颜色混合和三刺激计算综合设计实验_刘惠萍.pdf

第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期：基金项目：中国海洋大学本科教学教育项目（）。通讯联系人文章编号：（）颜色混合和三刺激计算综合设计实验刘惠萍，于 佳（中国海洋大学 物理与光电工程学院，青岛 山东）摘要：颜色混合相加定律是所有颜色配色的基础，而物体色会随着光源的不同产生色差是光源色度学的重要知识点。通过三基色激光器混合出等能白色，并通过改变其中任一激光器的光通量，发现其混合色也随着改变，从而验证了格拉斯曼色彩混合定律。同时设计了同一物体在不同光源照射下，其三刺激和色度坐标的变化，验证了物体色跟光源色之间的关系。关键词：色度学；色坐标；三刺激值中图分类号：文献标志码：大学物理实验投稿网址：格拉斯曼颜色混合定律是颜色混合的基础，为加深学生对理论知识的理解，本文在深入研究色度学理论的基础上，设计了颜色混合相加，不同颜色的三刺激值及色坐标的计算实验，及同一物体颜色在不同照明体下的三刺激值及色坐标变化实验，并对结果进行了分析。基本原理 标准色度系统国际照明委员会（）规定了一套标准的色度系统。这套系统是基于每种颜色都能用三个选定的颜色（即三基色）按适当比例混合而成的事实建立起来的，任意颜色都是由单色光混合组成的，因此根据单色光的的光谱三刺激值，利用混色原理就可以得到颜色的三刺激值。为了计算颜色的三刺激值和色品坐标，我们首先要知道光源发出的光源色或者光源经物体反射或透射后进入人眼所产生的颜色感觉的光谱能量，并称之为颜色刺激函数，颜色三刺激值的计算方法是用颜色刺激函数（）分别乘以 光谱三刺激值，并在可见光谱范围内（）分别对这 些 乘 积 进 行 积 分。三 刺 激 值 的 标 准 方程是，：（）（）（）（）（）（）（）在实际计算中，用求和来代替积分，求和表达式为：（）（）（）（）（）（）（）上式中，（）对于照明体或者光源是它们的相对光谱功率分布，即（）（）（）对于物体色，（）是照明或光源的相对光谱功率分布（）与物体的光谱透过率（）、或物体的辐亮度因数（）、或物体的光谱反射率（）的乘积，即：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）叫做调整因数，它是将光源（或照明体）的 值调整为 时得出的，即（）（）（）计算出三刺激值以后，则可将其转换为物体的色度坐标：（）系统是在 系统的基础上建立起来的，在 系统中用相等的三原色三刺激值匹配出等能白 来确定各个原色刺激单位的。经坐标转换可求得 系统和 系统三刺激值之间的转换关系式：（）故可以直接用光谱三刺激值求得光谱色在 坐标系统中的各坐标值，将光谱色的坐标点连成马蹄形曲线，此曲线称为，色品图的光谱轨迹。颜色混合实验 两色相加在光学平台中，搭建好实验光路，将其中绿颜色的激光器先关闭，转动红蓝两色激光器使其光斑在白屏上重合，这时在屏上产生中间色品红（图）；然后调节光路中红光的分束镜，使得达到白屏上的光强度减小，屏上色调将偏向蓝色。这说明任何一种颜色是由色度和亮度共同决定的。三色相加混合具体的光路如图 所示：图 混色实验光路图为了验证复色相加混合，在光路中我们将红，绿，蓝三基色激光器分别加入光路中，通过分束镜来调节每个激光的强度，三束光通过扩束镜后打到白板上，在白板上使三色光斑重叠，分别得到实验结果如图 所示结果：红蓝黄白；红绿黄；蓝绿青；红蓝品红图 颜色混合结果 同时，通过分束镜来控制每束光的能量，颜色的饱和度，灰度值都将发生变化。计算不同颜色的三刺激值及色度坐标在上述光路中，将红，绿，蓝三颜色的光扩束后分别打到白板上，用 小型光纤光谱仪的探头对准颜色光斑的中心位置，分别得到四种颜色和混合色的光谱函数值，通过 计算其三刺激值和色度坐标如表 所示。通过调整三基色的光通量还可以得到不同颜色的光谱函数，上表具体结果没有一一列出，最后根据实验结果我们绘制得到色品坐标如图 所示，其中红色分别代表图 中、中四种混合色的色品坐标。蓝色的点是通过调整三基色的光通量算出的色品坐标。图 各种不同颜色的色度坐标 第 期刘惠萍，等：颜色混合和三刺激计算综合设计实验表 图 四种颜色的三刺激值及色坐标三刺激值 色坐标 从图中可以看出具有相同色调的颜色由于饱和度不同使其在色度坐标点的位置有了明显的差异。测定不同光源的同一物体颜色三刺激值和色度坐标 按图 光路示意图，分别将高压汞灯和标准光源 为 照 射 光 源 对 准 标 准 色 板，再 将小型光纤光谱仪对准标准色板中的某一色块，测得光谱函数，具体光路和不同光源的光谱光效率函数如图 所示。图 不同光源下物体色变换实验图 具体实验结果如表 所示：表 不同光源下同一物体的三刺激值及色坐标汞灯标准光源三刺激值 三刺激值 色坐标色坐标 从表 可知，同一色块在不同光源的照射下，其三刺激值和色坐标均有不同的变化，验证了物体的颜色除了与该物体本身的光谱反射或透射特性以及观察条件有关外，还和照明的光源光谱功率分布有密切关系。同一物体在不同的光源的照明下可以呈现不同的颜色。结 语颜色科学史一门涉及物理学与心理学的课程，为了加快学生对理论知识的理解，本文设计并验证了相关实验的可行性，通过实验可以加深学生对理论知识的理解，提高综合应用知识的能力，做到理论和实践的完美结合。参考文献：金其伟，王霞辐射度光度与色度及其测量北京：北京理工大学出版社，王翠花，颌录有色度学实验研究大学物理实验，：宋晓亮，苏来曼基于 的色度学实验研究大学物理实验，：廖宁放，石俊生高等色度学北京：北京理工大学出版社，邢爽，张敏 色度学系统在微弧氧化热控涂层中的应用大学物理实验，（）：大 学 物 理 实 验 年 ，（，）：，：；（上接第 页），（，）：，：；第 期刘惠萍，等：颜色混合和三刺激计算综合设计实验