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1、 光信息科学与技术专业实验讲义 色度测量实验一、实验目的建立现代色度学概念；了解色度仪原理，掌握使用方法；掌握反射样品、透射样品色度的测量技术及其计算方法；二、 实验原理（一） 、色度学简介色度学是研究颜色度量和评价方法的一门学科，是颜色科学领域里的一个重要部分。颜色感觉与听觉、嗅觉、味觉等都是外界刺激使人感觉器官产生的感觉。光经过物体反射或透射后刺激人眼，人眼产生了此物体的光亮度和颜色的感觉信息，并将此信息传至大脑中枢，在大脑中将感觉信息进行处理，于是形成了色知觉。人们就可辨认出此物体的明亮程度、颜色类别，颜色纯洁的程度(明度、色调、饱和度)。外界光刺激 色感觉色知觉是个复杂的过程，它涉及光
2、学、光化学、视觉生理、视觉心理等各方面间题，要想度量色知觉量是很复杂的。心理物理学就是研究知觉量与外界刺激量之间关系而发展起来的一门学科。色度学要解决颜色的度量问题首先必须找到外界光刺激与色知觉量之间的对应关系，以便能用对光物理量的测量间接地测得色知觉量，因此应用了心理物理学的方法，通过大量的科学实验，建立了现代色度学。它是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学，也是一门以大量实验为基础的实验性科学。现代色度学初步解决了对颜色作定量描述和测量的问题。描述颜色最简单的方法是用颜色名词。给每种颜色一个固定的名称，并冠以适合的形容词，将这些名词汇编成颜色名词词典，为人们互相
3、交流色知觉信息提供了一种简单、古老的方式，但它不能定量地表示色知觉量。人们还用制作标准色卡的方式来描述颜色，色卡可以有不同分类及排队方式，因而形成了不同的表色系统。例如孟塞尔表色系统，它是按照色知觉的明度、色调及饱和度这三个特征量的大小排队，井按各特征量的差值相同的原则来制作色卡，给每个色卡一定的标号，以此种色卡作为目视测量颜色的标准。用这种系统来测量颜色，在一定条件下反映了人的色知觉量。用心理物理学方法经过大量实验，研究了人眼的视觉规律而建立起来的国际照明协会的 CIE 色度系统，可以用数字量来表示颜色，井可用物理仪器代表人眼来测量颜色。这部分内容是色度学中最基本的内容。用 CIE 色度系统
4、度量的颜色是心理物理量，尚不能完全反映人们的色知觉。色度学这门科学最早开创于牛顿，他引入了颜色环的概念从而开创了建立颜色图的思想，他还提出了颜色混合中用重心原理来确定混合色结果的方法。19 世纪，科学家格拉斯曼(Grassmann)、麦克斯韦(Maxwell)、赫姆霍尔兹(Helmholtz)等对色度学的进一步发展作出了巨大的贡献。奠定现代色度学基础的科学家有吉尔德(GuiId)、贾德(Judd )、麦克亚当(Macadam)、司梯鲁斯(Stiles)、莱特(Wright) 和维泽斯基(Wyszecki)。从 1931 年 CIE 色度学系统建立至今的 50 多年，色度学已取得了巨大的成绩。在
5、工农业生产、科学技术和文化事业等部门色度学得到广泛利用，它的理论指导着彩色电视、彩色摄影和彩色印刷、染料、纺织、造纸、交通信号、照明技术等部门的工作，各色各样的侧色仪器都在产品检验和生产质量控制中获得了广泛应用。（二）色度的基本术语人们根据颜色的外貌，按直观颜色视觉的心理感受，对颜色进行系统的归纳和排列，给以相应的文字描述和数字标记。颜色可以分为彩色和非彩色两大类：非彩色是指白色，黑色和各种深浅不同的灰色。它们构成所谓的黑白系列，研究表明颜色有三种心理特性，分别可以用色调、饱和度、明度来描述。1. 色调表示颜色相互区分的属性。可见光谱中不同波长的光辐射在视觉上表现为不同的色调，如红、绿、蓝和黄
6、等。光源的色调取决于人眼对其辐射的光谱构成产生的感觉；物体的色调则取决于人眼对光源光谱组成和物体表面反射（或透射）的各波长辐射的比例所产生的感觉。2. 饱和度指颜色的纯洁性。可见光谱中各单色光的饱和度最高，当单色光中掺入白光愈多时，则饱和度愈低。3. 明度明度是人眼感觉到颜色的明亮程度。颜色的亮度越高，眼睛就越感觉明亮，即有较高的明度。物体色的黑白系列的非彩色代表物体的光反射率的变化，在视觉上就是明度的变化，愈接近白色，明度愈高。反之，愈接近黑色，明度愈低。（三） CIE1931XYZ 色度系统1. 标准色度观测者光谱三刺激值颜色感觉是由于光辐射源的或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，
7、颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有差异，因此要求根据大量的观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，称为“标准色度观测者光谱三刺激值” ，以此代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。CIE（国际照明委员会）1931 年在 RGB 系统的基础上采用设想的三原色（X） ， （Y） ， （Z） 分别代表红色，绿色和蓝色 ，建立了 CIE1931 色度图，同时将匹配等能光谱各种颜色的三原色数据标准化，确定 CIE1931XYZ 标准色度学系统。三原色不能由其他色混合得
8、到，三原色的波长如下：红：700nm，绿：546.1nm，兰：435.8nm2. CIE1931 色度图CIE1931XYZ 色度系统是色度学基础。任何一种颜色均可以用 CIE1931-XYZ 色度图中它的色度坐标 x,y 和刺激值 Y 来表示。左图为 CIE1931 色度图。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 X0 3101，Y0
9、 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（CSCO ）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。CIE1931 色度
10、图有很大的实用价值，任何颜色，不管是光源色还是表面色，都可以在这个色度图上标定出来，这就使颜色的描述简便而准确了。再如在 CIE1931 色度图上，可推出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。如 Q 和 S 相加，得出 Q 到 S 直线的各种中间颜色，如 T 点，由 C 通过 T 抵达 552nm 的光谱色，可由 552nm 的波长颜色看出 T 的色调，并可由 T 在 C 与 552nm 光谱色之间所占位置看出它的纯度。在实际应用中，如彩色电视、彩色摄影（乳胶处理）或其它颜色复现系统都需要选择适当的红（R） 、绿（G） 、蓝（B ）三基色，用来复现白色和各种颜色。 3. 标准照明体做颜色测量和标
11、定时统一使用标准照明体，不同的光源有不同的光谱功率分布 ，因此在不同的光源照射下物体的表面呈现略为不同的颜色，因此 CIE 推荐四种标准照明体 A,B,C,D 和三种标准光源 A,B,C 4. 统一规定的照明和观察条件做颜色测量和标定时，应符合统一规定的照明和观察条件， 照明和观察条件的不同也会使观察到的颜色有所不同 ，为此 CIE 规定对样品进行色度测量和标定应符合下述四种照明和观察条件之一 1) 450 /垂直 ，缩写为 450 /0 ：即照明光束与样品表面法线成 45050 的角度 观察方向与样品的表面法线的夹角不应超过 100 2) 垂直/45 0 缩写为 0/450 照明光束垂直照射
12、样品表面 ，其光轴与样品表面法线间的夹角不应超过 100，在与法线成 4505 0 的方向观察样品。3) 漫射/垂直： 缩写为 d/0，照明光束与样品表面平行入射，照明光束与样品表面平行入射到积分球内样品被积分球漫射照明， 观察方向与样品表面法线的夹角不应超过 1004) 垂直/漫射： 缩写为 0/d， 照明光束与样品表面法线的夹角不应超过 100，用积分球收集反射通量 ，在与样品表面平行的积分球的另开口处观察 。5 标准光源 ：能发光的物理辐射体，如太阳、灯等，CIE 规定了用标准光源来实现标准照明体的光谱分布。6 主波长 ：一种颜色 S 的主波长，指的是某一种光谱色的波长。 此种光谱色是用
13、某一光谱颜色的一定比例与一个确定的参照光源相混和而匹配出来的颜色。7 兴奋纯度 Pe ：是指主波长的光谱色被白光冲淡后所具有的饱和度。 在 CIE 色度图上用参照光源点到样品色度点的距离与参照光源点到主波长色度点的距离的比例表示 。8 亮度纯度 Pc ：当样品颜色的纯度，即样品色接近同一主波长光谱色的程度，用亮度表示，就称为亮度纯度。 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例，它在 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 A 坐标与样品色坐标的 y 值的比值乘以兴奋纯度来表示。 三 、色度测量实验装置的机构以及工作原理 1 基本组成 WSD-1
14、A 型色度测量实验装置是由光电色度计、电控箱、计算机、打印机组成。该系统集光学、精密机械、电子学、色度学、计算机技术于一体，可直接测量光源色或物体色的三刺激值或色度坐标。2仪器结构及其原理 光电色度计由以下几部分组成：光源球 面 反射 镜 1球 面 反射 镜 2 平 面光 栅出 射 狭缝 3出 射 狭缝 2入 射狭 缝反 射 接 受 单 元积 分 球 机 构透 射 接 受单 元光栅单色仪、光源系统、测反射样品机构、测透射样品机构、接收单元等。（1） 光栅单色仪 正弦机构 仪器采用“正弦机构”进行扫描，精密丝杠由步进电机 驱动 丝杠拖动螺母沿丝杠轴线移动 螺母推动正弦杆 使其绕自身的回转中心转动
15、 光栅至于光栅台上 光栅台与正弦杆连接 光栅台的回转中心 通过正弦杆的回转中心 从而带动光栅转动 使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成 扫描 b.双出缝机构 仪器采用双出缝机构 使得做透射测量或反射测量时能方便地操作狭缝为直狭缝 宽度范围 0-2.5mm 连续可调 顺时针旋转为狭缝宽度加大 反之减小 色度测量实验步骤一、 反射物体的色度测量1、开机（计算机、光源、光电倍增管负高压） ；2、确定入缝大小、负高压值（根据推荐数据） ，出缝转向开关，做波长复位（菜单中“复位”按钮）3、测反射传递函数（菜单中“系统”-“维护”-“反射传递函数” ，密码“tuopu” ） ，此时样品池中不放反射体；
16、测得的曲线应为一不完全为零得曲线；4、开始实验（菜单中“实验”按钮） ，先做反射基线测量，反射样品池中放入标准白板，更换样板时光电倍增管负高压降为零，换好后再恢复；测得曲线不得太低，也不得饱和，可调狭缝，完成后点击“下一步” ，测样品曲线测量，完成，5、计算（菜单中“计算”按钮） ；6、查看结果（菜单中“结果”按钮）7、保存目录：例如 D色度实验文件反射红 1127；8、打印结果二、 透射物体的色度测量1、移光电接收单元至出缝 2，确定入缝大小、负高压值（根据推荐数据） ，调整出缝转向开关，2、其余步骤与反射类似，测透射基线测量时透射样品池空；三、 实验结束移光电接收单元至出缝 1，光电倍增管负高压降为零，关机（计算机、光源、光电倍增管负高压） ，整理样品盒，清理环境；反 射 传 递 函 数0510
