反射光色度实验的研究.docx

反射光色度实验的研究 摘 要：针对光学色度实验的开设，本文就反射光色度 实验的内容提出了新的实验方案，并给出了依据此方案所 获得的实验数据及结果分析。 关 键 词：色度分析；反射光色度实验；实验方案 引言 在现今的实际生产生活中，颜色测量已成为评价人们 生活的氛围、评定产品质量的重要依据和手段。色度分析 实验开设的目的，就是为了让学生了解并掌握有着广泛应 用的测色原理及色度分析的基本知识、步骤和方法，目前 我校近代物理实验室中所用的色度实验装置，可对标准 A 光源光线经物质反射或透射后的谱线成分含量的变化进行 测量，并对反射光或透射光的色度进行分析。该实验开设 时，实验内容一般为对反射光或透射光颜色的测量、说明 和比较或者以光测量过程为主进行色度分析计算，显得比 较单一，学生会觉得单调、乏味，学到的东西有限，而繁 琐的分析计算虽然可以让学生对色度分析过程了解得更为 透彻，但这些已经可以通过电脑软件完成，学生有所了解 就可以了，最重要的应该是让学生会思考、会分析、会应 用。考虑到以上情况，本人针对拓展色度实验的内容进行 了新的实验尝试，应用于教学时应该可以达到一定效果. 1色度原理简介 1.1 色度学的两个实验结论 通过大量的有关人眼对颜色的实验，可总结出两个基 本的实验事实：一个是颜色的三基色原理，即任何颜色都 可以用不多于三种的合适的单色光按一定比例混合得到， 这三种单色光一般选取 R、G、B 三色；另一个是配色原理， 即颜色的加法和减法法则，加法法则是指在人眼的观察下， 颜色的混合满足相加关系，而减法法则是指混合各种比例 的绘画颜料或染料时的混色规律。 1.2 颜色的测量和表示 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，1931 年国际照明委员会规 定了一套标准色度系统，称为 1931CIE 标准色度系统。本 校所用色度实验装置采用的表色系统是 1931CIEXYZ 系统， 实验时通过光谱仪、接收器和电控箱对反射光信息进行采 集并输入电脑，然后可直接在电脑上由配套软件用 CIE1931 色度图进行分析，最后在说明反射光颜色时，可通过计算 所得主波长、饱和纯度、色度纯度和色度坐标来表示。主 波长决定反射光的色调，指的是该色光光谱成分中最占优 势的某一种光谱色的波长；饱和纯度也称为色纯度，代表 反射光所呈现颜色的深浅或纯洁程度；色度纯度是指主波 长的光谱色在样品中所占亮度的比例；色度坐标决定反射 光颜色在色度图中位置，在色度图上可反映出色调和饱和 度1。 2反射光色度测量及分析 2.1 三基色纸板反射光色度分析及实验结果与日常经 验差异的分析思考 对溴钨灯光在红、绿、蓝三种颜色纸板上的反射率进 行采集测量如图 1 所示。 图中 a 曲线表示蓝色纸板反射率；b 曲线表示绿色纸板 反射率；c 曲线表示红色纸板反射率。 对反射光的色度用 CIE 1931 色度图分析可得结果如表 1 所示。 表 1. 红绿蓝纸板反射光色度分析结果 纸板颜色 主波长 饱和纯度(%) 色度纯度(%) 红 619.9 45.7 39.0 绿 504.5 11.6 17.1 蓝 483.7 39.3 22.3 图 1. 红绿蓝纸板反射率测量曲线 由图线和色度分析结果可知：红色纸板对波长大于 570nm 的光波的反射率较高，也就是说红色纸板对波长小于 570nm 的谱线成分吸收较强，其反射光主波长为 619.9nm， 色调属橙红色，颜色纯度一般，应该为偏浅的橙红色光； 绿色纸板对波长在 480nm570nm 范围内的光谱线成分反射 率较高，其反射光主波长为 504.5nm，色调属绿色，颜色纯 度比较低，应该为很浅的绿光；而蓝色纸板对波长小于 570nm 的谱线成分反射率较高，其反射光主波长为 483.7nm，色调属蓝绿色，颜色纯度偏低，应该为较浅的蓝 绿色光2。 此测量结果与我们的日常经验是基本吻合的，我们平 时看到的红色纸板，之所以认为它是红色，就是因为其反 射光为红色，绿色、蓝色纸板也是同样的道理。但结果和 经验也有差异，结果分析出三种颜色纸板上的反射光颜色 均较浅，可是人眼观察时三个纸板颜色并不浅，原因为何 呢？这主要是因为光谱仪的反射测量装置中采用了积分球。 在采集反射光时，纸板表面上方任意方向的反射光基本上 都会经由积分球的内表面反射后进入接受器，也就是说反 射光的色度分析结果反映的是对各方向反射光综合分析的 颜色结果。而人眼在观察某个纸板颜色时，颜色是和观察 的角度、位置息息相关的，因为不同方向上的反射光光谱 成分及能量都会有所不同，所以摄入人眼的反射光仅能反 映物体颜色的某方向上的一部分信息，这就造成了色度分 析结果和人眼观察结果之间的差异。 2.2 对配色原理的验证分析 彩色可以用不同比例的三基色光相加得到，此称为相 加混色。实验中我们可以通过颜色拼板的反射光色度分析 来验证相加混色原理。把红色和绿色纸板做成红绿色拼板， 红色及绿色纸板反射光情况已在前面分析过，红绿拼板反 射光应为前两种反射光的混合，经过色度分析后反射率曲 线如图 2 所示。 图 2. 红绿拼板反射率测量曲线 红绿拼板反射光主波长为 602.6nm，色调属橙黄色，饱 和纯度为 12.5，色度纯度为 11.3，可以看出颜色纯度 较低，应该为较浅的橙黄色光。配色原理的加法原理中有 “红绿黄”的规律，以上拼板反射光色度分析结果就 是对该规律的验证。 除此以外，彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染 料来配出，此称为相减混色，主要用于美术、印刷和纺织 等。颜料能吸收入射光光谱中的某些成分，使未吸收的部 分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色；当不同比例的 颜料混合在一起的时候，吸收光谱的成分也随之改变，从 而得到不同的彩色。 实验中我们可通过颜料混合调色涂于纸片上后，对纸 片反射光进行色度分析来对相减混色原理进行验证。由相 减原理中“白绿红蓝”规律可知，蓝色颜料所涂的 纸板为什么会显示蓝色，那是因为蓝色颜料中的成分能有 效地吸收入射白光中的红绿谱线成分，而使得反射光中谱 线以蓝色调谱线为主。白色颜料对各种颜色谱线吸收都较 少，反射光中各种谱线成分比例变化很小，所以以白光入 射的话，反射光仍呈现白色。如果把蓝色和白色颜料混合 的话，反射光中应该仍以蓝色调谱线为主，只是其他色光 反射率由于混入了白色颜料会比只有纯蓝色颜料时更高些， 也因此会使得反射光的饱和纯度及色度纯度降低。 把蓝色和白色颜料按不同比例混合后分别涂于纸片上， 然后对纸片反射光分别进行色度分析，反射率曲线如图 3 所示。 图 3. 不同比例颜料纸板反射率测量曲线 由反射率曲线可以看出，随着白色颜料比例的增加， 各种波长谱线反射率均有所上升，但波长较短蓝色调谱线 反射率仍然较高，波长较长绿色调及红色调谱线相应被吸 收较多。 白色颜料比例增加对应反射光色度参数的变化如表 2 所示： 表 2. 不同比例颜料纸板反射光色度分析结果 白颜料比例 低 高 反射率曲线 a b c d e f g 主波长(nm) 475.2 483.9 484.2 486.3 487.9 488.9 489.9 饱和纯度(%) 37.1 36.9 35.2 31.6 30.6 28.8 26.0 色度纯度(%) 23.7 21.8 21.5 21.4 21.3 21.2 20.2 由表中数据可以看出，反射光色调仍在蓝色范围内， 只是主波长有微小变化，另外饱和纯度和色度纯度都在减 小。以上结论与减法原理中的规律能够较好地吻合，可以 进行验证。 3结束语 从以上实验结果分析可以看出，通过对反射光的色度 分析，可以了解到关于反射光谱的基本信息。反射光色度 实验中可以让学生自行拼色、配色制成色板，并对其反射 光进行色度分析，既有趣味性，又可以加深他们对配色原 理的