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色度学测量实验
班级：09光信2班 实验人：董婷婷 学号09330049 组别：A15
合作人：林小琦 郭洪斌
一．实验目的
1.了解色度学的基本原理。
2.熟悉WSG-9型色度实验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。
二．实验原理
色度学是—门研究彩色计量的科学，其任务在于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，黑灰白以外的所有颜色均为彩色系列，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，其波长范围从380~780nm之间。彩色有三个特性即明度、色调、色纯度（也称为饱和纯度saturation）。
明度（又称亮度纯度）：是指一种主波长的光谱色被白光冲淡的程度，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，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（也称主波长）：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所反射光的光谱成分。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有优势，而其它成分被吸收掉了。对于透射光，其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定。色调又称主波长，一种颜色Sλ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，能匹配出颜色Sλ。
色纯度（也称为饱和纯度、饱和度）：饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。因而饱和度是色光纯度的反映。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。色调与饱和度又合称为色度，它即说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。
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。
1931 C.I.E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。实验证明不同观察者的视觉特性多少是有差别的，但是具有正常颜色视觉的人此差异是不大的，故有可能根据一些观察者进行的颜色匹配实验，将他们的实验数据加以平均，确定一组匹配等能光谱色所需的三原色数据。此数据称为“标准色度观察者光谱三刺激值”，以次来代表人眼的平均颜色视觉特性。当时，不少科学工作者进行了这类实验，但是由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法不一致，因而数据无法统一。1931年在美国剑桥举行的CIE第8次会议上，统一了上述实验结果，提出CIE标准色度观察者和色度坐标系统，并规定了三种标准光源（光源SA，工作在色温2856K的钨丝灯；SB中午的太阳光；SBC全日平均太阳光），并对测量反射面的照明观测条件进行了标准化，从而建立起CIE 1931标准色度系统。
在C.I.E系统中，三个基本颜色被称为“基础激励”，而一个颜色使用它的三色激励值（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。在理论上，为了定量地表示颜色，采用平面直角色度坐标：

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

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（R）、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均可以由三基色按一定的量匹配生成。

图1 CIE 1931 色度图
如图1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主波长（或补色波长）， M的饱和纯度：

M的色度纯度

为测量某光源（发光体）的色坐标，必须先测量其光谱组成的功率分布s(λ)，然后再查表找出各光谱的三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)，则光源的三刺激值为：

式中K为调整因数，它是将发光体的Y值调整为100时得到的值。

该样品的色坐标为：

(2) 为测量某透射或反射样品的色坐标，必须先测量其样品的透射或反射曲线T（λ），然后再查表找出各光谱的三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)及参考光的功率分布s(λ)，则,

该样品的色坐标为：

三．实验仪器——WGS-9色度学实验系统
1，硬件基本组成
WGS－9型色度实验系统如图2，由光谱仪、电控箱和计算机三大部分组成。

图2 WGS-9 型色度实验系统
光谱仪部分主要有以下四部分组成（如图3）：单色器、溴钨灯光源、透射样品测量部分和反射样品测量部分。

图3 光谱仪部分结构图
2，软件功能介绍从略（参照说明书）
四．实验内容
1.透射样品的测量
（1）在开机的情况下，检查是否使用的是出缝1。
（2）样品室置空，调节负高压及狭缝，使测量到的反射基线位置较高，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）。
（3）在上面确定的条件不变的情况下，做透射基线。
（4）放入三基色滤光片，测量透射率。
（5）打开“色度计算”窗口，选择寄存器和参照光源后，计算该样品在参照光源下的色度坐标及其它参数。
2.反射样品的测量
（1）在开机的情况下，检查是否使用的是出缝2，若不是把转向镜拨到出缝2上。
（2）放入标准白板，调节负高压及狭缝，使测量到的透射基线位置较高，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）。
（3）在上面确定的条件不变的情况下，使用标准白板做反射基线。
（4）放入样品，测量样品的反射率。
（5）打开“色度计算”窗口，选择寄存器和参照光源后，计算该样品在参照光源下的色度坐标及其它参数。
最后要求采用分步计算方式重复上述计算，熟悉色度计算的方法。
五．实验记录与数据处理
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：

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。

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：

图6 红样品透射率曲线

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

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：

图8 绿样品透射曲线

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

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：

图10 蓝样品透射曲线

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

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：

图13 反射基线

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

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。

六．实验总结
1．了解色度学的基本原理。明白了明度，色度，色纯度等相关的专业名词。
2．熟悉了WSG-9型色度实验仪的实验装置及软件操作。
3．掌握了用透射或反射的方法测量样品的主波长、纯度、色坐标等色度学量。通过软件也了解了如何进行分步色度计算。