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色度学实验
色度学这门科学最早开创于牛顿，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。
在人们眼中所反映出的颜色，不单取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成份有着直接的关系，因此在人眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。色度学就是研究人的这种颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学，它以物理光学为基础，但是和物理光学又是不同的，是一门主观的科学，以人类的平均感觉为基础，以色光对于人眼的刺激强度来量度，因此色度学是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性学科，也是一门以大量实验为基础的实验性科学。
随着色度学的发展，它被广泛的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，同时也被广泛的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可以反映沉积物的组份，从而能够间接的推测出当初的沉积的环境。
[实验目的]
1． 了解色度学的基本参数。
2． 初步掌握颜色加色、减色、补色的原理以及颜色混色的方法。
3． 了解1931CIE标准表色系统。
4． 学习使用透射和反射的方法定量测量物体的颜色。
[实验原理]
1． 色度学基本知识
彩色视觉是一种主观感觉，是人眼的—种明视觉，彩色光的基本参数有：明亮度、色调和饱和度。
明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。
色调反映颜色的类别，如红色、绿色、黄色等。彩色物体的色调取决于在光照明下物体所反射光的光谱成份。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，而其它成份被吸收掉了。对于透射光，其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定。
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，变成低饱和度的彩色光。因而饱和度是彩色光纯度的反映，100%饱和度的彩色光就代表完全没有混入白光的纯色光。
色调与饱和度合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。
2． 三基色与混色原理
实验发现，人眼的视觉响应取决于红、绿、蓝三分量的代数和，即它们的比例决定了彩色视觉，而其亮度在数量上等于三基色的总和。由于人眼的这一特性，就有可能在色度学中应用代数法则。因此，红、绿、蓝三色被称为三基色，又称三原色。为标准化起见，国际照明委员会(CIE)作了统一规定，选水银特征谱中波长为 546.1 nm的绿光为绿基色光；波长为 435.8nm的蓝光为蓝基色光；另外，以700nm的红光为红基色光。它们之间相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生，同时它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由三原色按不同的比例组合而得到，如图1所示。
其中，红＋绿＝黄，红＋蓝＝紫（品），蓝＋绿＝青，红＋蓝＋绿＝白。

图1 混色色图
由于用红、绿、蓝三基色能混合产生其所围成的三角形内的所有颜色，而且用白光依次减去三基色的补色（称为减法三基色，即黄=白-蓝、品=白-绿、青=白-红）进行混合也能产生这些颜色，即：
黄+品+青=(白-蓝)+(白-红)+(白-绿)=白-(红+绿+蓝)=白-任意颜色=任意颜色的补色。
3、颜色测量及其仪器
人类的眼睛其实就是最古老的颜色测量工具，人眼可以对颜色的微小差别有很敏锐的判断力，但是人眼的测量带有很多的主观性，存在着一定的缺陷。CIE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，可以通过测量颜色的三刺激值X、Y、Z在平面直角色度坐标加以表示，从而确定颜色。目前比较常用的是1931CIE标准表色系统，具体参考附录。
颜色测量仪器就是通过一定的途径测量颜色的三刺激值的仪器，根据获得三刺激的方式，测色仪器分为两类：分光测色仪器和色度计。分光测色仪器利用标准照明体，测量物体的反射光谱和透射光谱，通过积分计算球得颜色的三刺激值。色度计和分光测色仪不同，它就像人眼的视觉系统，通过直接测得与颜色的三刺激值成比例的仪器相应数值，直接换算出颜色的三刺激值。
[实验仪器]
在实验中使用的是分光测色仪器（WSD-1A型色度仪），WSD-1A型色度仪实验装置如图2所示：

图2 色度实验装置图
图3 单色仪内部光路结构图
其中，单色仪的结构如上图3所示，光源发出的光束射入入射狭缝S1，S1位于球面反射镜M1的焦平面上。通过S1射入的光束经M1反射成平行光束投向平面光栅G上，光栅表面有着细密的刻纹，它的作用与棱镜类似，都可以将一束混合平行光分解成出射角不同的各路单色光。经G衍射后的平行单色光束经球面反射镜M2反射后成像在出射狭缝S2或S3上。如果依次改变光栅的角度，则出射的像点也会跟着移动， 这样相应波长的光就会依次射出狭缝，根据平面光栅单色仪的分光原理就可以测量单一波长的光强度。
[预习要点]
1、了解表示彩色光的基本参数
2、三元色混色原理
3、1931CIE标准表色系统
4、单色仪的分光原理
[实验内容]
1、 颜色相加合成实验
根据红、绿、蓝三基色相加混合可以生成任意颜色的原理，在实验中利用三色滤色片（红色、绿色、黄色），分别测量它们的色度坐标，验证混色原理（红＋绿＝黄）。
2、 物体颜色的测量
使用色度仪和标准A光源，利用透射和反射的方法，测量晶体和未知色板的颜色。
[注意事项]
1、在调节过程中，光电倍增管的负高压要小于1000V,而且在更换样品和接收装置的时候，负高压一定要置“零”，否则光电倍增管将被击穿；
2、在测量过程中，需要调节入射狭缝和出射狭缝的宽度，以及负高压以得到合适的信号（基线比较大，又没有溢出）；
3、在测量过程中注意更换拨杆的位置；
4、关机前，波长要复位，负高压要置零；
[实验步骤]
1、打开计算机主机，检查桌面上的应用程序“ WSD-1A型色度”。
2、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，进入应用程序。
3、 检查拨杆的位置，让拨杆指向出射狭缝S2，光电接收装置在透射出口。
4、 进入程序中设定的“透射样品测量模式”（见使用说明书P10-11），分别测量红色、绿色和黄色滤色片的色度坐标，记录数据；
5、 进入程序中设定的“颜色混合程序”计算红、绿混合色的颜色。
6、 进入程序中的设定的“透射样品测量模式”测量晶体的颜色，记录色度坐标，主波长，饱和纯度和色度纯度。
7、 更换光电接收装置到反射出口，改变拨杆位置到出射狭缝S1 ；
8、 进入程序中的设定的“反射样品测量模式”（使用说明书P11-12）测量色板的颜色，记录色度坐标，主波长，饱和纯度和色度纯度。
[数据处理]
1、 记录红色和绿色的色坐标，以及混色色坐标，并和黄色色坐标进行比较讨论。
颜色
主波长
（nm）
x
y
负高压
（V）
入射狭缝（mm）
出射狭缝
(mm)
红色

绿色

黄色

红色+绿色

2、 给出晶体和色板的主波长和纯度。
样品
主波长
（nm）
饱和纯度
（兴奋纯度）
色度纯度
（亮度纯度）
负高压
（V）
入射狭缝
（mm）
出射狭缝
（mm）
反射样 品

透射样 品

[思考题]
1、 测量反射样品和透射样品有何不同？
2、 为什么测量到的颜色和我们看到的颜色有些不同？
[参考资料]
1、竺子民，《光电图象处理》，华中科技大学出版社，2000年9月
2、汤顺青，《色度学》，北京理工大学出版社，1990年 2月

[附录]
1931CIE标准表色系统
人眼可以感受某一波长范围（380-780nm）光线的颜色和强度，正是由于眼睛可以感知颜色，所以在我们眼里整个世界才变得色彩斑斓，丰富多彩。在人们眼中所反映出的颜色，不单取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系，因此在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。我们这里的色度学只涉及对颜色刺激进行物理测量、数学计算并定量评价，它不涉及神经响应、传输及颜色感知等内容。
国际上颜色的定量表述有多种系统，比如用色卡表述的孟塞尔表色系统，国际照明委员会推荐的CIE表色系统等，各系统之间一定条件下可以转换。这里主要介绍的是国际上通用的1931CIE标准表色系统，它是基于加色法混色系统发展而来的。由于每个人的视觉并不是完全一样的，即使在正常视觉的群体中间，也有一定的差别。目前，在色度学上为国际所引用的数据，是在许多正常视觉人群中观测得来的数据的基础上得出的平均结果。就技术应用理论上来说，已具备足够的代表性和可靠的准确性。
为了在理论上定量的表示颜色，通常采用平面直角色度坐标来加以表示：其中X，Y，Z为三刺激值，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，在图中以红（ 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。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，则N 点光谱色的色调，即为颜色M 的主波长（或补色波长），如图4 所示。

图4 CIE1931色品图
则M点的饱和纯度为：，
M点的色度纯度为：--
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)，然后再查表找出单个光谱的三刺激值，则光源的三刺激值为：

其中k为调整因数，它是将发光体的Y值调整到100的时候得到的值，由三刺激值X、Y、Z，可得到发光光源在XYZ色度系统的色度坐标为：

为了测量某透射或者反射样品的色坐标，必须先测量其样品的透射（T(λ)）或者反射（R(λ)）函数，然后根据发光光源的功率分布s(λ)，就可以计算出样品的三刺激值：
或者
然后就可以通过色刺激值得到样品在XYZ色度系统的色度坐标。
显然，在求色度坐标（x，y）时式中的常数k会消去，因此实际测量计算时可以不必考虑k的大小，同时也不需要测出光源的绝对光谱功率分布，只需知道光源相对光谱功率分布即可。