色度学实验.doc

色度学实验颜色科学在彩色显示、印刷、纺织以及摄影美术行业的作用是巨大的。人眼对物体色彩的视觉感受涉及到物理学（物体的自发光、透射光或反射光形成颜色刺激）、生理学（感光细胞响应与传输，颜色刺激转变为神经信号）、心理学（颜色感知的响应）等等方面。我们所说的色度学是对颜色刺激进行物理测量、数学计算并定量评价的学科，它不涉及神经响应、传输及颜色感知。国际上颜色的定量表述有多种系统，如用色卡表述的孟塞尔表色系统、国际照明委员会推荐的CIE表色系统等，各系统之间一定条件下可以转换。本实验主要介绍常用的CIE表色系统，它是基于加色法混色系统发展而来的。一、 实验目的：1 了解色度学的基本知识。2 初步掌握颜色相加混合与相减混合及颜色匹配等方法。3 掌握颜色定量测量与表述方法。二、 实验原理：1 三色加法混合与RGB表色系统中色度坐标的确定在如图1所示的颜色匹配实验中，利用红R、绿G、蓝B三原色混合匹配颜色 C时，可表示为 图1 色匹配实验方法白色板待测光色光CRGB观察者眼 C=RR+GG+BB （1）式式中R、G、B为原刺激（如取R=700.0nm，G=546.1nm，B=435.8nm），其与基础刺激（等能光谱白光）相匹配时的光度量LR、LG、LB称为色度学单位。R、G、B分别为匹配色光 C时R、G、B的数量，若匹配 C时R、G、B的光度量分别为PR、PG、PB，则R=PR/LR、G=PG/LG、B=PB/LB，R、G、B称为三刺激值，对于基础刺激（等能光谱白光）有R=G=B=1实验表明颜色匹配遵循以下两个法则（格拉斯曼法则）：比例法则：若C1= C2，则C1= C2加法法则：若C1= C2、C3= C4，则C1+ C3= C2+ C4，C1+ C4= C2+ C3显然色光增减、合成时的表述与通常的数学式子完全等价。我们可以对一定辐射功率（1W）、波长为的单色刺激C进行匹配可得出： 是该单色光的光谱三刺激值，称为色匹配系数，作为波长的函数得到的称为色匹配函数。当某光刺激的光谱功率分布函数P()已知时，各单色光、带宽d处的功率为P() d，在格拉斯曼法则指导下，该光刺激的三刺激值可以由下式来求出： （2）式值得注意的是色匹配函数是在色匹配实验的基础上确定的，它与原刺激、基础刺激的选取有关，原刺激、基础刺激改变色匹配函数也会改变。为直观表示三刺激值，可以建一个如图2所示的三维直角坐标系，以R、G、B作为轴的单位向量，那么由三刺激值确定的向量可以代表颜色刺激C，更简化一点，可以选取该向量与单位平面R+G+B=1的交点（r+g+b=1）在RG平面的垂直投影点（r,g）来表示色C，r、g、b可由下式求得： （3）式（r，g）称为色C的色度坐标，将色度坐标表示在平面上的图形为色度图（如图3），C色度坐标标在色度图上可得到色度点。由色度坐标所确定的颜色C的物理性质称为C的色度。 图3 500490510480520470530540570560580550590600r700g6100.40.8-0.8-0.4-1.21.20.40.82.01.6E1.2450400图3 RGB色度系统的rg色度图 图2 色C的三维表示与平面表示B(1,0,0)gGR(0,0,1)(0,1,0)rrggrr+g=1.01.01.0C(R,G,B)C 在色度图上r、g会为负，原因是当 C处于三原色围成的三角形色域外面时，需要将一种原色如红色加到被匹配色中，而用其余两原色进行匹配，这样（1）式中的R为变为负值。另外色度图上由单色光的色度坐标连接所成的曲线为单色光轨迹，它与下面的紫红轨迹直线围成的区域涵盖了所有可能的色度坐标点，而其外部的色虽在数学上是可能的，但在实际上是不存在的，称其为虚色，图中的E点r=g=1/3为等能光谱白光的色坐标点。2 CIE1931XYZ色度系统及颜色的主波长、兴奋纯度为避免色匹配函数中的负值在理解、计算中的不利影响，同时满足一些特殊的色匹配函数数据上的要求，国际照明委员会（Commission International de Iclairage，简称CIE）在1931年选取了三个虚色X、Y、Z作为原刺激，得到了XYZ色度系统，称为CIE1931标准色度系统（2度视场视场的大小反映色匹配实验中参与响应的中央凹周围感光细胞的多少，CIE还规定有10度视场的CIE1964XYZ色度系统），其对于等能光谱白光的色匹配函数为，且根据特殊的规定，三刺激函数中的Y正好表示了光度量。RGB色度系统中的三刺激值R、G、B与CIE1931标准色度系统中的三刺激值X、Y、Z可以按一定的数学关系式进行换算，同样色度坐标r、g、b与x、y、z间也可相互转换。当我们要求某色刺激()的三刺激值时，可以参照RGB色度系统中的做法，由下式来计算得出： （其中k为常数） （4）式式中的()根据实际测量对象的不同可做如下选取：对于发光光源色()= P()，对于物体反射色()= P() R()，对于物体透射色()= P()T()，其中P()为光源（照明光源）的光谱功率分布函数，R()为反射物体的光谱反射率函数，T()为透射物体的光谱透过率函数。（4）式中的常数k的选择是使完全漫反射面（R()=1）的三刺激值Y=100，即。 对透射色和反射色R()、 T()一般小于1，则Y100，它与物体色的明度或亮度大致相关。由三刺激值X、Y、Z可得到XYZ色度系统的色度坐标： （5）式显然，在求色度坐标（x，y）时（4）式中的常数k会消去，因此实际测量计算时可以不必考虑k的大小，同时也不需要测出光源的绝对光谱功率分布，只需知道光源相对光谱功率分布即可。 CIE1931色度图色度学在描述某一色刺激时，可以给出该色刺激的色度坐标，在CIE1931色度图（图4）上标出色度点，除此之外为进一步表述该颜色的色彩属性，还可以按下述方法给出颜色的主波长（反映彩色的色调）与兴奋纯度（反映色纯度的大小）。图4中E(x=y=1/3)是等能白光色坐标点，A（x=0.4476，y=0.4075）是A标准光源色坐标点（溴钨灯近似为A光源）。任一颜色C（x,y）的色调是由其照明光源坐标点（如A点）到C点连线并延长后与光谱轨迹相交于D点的光谱色的色调所决定，D点单色光谱的波长称为色C的主波长。色C的兴奋纯度为，表示色C与单色刺激D接近的程度。当AC连线无法与光谱色轨迹相交而是交与紫红线（紫红线上各点代表的色为混合色，不是单色光）时，反向延长该连线以与光谱轨迹相交可得到P点，P点的单色光谱波长称为C色的补色主波长，它表示由色P与色C可以混合得到色A，此时C的兴奋纯度为，求Pe时基于提高计算精度考虑应取x式与y式中分母数值较大的为宜。3 红绿蓝的补色与减法混色由于用红、绿、蓝三基色能混合产生其围合三角形内的所有颜色，所以用白光依次减去三基色的补色（称为减法三基色，即黄=白-蓝、品=白-绿、青=白-红）进行混合也能产生这些颜色。即：黄+品+青=(白-蓝)+(白-红)+(白-绿)=白-(红+绿+蓝)=白-任意颜色=任意颜色的补色。不过此种混合是通过减法三基色滤色片重叠来实现的（一般只用两色滤色片），改变减法基色（黄、品、青）滤色片的密度，就能改变透过的白光中红、绿、蓝光的通量。各基色滤色片密度大时可吸收较多的红、绿、蓝光，则黄、品、青三色光的颜色较浓；密度小时，吸收较少的红、绿、蓝光，则黄、品、青三色光的颜色较淡（这也是扩印彩色照片时矫正偏色的方法）。实验中的缺憾是各色滤色片只有一块，无法在实验中做到改变各基色滤色片的密度。三、 实验仪器1三色合成实验仪仪器包括三色合成仪和辅助光源两部分，三色合成仪中有三个相互独立的光路，其中光路1、3可绕竖直轴转动，光路2可绕水平轴转动。通过移动光斑就可以获得图5的图形。光源为溴钨灯，它是CIE推荐的A标准光源，溴钨灯发出的光经集光镜会聚在滤色片上，再由镜头成像在屏上，通过调节镜头的焦距，可在1米到8米的范围内成像。滤色片为镀膜滤色片。颜色有红、绿、蓝、黄、品、青六种。光栏为可调光栏，通过调整光栏（圈），可以改变三色光的亮度，从而改变合成色的色度。该套仪器还配有照度计用来测量光源照度。2光栅单色仪及计算机数据采集系统光栅单色仪及计算机数据采集系统主要用来定量测量光源的光谱分布、滤色片的光谱透过率等。配套的光源有溴钨灯，光强测量采用电子倍增管，溴钨灯的供电电源模块、电子倍增管的负高压供电电源模块与输出放大数显模块集中在一个仪器盒内。整套仪器的使用可参考教室内的仪器说明书与软件操作说明书。另外实验室提供低压Hg灯及电源用以标定光栅单色仪，并作为被测光源测其色度坐标。四、 实验内容与步骤1 用三色合成仪进行颜色相加及相减合成实验1）验证颜色相加混合规律。两色相加混合实验时在光路1和2中分别放入红、蓝滤色片，转动光路使两色光斑在屏上重合，这时在屏上产生中间色品红，减小光路1中的光栏使红色亮度减少，屏幕上的色调偏向蓝色。三色相加混合将红、绿、蓝三个滤色片分别放在三个光路中，调整三个光栏，改变三个光斑的位置，使三色圆斑部分重叠。图5是仪器将三色光两两重叠相加混合的结果。同时也可观察到三基色及其相应的补色。红、绿、蓝三基色相加混合生成任意颜色或与某给定颜色C相匹配，并计算其色度坐标。调整三个光路，先在屏上合成或匹配某颜色C，在混合色的中心点上分别测三路白光（去掉滤色片）的照度Ei，并用单色仪测三个滤色片的透过率Ti()（波段380780nm，间隔取5nm或10nm）。从附表查出色匹配函数及照明光源的相对光谱功率分布S()值，由（6）式求出合成色的三刺激值，再由（5）式计算色度坐标。最后在CIE1931色度图上标出色坐标点，指出合成色的色调，并计算其兴奋纯度（仪器光源的色坐标近似为x=0.4476,y=0.4075）。图5 三色相加混合图6 用红、绿、蓝匹配生成某给定颜色 （6）式2）验证三原色的补色与颜色相减、验证黄、品、青滤色片所吸收的颜色。任选一光路，在放置滤色片的位置放入品、黄、青中的两个滤色片，打开光源，使光穿过滤色片投影到屏幕上，根据实验原理，在屏幕上得到的分别是什么颜色？将等密度的黄、品、青同时放入，在屏幕上得到的又是什么颜色？根据色度图加以解释。将三原色滤色片之一与补色滤色片之一放入同一光路中，观察结果是什么？ 试验所有组合，并对结果加以解释。2 用光栅单色仪测量红绿蓝各滤色片的光强透过率1） 单色仪外光路的调整为减少杂散光的影响、充分发挥单色仪的色散性能，应使聚焦在入射狭缝上的入射光（如图7）正好充满仪器内的离轴抛物镜进而充满分光光栅，有效利用所有光栅刻线以提高分辩率，因此应在测量数据前调整单色仪外光路的共轴,并选择好聚光透镜的(透光直径为a)位置使得图7 单色仪外光路要求示意图单色仪 离轴抛物镜内光路 （准直镜）入射狭缝xf=500mm光源聚光透镜 式中D/f是单色仪相对孔径比，查仪器说明书可得其值为1/6.7。2）单色仪波长精度及波长重复性检查狭缝开启宽度0.1mm或以下，狭缝光栏高度10mm.用低压汞灯作为光源，使用汞灯的435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm等谱线作为标准谱线。单色仪位于本机（手动）工作方式，由低到高单向改变波长，当光电倍增管输出显示值最大时，记录波长显示值。三次测定上述谱线，观察测定值与标准值是否一致，三次测定结果是否一致。若检查结果表明显示值（测定值）与标准值相差一固定值，则在测量时应修正此示值系统误差。3）单色仪位于计算机（自动）工作状态，测一连续光源（如溴钨灯）经聚光、单色仪实验系统后的光强随波长的分布，再测光路中（聚光透镜与狭缝之间）分别加入红、绿、蓝三个滤色片后光强随波长的分布，即可得到三个滤色片的透过率Ti(l)（任务1中用）。3 用光栅单色仪测待测光源（低压汞灯或其他）的色度坐标1） 测量实验系统的光强透过率由于从光源发光到最后由电子倍增管输出与光强有关的电压量，其经过的各个器件如透镜（透过率）、单色仪（光栅衍射效率）、电子倍增管（响应）都对其光强大小有调制作用，因此我们要对整个测量系统的光强透过率进行测定。测定的关键是需要一个光谱功率分布（或相对分布）已知的标准光源。具体做法是测标准光源发出的光S经测量系统后的响应S，可得到测量系统的光强透过率为。由于严格意义上的标准光源要求苛刻且难以长期保持，实验中选择溴钨灯作为近似A标准光源（灯丝电流在可调范围内取中间值）2） 测量待测光源所发出的光P经测量系统后的响应P(测量线谱光源时波长间隔取1nm或更小)，则待测光源光谱功率分布可由下式求得： （7）式3）最后由（4）、（5）式可以求得待测光源的色度坐标，并由坐标点可得到其主波长、兴奋纯度。4.颜色匹配实验把两套三色合成仪拼在一起（其中一套只用一路光源作为辅助光源）可以进行以下颜色匹配实验：1）用红、绿、蓝匹配生成某给定颜色C（匹配、测定反射样品的颜色）如图8、9所示。 将待测色固定在屏上，将半月形光拦拧到一个未放滤色片的框上，将其放入到辅助光源中，打开光源开关，使其照亮待测色。 将半月形光拦分别拧到红、绿、蓝三个滤色片保护框上，将它们分别放入三色合成仪的三个光路中，打开光源开关，使照射到屏上的三个半月形光区域尽量重合 调节三色合成仪和辅助光源各光路的光圈，直到观察到待测色与红、绿、蓝相加混合色在视觉上相同为止。可以参照任务1、1）中的计算混合色的色坐标。图8待测色在色度图中位于由红、绿、蓝三基色连线所围成的三角形内，则待测色可由红、绿、蓝混合相加得到。图9待测色在色度图中位于由红、绿、蓝三基色连线所围成的三角形外，则应根据实际情况选择某个基