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1、色度测量实验一.实验目的1.掌握色度测量相关概念及原理；2 .了解WSD-IA型色度测量实验装置的工作原理及软件操作界面，并掌握使用方法。3 .掌握反射样品、透射样品的色度测量方法；4 .做其他相关色度测量及应用的拓展性实验研究。二.实验原理(一)、色度学简介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(MaXWelI)、赫姆霍尔兹(HelmhOItZ)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(JU
2、dd)、麦克亚当(Macadam)司梯鲁斯(StiIes)、莱特(Wright)和维泽斯基(WySZeCki)O色度学是研究颜色度量和评价方法的一门学科，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)。外界光刺激一一色感觉一一色知觉是个复杂的过程，它涉及光学、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
3、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
4、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ClE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。随着色度学的发展，它的应用范围越来越广泛，不仅指导着彩色电视机、彩色摄影、彩色印刷、染料、纺织、造纸、交通信号、照明技术等工业行
5、业的生产和军事伪装及识别等领域的工作，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。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，数字图文图像颜色管理系统中对数字化彩色图文信息的获取、处理、传递、显示、复制等过程已成为当今颜色科学与技术领域的发展热点之一。由此可见，色度学的应用范围越来越广，色度学已成为许多相关学科学生的必修课。(一)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
6、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。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QE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
7、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S入的主波长，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S。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。IO0%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
8、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。1931C.I.E色度系统：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
9、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A,工作在色温2856K的铐丝灯；B中午的太阳光；C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，CIE推荐四种标准照明体AzBzCzD,从而建立起ClEl931标准色度系统。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
10、照明和观察条件之一1） 45。/垂直，缩写为45/0：即照明光束与样品表面法线成455的角度观察方向与样品的表面法线的夹角不应超过102） 垂直45。缩写为Oa5。照明光束垂直照射样品表面，其光轴与样品表面法线间的夹角不应超过10,在与法线成45。5。的方向观察样品。3） 漫射/垂直：缩写为dQ,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IO04） 垂直/漫射：缩写为0d,照明光束与样品表面法线的夹角不应超过10。，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。在C.I.E系统中，三个基本颜色被称为
11、“三原色”，而一个颜色使用它的三刺激值表示，三刺激值即为混合某一种颜色时所需的三个三原色的数量，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 + + ZA, + r+z, + r+zX、y、Z分别是红、绿、蓝三原色的比例系数，x+y+z=lo用（C）代表一种颜色，（R）、（G）、（B）表示红、绿、蓝三原色，则Ca)=X(火)+y(G)+Z(B)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）三原色坐标点为顶点，围成的三角形内的所有颜色均可以由三原色按一定的量匹配生成。图1CIE1931色度图如图1任一颜色M（
12、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:AMNM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(),然后再查表找出各光谱的三刺激值x(入)、y(入)、z（八）,则光源的三刺激值为：XKZs()7()YKZs()y()ZKZs()z()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。100K-=Zs(AlM)Aa该样品的色坐标为：XY-T7777 x + y+zzz- TTrTz(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(),然
13、后再查表找出各光谱的三刺激值x(入)、y(入)、z(入)及参考光的功率分布s(),则,X=Z5()T()x()y=ZsT)y)Z=ZsWTz)该样品的色坐标为：XYZX=V=Z=x+y+zx+y+zx+z三、色度测量实验装置的组成以及工作原理1.基本组成WSD-IA型色度测量实验装置如图2,是由光谱仪、电控箱、计算机、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，可直接测量物体色的色度坐标。图2WSD-IA型色度测量实验装置光谱仪部分主要有以下四部分组成(如图3)：单色器、溟铐灯光源、透射样品测量部分和反射样品测量部分。图3光谱仪部分结构图样品机构2工作原理光栅单色仪a.正弦
14、机构：仪器采用如图4所示“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。光栅置于光栅台上，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”。图4正弦机构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，每旋转一周狭缝宽度变化O.5nmc.光学系统S,图5光栅分光系统四.实验内容及步骤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2
15、。（2）样品室置空，调节负高压及狭缝。（3）使用空气做透射基线的测量。（4）放入样品，测量样品的透射率。（5）按照下面图示步骤进行透射样品的测量。WSD-IA色度测量实验装置录住分料率：800X600Tel: 022-88289916Fax： 022-2811391788289917http:/WWWE-mail：tp(g点击进入工作槎式数据系维帮助&打开口保存昌打印B实验国计苴交结果哈宣香窈复位大退出ST 寄存器_2 !寄存器_3 ；寄存器J ：寄存器一5600 620 640 660-工作状态-工作范围工作梗式I起始波长I!最大值其他参数员高压电机SE时 增益I采集次数IZ显示内容样品O样
16、品十基线 O基线O反射率采集间隔II终止波长II最小值工，曜式款据砒母助日打开 口保存 后打印 。实验 国计箕 念结果 23复位 夭退出寄存器I寄存器 2寄存器二3 寄存器 4寄存器-535030025010050- :J- - -J- - J- -；- - - j- -i；- - - - -JL:j0 L-,“，”,，；,，；，,；” ,，,，一,； F, ,，：“ 呷380 400 420 440 460 4S0500 520 540 560 580 600 620 640 60 680 700 720 740 760 780-工作状态-I工作范围工作模式匚 二起始波长I(fl采集间隔,l
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18、集次数L显示内容样品 o样品+基线O基线O反射率工作模式KS鼻婉梨助它打开P保存昌打印Q实验园计算拿结果喳）查看郁复位大退出点击系统，选择传递函数的扫描，选择透射函数点击实验，选择透射样品的测量色度H里实泊装置工作模式数SE系统彗助打开Q保存昌打印Q实验圉计算金结果喷查看豳复位大退出存存罟寄存器_21寄存器_3；寄存给_4；寄存粉.540035030060 680 700 720 740 760 780旧透射样品测量显示内容样品O样品基线O基线O反时章色度则里实沧装专工作蛔as茎货答眈日打开口保存昌打印。实验国计克第i结果喳!查看蠲复位大退出寄存密寄存器.2有存粉_3；寄存粉_4；与存舌.54
19、00350300X步蝶I：选择工作极式,工作模式O反射样品测量60680700720740760780I显示内容寸1样品O样品基线k匚二IO基线O反射率Ilh色度剂里实验装蛋工作模式数据茎统年助G打开口保存昌打印。实聆国计苴金结果脸直看蠲复位大退出,寄存品1函毅虹寻存黑_3寄存叁举寄存54003503000680700720740760780显示内容徉品O样品+基线O基线O反射率输入负高压值和样品编号色度居里实抬装费工作模式数霜嵯将助G打开口保存昌打印Q实晚国计菖金结果骑直看逼复位大退出400350300X步骤2:基线数据采集参数的 ,参考光源采集间隔：。T起始波长：l5Innmt载入基线熟据
20、I采集II下一十I提示，|1。起始波长小于终止豉长2。起蛤波长大于3803终止波长小于780采集信息 区肖采维最大值：区J 负高压：叵8 电机延时：厂 样品编号：画匚保存位置：I寄存羞 I 终止波长：f5I nn 最小值：1I增 益：麻准 I 采集次数：M 日 期：磔15/7/12 Ioo!议在40显示内容-样品o样品基线 O基线O反射率寄存恙寄存器_2寄存器_3；寄存器_4j寄存者_5点击采集，进行透射基线扫描（透射样品池制空）X透射基线曲线扫描;380420460500540580620660700740780I开始H终止波长：|lI数据：|11退出点击开始、色度则里实蛤魂置工作模式数据系
21、统福助信打开H保存昌打印。实就固计算佥结果喷查看麴复位大退出“寄存器寄存器_2寄存器_3 I寄存器_4寄存器-5X步骤2:基线数据采集参数设置参考光源I优源采集间隔：ILO T nm保存位置：I寄存器 I 起始波长：I 终止波长：I所最大值：阿匚负高压：过8 I电机延时：MJ样品编号：阿 I采集I上一步I最小值：忆增 益：I标准采集次数：陋提示1。起始波长小于终止波长2。起始波长大于3803。终止波长小于7804。采懿婢议在4。一一 IoOO次范围IT载入基线数据采集信息I采集完成把待测样品（红色滤色片）放入透射样品池，点击下一步点击采集度别里实蛉装置工作模式数据系统帮助会打开Q俣存昌打印。实
22、验国计苴0结果SS豳复位人退出“寄存粉寄存者_2寄存黑_3 I寄存若_4寄存芸_5工作状态工作模式Ia射窜 I采集i可曷口IL工作范围思始波长38OI最大值KOO I终止波长画二最小值叵二其他参数负高压|118 |电机延时50 I 增益 标淮来集次数瓯P显示内容样品O样品+基线C）S。透射率点击计算工作模式 数套系统帮助400350300250确定-工作状态工作模式逾撑 I果集间隔二I工作范电起始波长38OIe大值KoO I终止波长叵二I最小值匚a打开P保存昌打印实验园计算金结果喳（查看弱夏位大退出*寄存罟寄存器2寄存给3I寄存番4寄存善5数据处理申，清精假。为保证数据正常处理，清不要对计茸机
23、做任何操作!正在计就：上2$（勘：Ta）AUJtW期为Ja）Va立5U）式力以-其他参数一-I显示内容一员高压叵电机也时区二I样品O样品十基线增益亶采集次数叵。基线O透射率色度剂里实酸装置IfmiC数据系统帮助日打开口保存后打印R实验国计国徽结果喷宣香麴复位大遢出*寄存器寄存器_2寄存器_3 ；寄存器_4 ；寄存器_5工作状态工作模式I透射率I呆第间?鬲Ff-工作范围起始波长380I最大值00 I终止豉长画二I最小值 I其他参数负高压叵二!电机迎时50 I 增特庭采隼次劫显示内容样品 o样品+基线O基线O透射军点击确定色度冽里实蛉娈孟计算寄存署寄存苫1工作状态工作慢式遹悻I亲集可曷1I工作范国
24、起始波长圆二最大值400终止波长画二最小值5I其他经数负高压118I电机延时50I增益精准：采集次数2Ir计箕结果1参考先原睁4主要参数色坐标主波长617.949TOIX08830|兴奋纯度I9.068v3i要度炖度I988468I。0351三剌徼值g吃6,Y=28.9,ZR.1；祓则髀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1,若不是把转向杆拨到出缝1上。（2）放入标准白板，调节负高压及狭缝。（3）使用标准白板做反射基线的测量。（4）放入样品，测量样品的反射率。五.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WSDJA型色度测量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。六.实验报告（按科技论文格式撰写）通过色度测量实验，以及课内外相关资料的阅读，对国内外色度测量仪器进行全面的对比，找出国内色度测量仪器仪器的不足与问题，提出改进建议。
