实验报告色度学(中大)

实验报告：色度学测量

中山大学 光信

一、 色度学相关概念解释：

1）色度学主要是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，黑白以外的所有颜色均为彩色系列，其波长范为在380~780nm 之间。彩色有三个特性，即明度、色调、色纯度（也成为饱和度）

2）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。在计算时，用样品的主波长的y 坐标与样品色坐标的y 值的差值乘以兴奋纯度来表示。

3）色调（也称主波长）：反映颜色的类别。彩色物体的色调决定与在光照明下反射光的光谱

成分。对于透射光，其色调由透射光的波长分布或光谱决定。色调又称主波长，一种颜色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，能匹配出该颜色。

4）色纯度（也称饱和纯度、饱和度）：饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。

对于统一色调的彩色光，饱和度越高，颜色越深；反之颜色越浅。饱和度实际上表征了掺入白光的多少。色调与饱和度合称色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。

5）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。

6）1931 C.I.E 系统：是国际照明委员会为统一对物体颜色的度量效果而制定的一套标准色度

系统。在C.I.E 系统中，三个基本颜色被称为“基础激励”，一个颜色 使用的的三色激励值（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。理论上为了定量地表示颜色，采用平面直角色度坐标：

Z Y X X x ++= Z Y X Y y ++= Z

Y X Z z ++= （1） 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

)()()()(B z G y R x C ++=λ （2）

所有光谱色在色坐标上为一马蹄形曲线，该图称为CIE1931色坐标，图中以三基色为顶点的三角形内的所有颜色都能用三基色按一定量匹配得到。

如图一，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为主波长，则：

M 的饱和纯度：

A

n A m x x x x AN AM P --==

（3） M 的色度纯度： m n A m x x x x MN AM M --==

（4）

二、实验仪器简介：

WGS-9型色度实验系统如图二所示，由光谱仪、电控箱和计算机三部分组成。

光谱仪主要由以下四部分组成（如图三）：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。

三、实验过程及数据记录

1、开启仪器：熟悉仪器后开机，打开测量软件。观察实验系统，发现使用的是出缝1，于

是先测量透射样品。

2、测量透射基线：对应的样品室，选择“透射基线”模式。调节负高压为250V，第一次

测量时透射基线溢出，而后调整出缝的缝宽，直至得到下面图像。

<图1：透射基线>

3. 测量透射样品（三基色滤光片）：

把三种基色滤光片依次放入出缝1中，对应的样品室，选择“透射率”模式。

Red

Green

Blue

<图2：三基色光片的透射曲线>

实验分析：图2的曲线表明蓝色滤光片在400~450nm这个波段透过率最高，而这个波段正是属于蓝色波段；在575~675nm这一波段透过率基本为零，这个波段属于黄色和红色波段，而蓝色的补色为黄色。红色滤光片对400~515nm波段吸收很强，此波段属于蓝色系，而红色的补色是青色；对600~700nm这个波段透过率很高，该波段为红色系。而520nm附近透过率最高的波段属于绿色系；对620nm~700nm的波段吸收很强。可见实验结果与理论相符。

打开“色度计算”窗口，得到的计算结果如图3-5：

图6蓝色滤光片色度计算结果

可知，主波长为474.0nm，属于蓝色；饱和纯度为91.3%，颜色较深；色度纯度为67.3%；色坐标分别为：x=0.1420 y=0.1082 z=0.7498，与标准值x=0.1434, y=0.1111相比，有一定偏差。

<图4红色滤光片色度计算结果>

由图中可知，该红色滤光片的主波长为612.2nm，属于红色系；饱和度和色度纯度均为100%，说明是很纯很深的红色；色坐标为：x=0.6724, y=0.3273，z=0.0002，与标准值x=0.6653, y=0.3344相比有一定偏差。

<图5绿色滤光片色度计算结果>

由上图可知，该绿色滤光片的主波长为537.3nm，饱和纯度为46.9%，色度纯度为62.5%，色坐标为x=0.3363, y=0.5772，z=0.0865，与标准值x=0.3542, y=0.5490相比有一定的偏差。

3、测量标准白板的反射基线：

标准白板放入与出缝2。对应的样品室，选择“反射基线”模式。调节负高压为600V，入缝宽度为1.80mm和出缝宽度为1.70mm，反射基线溢出.（注意：出缝宽度必须小于入缝宽度）。

最终调节负高压为500V, 入缝宽度为1.60mm和出缝宽度为1.50mm，反射基线合适。如图6所示：

<图6 反射基线>

4、测量黄色纸片的反射率曲线：

从样品室中拿出标准白板，放入待测样品（黄色不透明纸片）。选择“反射率模式”，采集数据，如图7所示：

<图7黄色不透明纸片反射率>

<图8黄色不透明纸片的色度计算>

x=0.4813，y=0.4220，z=0.0967,波长：585.6nm；饱和纯度：33.4%；色度纯度：35.7% 易得x+y+z=1，可见样品颜色中所包含的三基色主要是红色和绿色，蓝色较少，而我们已知红色+绿色=黄色，说明实验结果与理论是相符的。

5、测量红色盒盖的反射率曲线：

从样品室中拿出标准白板，放入待测样品（黄色不透明纸片）。选择“反射率模式”，采集数据，如图9所示：

<图9：红色盒盖的反射率曲线>

<图10：红色盒盖的色度计算>

x=0.5244，y=0.3806，z=0.0950；

主波长：611.5nm ；饱和纯度：34.5%；色度纯度：29.9%

6、备注：

打开“分步”计算窗口，观察色度计算的过程。整个过程共分六步，其理论计算为： 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：

()()X K s x λλλλ=∆∑ ()()Y K s y λλλλ=∆∑ ()()Z K s z λ

λλλ=∆∑ 其中，100()()K S y λ

λλλ

=∆∑ 则样品的色坐标为： X x X Y Z =++ Y y X Y Z =++ Z z X Y Z

=++ 饱和纯度为m A n A x x AM P AN x x -=

=- 色度纯度为m A n m x x AM P MN x x -==-