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1、这里是大三年级理学院除了混沌综合实验之外所有的实验报告，一共好像是 17 个，这是我大三一 年的报告，之前物理实验中心的所有老师问我要 了一份电子版，所以下载这份报告的同学记得不 要用原有的数据以及复制粘贴，不然老师一看就 知道你是 copy 的 希望对学弟学妹有用，O(_)O 谢谢12近 代 物 理 实 验 报 告实验：用光栅光谱仪测量物体的色度值姓名陈亮 学号070721 班内序号34 指导教师杨胡江老师 实验时间 10 年 03 月 11 日 成绩 一、实验目的1了解并掌握测色原理；2了解1931 CIExy色度图的作用；3计算滤色镜的色度值。二、实验仪器名称光栅光谱仪，钠光灯，钨灯，发
2、光二极管，滤色片。三、实验原理和操作步骤1.实验原理研究光源或经光源照射后物体透、反射颜色的学科称为色度学。这是一门有着广泛应 用的学科，目的是对人眼能观察到的颜色进行定量的测量。无论是在 纺织、印染、印刷、 染料、涂料、塑料、食品、油漆、建筑等行业，还是在计量、医学、电视、电影、照相、 环境美化、交通讯号、产品鉴定以及遥感、信息处理和空间光学等各个领域，都离不开对 颜色的测量和研究。色度学本身涉及到物理、生理及心理等领域的知识，是一门交叉性很 强的边缘学科。为了把“颜色”这个经过生理及心理等因素加工后的生物物理量变 换到 客观的纯物理量而能使用光学仪器对色光进行测量，以消除那些因人而异，含混
3、不清的颜 色表达方式，需要经过大量的科学实验，将感性认识上升到理性阶段，再去指导人们对颜 色的正确测量。我们知道，对颜色的描写一般是使用色调、饱和度和明度这三个物理量。色调是颜色 的主要标志量，是各颜色之间相互区别的重要参数。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫以及其 它的一些混合色名均是因色调的不同而加以区分，饱和度是指颜色的纯洁程度。可见光谱 中的单色光最纯。如果单色光中混杂白光后，其纯度将会下降。明度是指物体的透、反射 程度对光源来讲。即相当于它的亮度。实验表明，人眼对相同强度、不同波长的光照射引起的反应是不同的，这包括色调和 明度光谱引起人眼球的色调感觉为白色，称为等能白。在可见光范围，太阳光的
4、光谱近似 等能光谱，我们可以把人眼看成是一个把光的客观物理量转变到生理和心理反应的转换 器，从这个观点出发，就必须找出有普遍意义的转换规律。把两种颜色调整到视觉相同的 过程称作颜色匹配，它是利用色光加色法来实现的。图1中左方是一块白屏，上方为红光R、绿光G、蓝光B 三原色光，下方为任意待配色光C，三原色光照射白屏的上半部，待配色光照射白屏幕的下半部，白屏上下用一黑屏隔开，白屏的反射光通过小孔射到观察者的眼中，观察者眼中看到的视场如图右下方所示， 视场范围在2左右，被分成两部分。图右上方还有一束光，照在小孔周围的白版上，使视 场周围有一圈均匀色光做为背景。颜色匹配实验通过独立调节上方三原色光的强
5、度混合完 成，当视场中的两部分色光相同时，视场中的分界线消失，两部分视场合为同一视场，此 时认为待配色光的光色与三原色光的混合光色达到色匹配。图1颜色匹配实验大量的实验证明，使用R、G、B三原色的不同配比就可以匹配出可见光中各种不同光色。 国际照明委员会规定R、G、B三原色的波长分别为700.0nm、546.1nm、435.8nm。在颜色匹 配实验中，当这三原色光的相对亮度比例为1.0000：4.5907：0.0601时就能匹配出等能白光， CIE选取这一比例作为红、绿、蓝三原色的各自单位量，分别记为（R）、（G）、（B），即等能 白光时（R）：（G）：（B）=1：1：1，即在色光加色法中红、
6、绿、蓝三原色光等份量混合结 果为白光。显然，当（R）、（G）、（B）不等份时，混合的结果为色光，颜色匹配可用颜色 方程表示：C = R(R) + G(G) + B(B)(3.1)式中C表示待配色光，（R）、（G）、（B）代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位量.R、 G、B分别为匹配待配色所需要的红、绿、蓝三原色单位量的份数，这个份数被称为颜色刺 激值，C的数值表示相对亮度。因为当红、绿、蓝三原色单位量已定的条件下，对某一色光来说R、G、B 的各分量大小是唯一的，所以我们可以用R、G、B构成一个色度空间，而 C是色度空间的一个点.又因为红、绿、蓝三原色的单位化只是一个比例关系，可相差一个 比例
7、常数，所以C的坐标不用R、G、B直接表示，而是用在总量中占的比例，即R、G、B的相对大小来表示。如果色光是单一波长的光，那么匹配所得到的份数就是这个单色光的刺激值。如果波 长遍及可见光范围，则得到刺激值按波长的变化，这个变化称为光谱三刺激值。它反映了 人眼对光-色转换按波长变化的规律，这是眼色定量的基础。CIE-RGB光谱三刺激值是317 位正常视觉者，用CIE规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从380nm到780nm所进行 的专门性颜色混合匹配实验得到的。实验时，匹配光谱每一波长为的等能光谱色所对应的 红、绿、蓝三原色数量，称为CIE-RGB光谱三刺激值，记为r()、g()、b()。它是
8、CIE在 对等光谱色进行匹配时用 来表示红、绿、蓝三原色的专用符号因此，匹配某波长的等 能光谱色C()的颜色方程为：C() =(R) + (G) + (B)(3.2)下面我们继续介绍明视光谱效率函数 V ()，明视觉光谱效率函数是指在明视觉条件下 用等能光谱色照射时，亮度随波长变化的相对关系，它反映人眼对光的亮度感觉。式(3.2) 中C ()在数值上表示等能光谱色的相对亮度，就是 V()。如图2所示，其中最大值为 C (555nm)。图2 明视觉光谱效率函数 V ()接下来是色度坐标的概念，在颜色匹配实验中，为了表示R、G、B三原色各自在R+G+B 总量中的相对比例，引入r、g、b：r =g
9、=b =RR + G + BGR + G + BBR + G + B(3.3)r、g、b称为色度坐标，从上式可知r+g+b=1。以上便是 1931CIE-RGB 真 实 三原色表色系统的相关内容。下 面我们来介绍 1931CIE-XYZ标准色度系统。从上面对1931CIE-RGB真实三原色表色系统的介绍我们可以 看到，RGB真实三原色表色系统在实际应用中十分不便，因此CIE推荐了一个新的国际色 度学系统1931CIE-XYZ系统，又称为XYZ国际坐制。它是通过对R、G、B三刺激值进行坐 标转换完成的。其转换关系如式(3.4)所示： X = 0.409R + 0.310G + 0.200BY =
10、 0.177R + 0.812G + 0.011BZ = 0.010R + 0.990G(3.4)对应的光谱三刺激值记为x( )、y( )、z( )。其中y( )曲线被调整到恰好等于明视觉光谱光效率函数V ()。因而用y()曲线还可以用来计算一个色光的亮度特性。x()、y()、z()按波长的变化如图3所示：图3CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值同样，在XYZ标准色度系统中，色度坐标也用三原色各自在 ( X + Y + Z ) 总量中的相对 比例来表示。除颜色的明度可直接由Y表示外，其余的三个色度坐标分别为:x =X y =z =X + Y + ZYX + Y + ZZX + Y + Z
11、(3.5)由于(x + y + z = 1)，故色度坐标一般只选用x、y即可。在颜色匹配实验中所得到的R、G、B的量值称为颜色三刺激值。在XYZ标准色度系统 中就是X、Y、Z。考虑到色光迭加原理，显然X、Y、Z分别为x()、y()、z( )三条曲线下 所包含的三块面积。综上所述，任何颜色的光都可以被分解为三个对人眼的眼色刺激值X、 Y、Z。至此，包括光源眼色，物体的透反射眼色等等自然界所能观察到任何颜色均能由Y、 x、y这三个参数来表征，其中x、y表示了色调、饱和度，而Y表示了明度。把上述的规律归纳起来，可以集中地表示1931 CIE-xy色度图中，如图4所示：图4 1931 CIE-xy色度
12、图色度图的x坐标相当于红原色的比例，y坐标相当于绿原色的比例。因为z = 1 (x + y)， 则蓝原色的比例就无需给出。图中的偏马蹄形曲线是光谱轨迹。连接400nm与700nm的直 线是可见光谱色中所没有的紫红色，它是由光谱两端的红和紫色混合后得到的非光谱色。 凡是偏马蹄形曲线内部的所有坐标点（包括这条封闭曲线本身）都是物理上能够实现的颜 色。2.实验内容1测量钨灯的光谱（380660nm）。2测量不同发光二极管的光谱图。 四、实验数据处理与讨论 1光谱仪的校准为了准确的通过光谱仪进行测量，我们必须对光谱仪进行校准。在实验中，我们采用 钠光源进行校准。我们知道，由于电子的自旋磁矩和轨道磁矩的
13、相互作用，钠光源有双线 结构，分别是589.592nm和588.995nm，这是实验得到的精准值。我们通过光谱仪分析钠光 源的光谱图，可以测得对应的双线波长，通过比较就可以对光谱仪测量的坐标轴进行校准。在实验中我们调整光谱仪的狭缝调整至0.15mm，并调整扫描范围为550nm到600nm， 以0.02nm为扫描间隔，获得的纳光源光谱图如图5所示（处理时取580nm到598nm）,可以得 到，两个极大分别为589.06nm和589.56nm，和标准值相差很小，因此不用进行坐标轴平移。 至此，光谱仪校验完毕。图5钠光灯的光谱图2测量钨光灯的光谱图光谱仪调校完毕后，更换光源为钨光灯，其他设置不变，将
14、扫描范围调整至380nm到 660nm，扫描间隔调整至0.10nm，测量得到钨光灯的光谱图，之后加入透明滤色片，按照 同样的方法，测量得到滤色片的透过率，并在一张坐标纸上作出钨灯的光谱图和红色滤色 片透过率曲线，如图6所示，可以观察到，在添加红色滤色片之后，可以看到，高频部分几 乎全部被吸收，而低频部分，则完全透过，在600nm后又一段透射率上升的很快，这和其 颜色有密切的关系，即其透过红色附件的波长成分（低频）而滤去高频波长成分。图6钨光灯的光谱图及滤色片透过率曲线3测量光电二极管的光谱图 将光源换为LED灯，扫描范围修改为400nm到660nm，扫描间隔0.10nm其他参数不变，对6个不同
15、色 彩的LED灯的光谱图进行测量，在测量过程中，适当的调节了高压，以使得 各个颜色的LED灯，其峰值大致相等，并绘制在一张坐标纸上（此时纵坐标失去其作用， 我们的目的是观察其峰值位置），可以得到LED灯的光谱图如图3所示。由图7我们可以观察 到，LED灯的单色性实际并不是很好，所有颜色的LED灯都有着很宽一段的波长范围，但其峰值随颜色的变化而不一，其强度也受波长的影响（在图中无法体现，但在测量中可以得到），且白色LED的波长范围最宽。图7LED灯的光谱图4绘制 1931 CIE-XY 色度图根据实验室提供的数据，绘制1931 CIE-xy色度图。实验室得到的单色光在色度图中的 坐标如表1所示：表1 单色光在
