大学物理实验色度实验 - 图文

西南交通大学物理实验中心

实验报告

学号：20114028 姓名：王涛 班级：物理一班 实验名称： 色度 实 验 组号：

实验时间：2013 年4 月24 日 讲 教师报告箱号： 实验目的： 1. 了解色度学的基本原理。 2. 熟悉WSD-1A型色度仪的实验装置及软件操作界面，并掌握使用方法。 3. 学会用透射或反射方法测量样品的主波长、纯度、色坐标等色度学量。 实验仪器： WSG-8型色度实验装置 光栅光谱仪结构参见仪器说明书。 实验原理： 色度学是研究颜色度量和评价方法的一门学科，现代色度学初步解决了对颜色作定量描述和测量的问题。 颜色可以分为黑白和彩色两个系列，黑灰白以外的所有颜色均为彩色系列。彩色可以用三个参数来表示：明度(亮度或纯度)、色调(主波长或补色主波长)和色纯度(饱和度)。明度表示颜色的明亮程度，颜色越亮明度值越大；色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。彩色物体的色调决定于在光照明下反射光的光谱成分。例如，某物体在日光下呈现绿色是因为它反射的光中绿色成分占优势，而其它成分被吸收掉了。对于透射光，色调由透射光的波长分布或光谱所决定。色纯度是指彩色光所呈现颜色的纯洁程度。对于同一色度的彩色光，其色纯度越高，颜色就越深，或越纯；反之颜色就越淡，纯度越低。色调和色纯度合称色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。 根据色度学原理，所有颜色均可由红、绿、蓝三种颜色匹配而成，这三种颜色称为三基色。为了定量地表示颜色，常用的方法是采用“三刺激值”，即红、绿、蓝三基色的量，分别用X、Y、Z表示。在理论上，为了定量地表示颜色，采用平面直角色度坐标 XYZx?y?z?X?Y?Z， X?Y?Z， X?Y?Z x、y、z分别是红、绿、蓝三种颜色的比例系数，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?x(R)?y(G)?z(B)，如一蓝绿色可以表示为： (C)?0.06(R)?0.31(G)?0.63(B) 所有的光谱色在色坐标上为一马蹄形曲线，该图称为CIE1931色坐标。在图中红?、绿(G)、蓝(B)三基色坐标点为顶点，围成的三角形内的所有颜色的所有颜色可以由三基色按一定的量匹配而成。 ~ 1 ~

国际照委会制定的CIE1931色度图如附图1。 色度图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色即光谱轨迹，是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在图的右下部，绿色波段在左上角，蓝紫色波段在图的左下部。图下方的直线部分，即连接400nm和700nm的直线，是光谱上所没有的、由紫到红的系列。靠近图中心的C是白色，相当于中午阳光的光色，其色度坐标为X=0.3101，Y=0.3162。 设色度图上有一颜色S，由C通过S画一直线至光谱轨迹O点(590nm)，S颜色的主波长即为590nm，此处光谱的颜色即S的色调(橙色)。某一颜色离开C点至光谱轨迹的距离表明它的色纯度，即饱和度。颜色越靠近C越不纯，越靠近光谱轨迹越纯。S点位于从C到590nm光谱轨迹的45%处，所以它的色纯度为45%(色纯度%=(CS/CO)×100。从光谱轨迹的任一点通过C画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，这条直线两端的颜色互为补色(虚线)。从紫红色段的任一点通过C点画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，这个非光谱色就用该光谱颜色的补色来表示。表示方法是在非光谱色的补色的波长后面加一G字，如536G，这一紫红色是536nm绿色的补色。 由物体颜色三刺激值可以确定物体颜色，分光测色仪是测量三刺激值的最基本仪器。它不是测量颜色的三刺激值本身，而是测量物体的光谱反射或光谱透射特性，再选用CIE推荐的标准照明体和标准观察者，通过积分计算求得颜色的三刺激值。 分光测色仪原理参见光栅光谱仪说明书。 实验步骤： 1. 开机，调节光栅光谱仪，调节方法参考仪器说明书。 2. 单程扫描透过基线，保存。 3. 单程扫描红、绿、紫三基色片的透过率，并分别保存。 4. 分别计算样品的主波长、纯度、色坐标等色度学量，并加以讨论。 原始数据及数据处理： 实验数据： 透射样品的测量 1.测量透射基线。把转向镜拨到出缝1，打开软件。选择“透射基线”模式，样品室置空，调节负高压和狭缝大小，使测量的基线位置较高，但信号又没溢出。得到图线如下： ~ 2 ~

图4 透射基线 图5 透射基线色度窗口 由图5软件计算得到如下数据： 主要参数 色坐标 主波长：491.3 nm x：0.3205 饱和纯度：31.1 % y：0.3813 色度纯度：26.4 % z：0.2981 分析一：又接下来的实验可知，透射基线和反射基线非常相似，都是在中间波段的光波透射率（或者反射率）高，最大值大约处于515nm处，两边的低。 ~ 3 ~

2.测量样品透射率。分别放入红、绿、蓝三种透射样品，选择“透射率”模式，测量透射率，测量过程中负高压和狭缝大小不能再变化。并计算每个样品的色度坐标及其他参数。 (1)红透射样品： 10080红色透射率(T%)6040200图6 红样品透射率曲线 波长(nm)450500550600650 700 图7 红样品透射色度窗口 由软件计算得到如下数据： 主要参数 色坐标 主波长： 607.3 nm x：0.6531 饱和纯度：98.3 % y：0.3440 色度纯度：97.9% z：0.0028 红色滤光片的色坐标理论值为： x：0.6638 y：0.3360 ~ 4 ~

?x?0.6531?0.66380.66380.3440?0.33600.3360?1.6% ?2.4% ?y?分析二：首先，我们必须知道可见光380nm～760nm的光波颜色分布： 380nm～430nm 紫色 430nm～470nm 蓝色 470nm～500nm 青色 500nm～530nm 绿色 530nm～560nm 黄绿色 560nm～590nm 黄色 590nm～620nm 橙色 620nm～780nm 红色 从上面的软件计算得到的数据，主波长在607.3nm，这是偏橙色的红色。饱和纯度和色度纯度分别为98.3 %和97.9%，饱和纯度较高，说明样品的透过的红色光较深。色度纯度很高，说明主波长的光谱色——红色（偏橙色），在样品中所占亮度的很高。为什么它们都这么高？主要从红色样品的透射率曲线可知，其透射率在575nm到600nm波长范围内，大约25nm的范围，从0升到90%多。上升非常陡。这就说明了红色样品有非常好的滤色功能，基本上只通过红色光。 色坐标与理论值的偏差都很小。 （2）绿透射样品： 6050绿色透射率(T%)403020100450500550600650 图8 绿样品透射曲线 波长(nm)700~ 5 ~

图9 绿样品透射色度窗口 由图9软件计算得到如下数据： 主要参数 色坐标 主波长：542.8nm x：0.3472 饱和纯度：50.8 % y：0.5753 色度纯度：65.2 % z：0.0774 绿色滤光片的色坐标理论值为： x：0.3480 y：0.5828 ?x?0.3472?0.34800.34800.5753?0.58280.5828?0.2% ?1.3% ?y?分析三：主波长542.8nm，正好落在530nm到560nm的范围内，是黄绿色。而绿色范围500nm～530nm ，因此实验有微小误差，但是色坐标和理论值符合的很好。 但是，饱和纯度和色度纯度却很低分别为50.8 %和65.2 %，仅略高于50%。饱和纯度很低，说明样品透过的绿色光很浅。色度纯度一般，说明主波长的光谱色——绿色，在样品中所占亮度的比例居中。对滤色滤光片的透射率曲线分析可知，是由于在波长500nm～530nm 绿色之外的光仍然有较大的透射率。 说明绿色滤光片的滤色性能比较低（比红色滤光片的低得多）。 （3）蓝透射样品： ~ 6 ~

706050403020100400450500550600650蓝色透射率(T%) 700波长图10 蓝样品透射曲线 (nm) 图11 蓝样品透射色度窗口 由图11软件计算得到如下数据： 主要参数 色坐标 主波长：471.7 nm x：0.1669 饱和纯度：85.6 % y：0.1153 色度纯度：49.0 % z：0.7178 蓝色滤光片的色坐标理论值为： x：0.1434 y：0.1111 ?x?0.1669?0.14340.1434?16.4% ?y?0.1153?0.11110.1111?3.8% 分析四：主波长471.7nm，在误差允许的范围内，落在蓝色光波430nm～470nm范围内。是偏青色的蓝色。饱和纯度较高，说明样品透过的蓝色较深。色度纯度一般，说明主波长的光谱色——蓝色，在样品中所占亮度的比例~ 7 ~

居中。它们两者比较高，从透射率曲线看，是因为透射率曲线陡降的原因。 X色坐标与理论值偏出较大，这也是导致透射光是偏青色的蓝色的原因。 图12 总的曲线 反射样品的测量 1.测量反射基线。把转向镜拨到出缝2，把负电压调零。把接收器安装在发射装置中，并把白板放进接收器。选择“反射基线”模式，然后再调节负高压和狭缝大小，使测量的基线位置较高，但信号又没溢出。得到图线如下： 900800700反射基线(E)600500400300200450500550600650 700图13 反射基线 波长(nm) ~ 8 ~

图14 反射基线实验仪显示 图15 反射基线色度窗口 由图15软件计算得到如下数据： 主要参数 色坐标 主波长：493.9 nm x：0.3424 饱和纯度：25.1 % y：0.4020 色度纯度：24.0 % z：0.2556 分析五：如上图，可见，当插入白板测量反射基线时，呈现出抛物线形，我们设定波长范围400nm～700nm，中间波长段（大约波长500nm）的光的反射率较高，两边的反射率较低。 2.测量样品反射率。放入红纸纸片作为反射样品，选择“反射率”模式，测量反射率，测量过程中负高压和狭缝大小不能再变化。并计算每个样品的色度坐标及其他参数。 （1）橙红色纸反射样品 图16 橙红色深色纸反射率曲线 ~ 9 ~

图16 橙红色深色纸反射色度窗口 由图16软件计算得到如下数据： 主要参数 色坐标 主波长：609.3 nm x：0.5876 饱和纯度：64.9 % y：0.3613 色度纯度：60.4 % z：0.0511 分析六：根据色度坐标得到样品颜色为图13中白点所示处，为橙红色的一种。根据主波长同样可以证明样品为橙红色（感觉为黄色：590nm～620nm）。饱和纯度较低（小于50 %），说明样品反射回来的光中的黄色较浅。色度纯度较低（略大于50 %），说明主波长的光谱色——黄色，在样品中所占亮度的比例较低。 分步色度计算 此步骤可以直接在计算机上自动完成，且无需人工干预，其整个流程实际上是对报告前面所论述原理的分步应用。在搞清楚基本原理之后，这一计算很容易理解。 ~ 10 ~

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