC Profile ต้องทำ Linearization ก่อน กระบวนการนี้ใช้ Spectrophotometer วัดค่า Density หรือ L* ของแต่ละ Ink Channel ที่ระดับ Input 0–100% ในช่วง 5 หรือ 10% เพื่อสร้างกราฟแสดงพฤติกรรมของหมึกแต่ละสี จากนั้น RIP ปรับ Tone Curve ของแต่ละ Channel ให้การเพิ่มขึ้นของ Input ส่งผลให้ความเข้มสีเพิ่มขึ้นอย่างเป็นเส้นตรงและคาดเดาได้

Press Verification และ G7 Calibration

ในงาน Commercial Print และงานที่ต้องการมาตรฐานสีระดับสูง Spectrophotometer ใช้ตรวจสอบว่าเครื่องพิมพ์ยังคงอยู่ในมาตรฐานที่กำหนดหรือไม่ มาตรฐาน G7 ของ IDEAlliance กำหนด Target NPDC (Neutral Print Density Curve) ที่เครื่องพิมพ์ต้องทำได้เพื่อให้ได้รับการรับรอง G7 Master

กระบวนการ G7 Calibration ใช้ Spectrophotometer วัด P2P Target และปรับ Tone Curve ของ RIP จนกว่าค่าที่วัดได้จะอยู่ในขอบเขตที่ G7 กำหนด ซึ่งช่วยให้เครื่องพิมพ์ต่างชนิดและต่างสถานที่ผลิตงานที่มีลักษณะสีคล้ายกันได้โดยไม่ต้องใช้ ICC Profile เดียวกัน

Metamerism Detection

ปรากฏการณ์ Metamerism คือเมื่อสองสีที่ดูเหมือนกันภายใต้แสงชนิดหนึ่งแต่ดูต่างกันภายใต้แสงอีกชนิดหนึ่ง เกิดจากการที่สองสีมี Spectral Reflectance Curve ที่ต่างกัน แต่ค่าที่ตามนุษย์รับรู้ได้บังเอิญเท่ากันภายใต้แสงชนิดหนึ่ง

Spectrophotometer ตรวจพบ Metamerism ได้โดยการวัดค่าสีภายใต้แหล่งกำเนิดแสงหลายชนิด (Multi-Illuminant Measurement) และตรวจสอบว่า ΔE ระหว่างสองสีเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญตามชนิดของแสงหรือไม่ ซึ่งสำคัญมากสำหรับงาน Color Matching ระหว่างงานพิมพ์และสีจริงของสินค้า เช่น งาน Packaging ที่สีบนบรรจุภัณฑ์ต้องตรงกับสีของตัวสินค้าทั้งในแสง Daylight และแสง Store Lighting

Spectrophotometer ที่ใช้ในอุตสาหกรรมการพิมพ์

X-Rite i1Pro 3 คือมาตรฐานของอุตสาหกรรมสำหรับงาน Wide Format และ Commercial Print ให้ความแม่นยำของการวัดในระดับ ΔE 0.1 และรองรับทั้งการวัดแบบ Spot และการวัดแบบ Scan สำหรับ Characterization Target ขนาดใหญ่ มีทั้งรุ่น i1Pro 3 สำหรับงาน Reflective และ i1Pro 3 Plus ที่เพิ่มการวัด UV-Cut สำหรับงานที่ต้องการจัดการ Optical Brightening Agent ในวัสดุ

X-Rite i1iO เป็น Automated Scanning Table ที่ใช้ i1Pro เป็น Measuring Head แต่เคลื่อนที่และวัด Patch อัตโนมัติโดยไม่ต้องใช้คน ลด Human Error จากการวางตำแหน่งไม่ตรง และเพิ่มความเร็วในการวัด Target ขนาดใหญ่ได้มาก

Barbieri Spectro LFP ออกแบบมาเฉพาะสำหรับงาน Large Format โดยมีแผ่น Scanning ขนาดใหญ่ที่รองรับ Target ได้ในขนาดที่ใหญ่กว่า i1iO และมีระบบ Auto-Feed สำหรับงานที่ต้องวัดหลาย Target ต่อเนื่อง

Konica Minolta FD-9 เป็น Inline Spectrophotometer ที่ติดตั้งอยู่บนเครื่องพิมพ์โดยตรง วัดค่าสีของงานพิมพ์แบบ Real-Time ระหว่างการพิมพ์โดยไม่ต้องหยุดงาน ระบบนี้ให้การควบคุมคุณภาพสีแบบ Closed-Loop ที่ตรวจจับและแก้ไขความเบี่ยงเบนของสีได้ทันทีโดยอัตโนมัติ เหมาะสำหรับงาน High-Volume Production ที่ต้องการความสม่ำเสมอตลอดทั้งการพิมพ์

สรุป

Spectrophotometer คือจุดเริ่มต้นของระบบจัดการสีทั้งหมดในงานพิมพ์ระดับมืออาชีพ ทำหน้าที่แปลง "สี" ซึ่งเป็นสิ่งที่ Subjective และรับรู้ได้ต่างกันในแต่ละคนให้กลายเป็นตัวเลขที่ Objective วัดซ้ำได้ และเปรียบเทียบได้ ข้อมูลที่ได้จากการวัดเป็นรากฐานของ ICC Profile, Linearization, Verification และการควบคุมคุณภาพทุกขั้นตอน ในโรงพิมพ์ที่ไม่มี Spectrophotometer หรือไม่ได้ใช้อย่างถูกต้อง การจัดการสีทั้งหมดก็เป็นเพียงการประมาณและการคาดเดา ไม่ใช่วิทยาศาสตร์