色度实验论文讲解

色度研究实验论文

刘常威 20131166008,肖述泉

后勤工程学院学员旅四营油料管理专业

摘要:

本文概述了色度学的相关概念及其应用，设计实验并制定了颜色相加、相减的规律及任意复色光与溴钨灯的色坐标、色调、色饱和度的测量及三原色滤色片的透过滤测定等实验内容。并介绍了研究复色光所用到的精确算法与粗略算法,为下一步的实验奠定理论基础。

关键词:色度学;色坐标;色饱和度;三刺激值

引言:

在人们的生活中，每天都会接触到各种颜色，而颜色是怎么，它怎样测量，却不是一个简单的问题。近代科学技术和生产技术的发展更迫切的提出了这个问题，大约80多年以前，科学家开始研究这个问题，并逐渐形成了一门新兴的学科——色度学。

色度学是一门涉及物理光学，视觉生理，视觉心理，心理物理等交叉研究领域的学科，正是由于色度学的建立，人们就可以用统一的标准，对颜色做定量的描述和控制。色度学最早起源于牛顿的色散理论，随着色度学的发展，它被广泛地应用到了工业生产当中，指导着彩色电视机、彩色摄影、彩色印

刷、染料、纺织、造纸、交通信号、照明技术等领域的工作，同时也被应用到产品检验和产品质量监控中，比如宝石级别的评价、石油中含硫量的检测以及水环境污染的监测等等。另外，在地质方面，地质沉积物的色度值也可以反映出沉积物的组分，从而能够间接地推测出当初的沉积环境。

1931CIE标准表色系统的建立为人们客观地测量物体的颜色奠定了基础，在实验中就可以通过仪器测量颜色的三刺激值X、Y、Z，然后将颜色点在平面直角色度坐标加以表示，从而给出颜色。

本文针对色度学实验所涉及到的实验仪器，基本原理及相关术语进行整理，以便进一步实验。

正文:

一．实验目的：

(一)．认识色度及色度学含义、基本概念。

(二)．了解WSD-1A型色度实验系统组成、工作原理。

(三)．学习使用WSD-1A型色度实验系统，并测量不同颜色玻片的色度数据。

(四)．探究不同负高压对单色色度值影响规律。 5．探究色度学在生活中的应用领域及原理。

二．实验仪器：

WSD-1A型色度实验系统

(一)．基本组成

WSD-1A型色度实验系统，由光栅单色仪（光谱仪），接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机及打印机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。各部分之间的连接如下图（各部分的连线插头均唯一，不会出现插错现象）：

*注：1.计算机及打印机不包含在仪器内，用户可选配;

2.扫描系统、电子放大器及A/D采集单元分别放入了光谱仪、电控箱及计算机中，从上图中没有显示出来。

(二)．仪器结构

光谱仪部分有以下几部分组成：单色器，狭缝，吸收池，积分球，接收单元，光栅驱动系统以及光学系统等。

1.仪器采用双出缝的方式，使得在不同模式测量时，即能有较方便的操作，又能提供足够的能量，使得在测量中，有较好的信噪比。

2.固/液体样品室：采用液体样品室、固体样品架以及光栏组合的方式，使得固/液体都能方便的测量，光栏的存在，使得对固体样品的大小要求较低（直径大于5mm）。

3.采用“正弦机构”进行波长扫描，丝杠由步进电机通过同步带驱动，螺母沿丝杠轴线方向移动，正弦杆由弹簧拉靠在滑块上，正弦杆与光栅台联接，并绕光栅台中心回转，从而带动光栅转动，使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成“扫描”。

4.狭缝为直狭缝，宽度范围0－

5.0mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过5.0mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1mm－0.5mm左右。

5.为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光片插入入缝插板上。

(三)．光路系统

光栅分光系统（C-T型）。

M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、G平面衍射光栅、Z 转向镜 S1 入射狭缝、S2 光电倍增管接收、S3 观察口、S 样品室入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－5.0mm连续可调光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面

上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成象在S2上或S3上（通过转向镜调节）。M2、M3 光栅G,滤光片工作区间,焦距302.5mm,每毫米刻线1200条闪耀波长550nm 白片 350－480nm 黄片 480—800 nm.

三．背景资料：

(一）色度学主要是研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。自然界中所有的颜色分黑白和彩色两个系列，黑白以外的所有颜色均为彩色系列，其波长范为在380~780nm之间。彩色有三个特性，即明度、色调、色纯度（也成为饱和度）.

(二）主波长（也称色调）：一种颜色Sλ的主波长，反映颜色的类别。彩色物体的色调决定与在光照明下反射光的光谱成分。对于透射光，其色调由透射光的波长分布或光谱决定。色调又称主波长，一种颜色的主波长指的是某一种光谱色的波长，这种光谱色按一定比例与一种确定的参照光源相加混合，能匹配出该颜色Sλ。

(三）亮度纯度（也称饱和纯度、饱和度）：饱和度是指一种主波长的光谱色被白光冲淡的程度，即彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。实质上是表示了主波长光谱色的三刺激值在样品

三刺激值中所占的比重。对于统一色调的彩色光，饱和度越高，颜色越深；反之颜色越浅。饱和度实际上表征了掺入白光的多少。在CIE色度图上无法表示出来。在计算亮度纯度时，用样品主波长的y坐标与样品色坐标的y值的差值乘以兴奋纯度来表示。色调与饱和度合称色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。

(四）兴奋纯度（也称色度纯度）：是指主波长的光谱色在样品中所占亮度的比例，在CIE色度图上用白光到样品点的距离与样品点到主波长点的距离的比例表示。

（五）标准光源：能发光的物理辐射体，如灯、太阳。CIE 规定了“标准光源”来实现标准照明体的光谱分布。三种标准光源为SA工作在色温2856K的钨丝灯；SB中午的太阳光；SC全日平均太阳光。

（六）1931 C.I.E系统：是国际照明委员会为统一对物体颜色的度量效果而制定的一套标准色度系统。物体颜色的定量度量是复杂的，它涉及到观察者的视觉生理、视觉心理以及照明条件、观察条件等许多问题，为了能够得到一致的度量效果，国际照明委员会（简称CIE）规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统。本系统是近代色度学的基础组成部分，它是一种混色系统，是基于每一种颜色都能用三个选定的原色按适当比例混合而成的基本事实建立起来的。在C.I.E系统中，三个基本颜色被称

为“基础激励”，一个颜色使用的的三色激励值（又称三刺激值）表示，三刺激值即为混合某一种颜色时所需的三个基色的数量，分别用X、Y、Z表示。理论上为了定量地表示颜色，采用平面直角色度坐标：

x=X/(X+Y+Z)

y=Y/(X+Y+Z)

z=Z/(X+Y+Z)

1.x、y、z分别是红、绿、蓝三基色的比例系数，x+y+z=1。用C代表一种颜色，R,G,B表示红、绿、蓝三基色，则C(λ)=x(R)+y(G)+z(B)

2.所有光谱色在色坐标上为一马蹄形曲线，该图称为CIE193 1色坐标，图中以三基色为顶点的三角形内的所有颜色都能用三基色按一定量匹配得到。任一颜色M（x,y）的色调是由其照明光源坐标点（如A光源）到M点连线并延长与光谱轨迹相交于N 点，N点的光谱色的色调即为主波长，则： M的饱和纯度：P=AM/AN=(x m-x A)/(x n-x A)

3.M的色度纯度：M=AM/MN=(x m-x A)/(x n-x m)

四．实验过程

（一）. 开启仪器：确认各条信号线及电源线连接好后，按下电控箱上的电源按钮，仪器正式启动，打开测量软件，并进行波长复位操作。

（二）. 透射样品的测量。在开机的情况下，检查是否使用的是出缝1。样品池置空，调节负高压及狭缝，使测量到的反射基线比较大，但信号又没溢出（此步骤可能要反复做几遍才能得到理想的结果）。上面确定的条件不变的情况下，放入三基色滤光片，打开“色度计算”窗口，选择寄存器和参照光源（本实验为标准A光源：溴钨灯）后，计算该样品在参照光源下的色度坐标及其它参数。调节不同负高压值，得到绿色滤光镜多组色度值。

（三）.反射样品的测量。在开机的情况下，检查是否使用的是出缝2，若不是把转镜拨到出缝2上。放入标准白板，调节负高压及狭缝，使测量到的透射基线比较大，但信号又没溢出（此步骤可能要反复做几遍才能得到理想的结果）。上面确定的条件不变的情况下，放入几种不同颜色的平面样品，打开“色度计算”窗口，选择寄存器和参照光源后，计算这些样品在参照光源下的色度坐标及其它参数。

（四）.发光体的测量。在开机的情况下，检查是否使用的是出缝1。将光源换为六色光源，并选择一种颜色作为待测样光。

在“发光体”模式下测量发光体的能量曲线。打开“色度计算”窗口，选择寄存器和等能光源后，计算该发光体在等能光源下的色度坐标及其它参数。

五．数据及结论

(一).如图，得到“不同负高压下绿光色度值”及“三原色色度值”图表。

(二).结论：

1.蓝色滤光片在400~450nm这个波段透过率最高，而这个波段正是属于蓝色波段；在575~675nm这一波段透过率基本为零，这个波段属于黄色和红色波段，而蓝色的补色为黄色。红色滤光片对400~515nm波段吸收很强，此波段属于蓝色系，而红色的补色是青色；对600~700nm这个波段透过率很高，该波段为红色系。而520nm附近透过率最高的波段属于绿色系；对620nm~7 00nm的波段吸收很强。可见实验结果与理论相符。

2.对于每组色度值，都有x+y+z=1恒成立，验证了三原色组成自然色彩的结论。

3.对于不同负高压对绿光测量的影响，随着负高压绝对值值的增大，主波长递增，由图可估计负高压在-270~-250时，所测绿色镜有较高的亮度纯度和兴奋纯度，Y值比例也较高。

4.对于红绿蓝三色，相对应X,Y,Z比例都较其他两项高。

5.多次调试可得，入缝宽度必须大于出缝宽度。

六．注意事项：

(一).扳动扳手要轻扳轻放，移动光源要注意安全。

(二).为延长使用寿命，狭缝调节时注意最大不超过4mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1～0.5mm左右。

(三).为保护CCD接收系统，请避免强光直射入缝。

七．实验心得：

通过此次自主实验探究，我们了解了定量表示各种颜色的方法，对色度学有了初步认识，学会了使用色度测量系统。通过查找资料、教员讲解等方式，了解到色度学在化学工业、农作物验样、军事工程伪装等众多生产生活领域的广泛应用。实验过程

中，组员密切配合，相互协作，共同探讨，迎难而上，有效培养了团队合作意识和实验创新精神。

另一方面，我们也发现许多不足。由于实验前对课题及实验器械了解熟悉不足，导致实验初始没有头绪，无从下手，浪费时间; 实验中缺少教员监督管理，也有许多错误实验操作; 实验结束对问题的分析总结不够彻底，创新意识有待加强。

总之，这次实验让我们对大学物理实验有了更高层次的认识，也对我们的大学学习生活有很大启迪教育意义。

不同负高压下绿色色度表

负高压主波长兴奋纯度亮度纯度

色坐标

x y z

-100 510.8581 26.6774 39.654 0.3311 0.495 0.1739 -150 529.32033 48.1755 64.9411 0.3014 0.6022 0.0963 -200 531.65131 52.5586 68.6229 0.2951 0.616 0.0889 -250 537.47907 89.8883 94.4073 0.2288 0.7366 0.0346 -300 550.55325 63.2247 74.5985 0.3528 0.5898 0.0574

三原色色度表

色坐标颜色主波长兴奋纯度亮度纯度

x y z 红色654.03592 80.1548 72.9298 0.6726 0.2987 0.0288 绿色537.47907 89.8883 94.4073 0.2288 0.7366 0.0346 蓝色454.7715 77.5947 15.0202 0.2191 0.1074 0.6735

注：上图均为入缝宽度0.24mm，出缝宽度0.14mm。

参考文献:

[1] 低色度工业废水处理

[2] 汽车LED灯具的色度特性分析

[3] 实现照度和色度均匀的LED透镜设计

[4] 水质色度、总磷及悬浮物的分析评价

[5] 液晶显示屏色度评价和研究

[6] bd电池板的光谱BRDF测量及色度特性的研究