大学物理实验色度实验
西南交通大学物理实验中心实验报告班级：物理•班组号：教师报告箱号：学号：20114028姓名：王涛实验名称：色度实验实验时间：2013年4月24口_讲实验冃的：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而，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型色度实验装置图2色度实验系统框图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來表示：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，某物体在口光下呈现绿色是因为它反射的光屮绿色成分占优势，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xrzx=y=z=X+Y+Z,X+Y+Z,X+Y+Z兀、y、z分别是红、绿、蓝三种颜色的比例系数，x+y+z=l。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(/?)+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。\n如旳图31elE19^105./^rn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，是光谱齐种颜色的色度坐标。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400mn和700nm的直线，是光谱上所没有的、由紫到红的系列。靠近图小心的C是白色，相当于屮午阳光的光色，其色度坐标为X=O.31O1,Y=0.3162o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）xlOOo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髙，但信号乂没溢出。得到图线如下：\n■■理・y.mXnt)IUW1・Q)XflOM2)増*)9|sna2|aaa3s3“他700.0mrrwar—^riiWDi冥他歼绘检豪託厂仁匚b.axaiiMo.6一r~3勵WESTS.—5^«fi|~2
>>3计算结果参考光源：|标准就漁色度窗口520530t—O550570GrccmthYclkm500590490CMoo380nm00240X00o0.5Purplishijluc.；0.30.6610,620『乙650"7809OC1E1931色度图58°OrangeYclkmL540波长相对光强X4400292.30.014311405318.50.023191410358.70.043511—415390.90.077631420418.80.134381425441.10.214771430465.70.283901435487.40.328501440503.70.348281445515.40.348061450532.60.336201455562.90.318701460604.90.29030IX<1>计算寄存器寄有器-1主宴参数：1色坐标：主波长：i491.3nmX：|0.3205饱和纯度計31.1%y：io.3813色度纯度：|26・4%z:|0・2981关闭图5透射基线色度窗II由图5软件计算得到如下数据：主要参数色坐标主波长：491.3nmX：03205饱和纯度：31.1%y：0.3813色度纯度：26.4%z：0.2981分析一：乂接下来的实验可知，透射基线和反射棊线非常相似，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。\n1.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处标及其他参数。⑴红透射样品:色度窗口[x]coCM二Jot—ooo9■oYdloivYcikrnGreen530550GreemthYelkm500590490J480380nmZ6IOz620,60058°OrangeYclkmL540C1E1931色度图BluishPurplishB|we.520计算寄存器寄存器7二|050505050505000112233445564a4*✓No.o.o.o.o.o.o.3%2%l%0%9%9%8%8%8%8«7%7%6%0.014310.023190.043510.077630.134380.214770.283900.328500.348280.348060.336200.318700.29030JI计算结果参考光源：|标准就漁HJ主宴参数：主波长:607.3nni饱和纯度計98.3%色坐标：【x：|0.6531y：|0.3440z:|0.00280.10.20.30.40.50.60.7关闭I图7红样品透射色度窗口由软件计算得到如下数据：主耍参数色坐标主波长：6073nmX：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：0.6638y：0.3360\n0.6531-0.6638J=1.6%0.663810.3440-0.33601=2.4%0.3360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470nm〜500nm青色530nm〜560nm黄绿色590nm〜620nm橙色430nm〜470nm蓝色500nm〜530nm绿色560nm〜590nm黄色620nm〜780nm红色从上而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。为什么它们都这么髙？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，基木上只通过红色光。色处标与理论值的偏差都很小。（2）绿透射样品:(％1)x：|0.1669德和纯JX：|85.6%色度纯度屮9・够2：,0.7178色度宙口主要参数:CIE1931色度图40057.9«0.0143140559.IX0.0231941060.5%0.0435141561.4X0.0776342062.IX0.1343842562.5X0.2147743062.3X0.2839043561.6X0.3285044061.4X0.3482844561.2X0.3480645060.3X0.336204555&4X0.3187046055.5X0.29030计算寄存誥■市图11软件计算得到如F数据:主要参数主波长：471.7nm饱和纯度：85.6%色度纯度：49.0%蓝色滤光片的色朋标理论值为：图11蓝样品透射色度窗口色坐标X：0.1669y：0.1153z：0.7178x：0.1434y：0.11110.1669-0.1434=16.4%0.14340.1153-0.11111:L=3.8%0.1111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。饱和纯度较窩，说明样品透过的蓝色较深。色度纯度一般，说明主波氏的光谱色一一蓝色，在样品中所占亮度的比例\n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色处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。把接收器女装在发射装置中，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人小，使测量的基线位置较高，但信号乂没溢出。得到图线如2图13反射基线irna123451S申10.0■KMt-go■1W.0IMft•Bl2■N2M：AM・"人*席阳R8:垃：\n530CIE1931色度图550570,500480SSOnm图14反射基线实验仪显示计茸奇存去|奇存2T13营长I相対光强I■I~40086.80.01431410107.70.04351420135.10.13438430157.40.28390440178.00.34828450204.90.33620460237.70.29030470273.30.19536480305.20.09564490331.50.03201500352.00.00490510367.30.00930520379.20.06327>r600氏“610込620■650‘780关闻图15反射基线色度窗口市图15软件计算得到如下数据：主要参数色坐标主波长：493.9nmX：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。并计算每个样晶的色度坐标及其他参数。enuniqm（1）橙红色纸反射样胡图16橙红色深色纸反射率曲线\n■ooVoCM0.10.30.40.50.60.78■o9O主王竣长：［609.3nm袍和坤度計64.9%550570,(ircouthYcHouC1E1931色度图OOOOOOOOOOOOO40414243444546474849505152"5304800.014310.043510.134380.283900.348280.336200.290300.195360.095640.032010.004900.009300.06327讦茸厉色坐标：k：［0・5876y：|o.3613—z：|0.0511—关闭I图16橙红色深色纸反射色度窗II由图16软件计算得到如下数据：主要参数色朋标主波长：609.3nmx：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口动完成，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Z后，这一计算很容易理解。
