色度测量和计算

课时：3学时

教材：补充讲义与仪器说明书

简介：

色度学是研究光源或经光源照射后物体透、反射的学科称为色度学。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，目的是对人眼能观察到的颜色进行定量测量。在纺织、印染、印刷、计量、电视、照相等许多行业及领域有着广泛的应用。

实验重点：色度的定义、色度的测量与计算

难点：色度的计算

教学目的：

1．掌握色度学的一些基本原理。

2．了解色度的测量和计算方法。

3．熟悉WGS-9型色度实验装置的使用方法。

教学方法：讲授法和讨论法

实验要求：

在规定课时内学生独立完成实验，数据记录客观真实，图表清晰规范，养成良好的实验习惯，课前预习，记录反射和透射样品的色度，计算理论值，课后撰写实验报告。

实验仪器：WGS-9型色度仪

实验原理：

（一）色度学原理

1．术语介绍

1931 C.I.E系统：　物体颜色的定量是复杂的，它涉及到观察者的视觉生理，视觉心理及照明条件，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，成为CIE标准色度系统。本系统是近代色度学的基础组成部分，它是一种混色系统，是基于每一种颜色都能用三个选定的原色按适当比例混合而成的基本事实建立起来的。

三刺激值：　在C.I.E系统中，为混合某一种颜色时所需的三个基本颜色（即原色）的数量

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，能匹配出颜色。

色纯度是指样品的颜色同主波长光谱色接近的程度。色纯度有兴奋纯度和色度纯度两种表示法。

兴奋纯度：　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。一种颜色的兴奋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CIE色度图上无法表示出来。

色度纯度：当样品颜色的纯度用亮度的比例来表示时称为色度纯度，它是指主波长的光谱色在样品中所占亮度的比重。

标准光源：　能发光的物理辐射体，如灯、太阳。CIE规定了“标准光源”来实现标准照明体的光谱分布。

标准照明体：指特定的光谱分布，这样的光谱分布不一定能用一个具体的光源来实现。CIE“标准照明体”是由相对光谱分布来定义的，以表格的函数形式给出。 

2．色度学基础

自然界中所有的颜色分黑白和彩色两个系列，黑灰白以外的所有颜色均为彩色系列，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，其波长范围从380~780nm之间。彩色有三个特性，即明度、色调、饱和度。

1931年CIE指定在色度测量中使用的三种标准（照明）光源，工作在色温2856K的钨丝灯；中午的太阳光；全日平均太阳光。

在说明一样品的颜色时，要指出三种基本颜色（即原色）的相对含量，就是说，把这三种颜色加在一起时，刚好与在三种标准光源之一照明下样品的颜色一样。

在CIE系统中，三个基本颜色被称为“基础激励”，而一个颜色使用它的三色激励值（又称为三刺激值）表示的。三个基础激励ｘ，ｙ，ｚ相应于红（Ｒ）、绿（Ｇ）、蓝（Ｂ）。这三者却不是真正的颜色。他们只不过是说，任何颜色可以用数量的ｘ，数量的ｙ，数量的ｚ混合起来加以说明。例如　560nm的纯光谱色，在单位辐射通量时，看起来等价于组合而成的混合色，这里、、是三色激励值。

在理论上为了定量表示颜色，采用平面直角色度坐标

其中X，Y，Z为三刺激值，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、绿、蓝三基色坐标为顶点，围成的三角形内的所有颜色均可以由三基色按一定的量匹配生成。

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点的光谱色调，即为主波长（或补色波长），则M的饱和纯度

M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，然后再查表找出各光谱的三刺激值，则光源的三刺激值为，

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。

色坐标为，

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，然后再查表找出各光谱的三刺激值及参考光的功率分布，则

该样品的色坐标为，

（二）实验原理

色度测量通常有两种方法：通过测量反射率求色度和通过测量透射率求色度。在实验中一般利用积分球来测量物体的反射率，积分球照明或积分球探测的主要优点是这种测量几乎与样品表面结构无关。这一点对许多纺织品和纸张的测量特别有用，因为他们的毛面和光面有显著的差别。积分求几何条件可用作测量样品的漫反射或全反射特性。

基本组成：  WGS-9型色度实验系统，由光栅单色仪（光谱仪），接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学，精密机械，电子学，计算机技术于一体。各部分之间的连接如下图：

仪器结构与软件使用：参考说明书P4~P6，P13~P24（其中重点看7.2.1和7.2.7）。

实验内容和步骤：

（一）实验内容

1．测量透射样品的色度：

在参数设置区，将电机延时定为10ms，采集次数定为300次。

a．测量空气的透过率曲线，定出透射基数。

b．分别放入三种滤光片，测量其透射率曲线，并计算它的色度坐标。

c．利用色度坐标，根据CIE 1931色度图求出该样品的主波长，并与计算机计算所得值进行比较，求出误差。

2．测量反射样品的色度

在参数设置区，将电机延时定为10ms，采集次数定为300次。

d．在反射样品池中放入标准白板，定出反射基线。

e．取出白板，放入待测样品，测量其反射率曲线，并计算它的色度坐标。

注意：实验时应在参数设置区选择相应的工作模式，有透过率，反射率，发光体，透射基线，反射基线等5个选项，选择不同的工作模式进行不同方式的测量，在做透过率或反射率时，要先做相应的基线。光源是工作在色温2856K的钨丝灯，所以选择标准A光源。

（二）实验步骤

1．开仪器电源及光源。

启动计算机并启动控制软件。

2．透射样品的测量方法

1）在开机的情况下，选择出射狭缝1。

2）每次扫描测量透射基线和样品透射率之前，都必须初始化光谱仪中光栅的位置。

3）样品池置空，调节负高压（约为300V）及狭缝，使测量到的透射基线比较大（一般在20%~40%），但信号又没溢出（此步骤可能要反复做几遍才能得到理想的结果）。

4）上面确定的条件不变的情况下，做透射基线。

5）放入三基色滤光片，测量透射率。

6）打开“色度计算”窗口，选择寄存器和参照光源后，计算该样品在参照光源下的色度坐标及其它参数。

在更换样品时若没有改变电机延时和采集次数，则不需要重测透射基线

	透射基线		红	绿	蓝
电机延时：10ms       采集次数：30
色度纯度
饱和纯度
主波长理论
主波长测量
误差（%）
色坐标
X
Y
Z

3．反射样品的测量方法

注意：将PMT移到测量样品反射率的位置，移动时不要关闭电源，PMT的电压调到0V。

7）在开机的情况下，选择出射狭缝2。

8）每次扫描测量反射基线和样品反射率之前，都必须初始化光谱仪中光栅的位置。

9）放入标准白板，调节负高压（450V左右）及狭缝，使测量到的反射基线比较大（一般在20%~40%），但信号又没溢出（此步骤可能要反复做几遍才能得到理想的结果）。

10）上面确定的条件不变的情况下，使用标准白板做反射基线。

11）放入样品1（蓝色纸片），测量样品的反射率。

12）打开“色度计算”窗口，选择寄存器和参照光源后，计算该样品在参照光源下的色度坐标及其它参数，填入下表中。

13）更换采集次数，换样品2（红色纸片），测量它的反射率和其他参数，填入下表中。

注意：每次测量时，接收器的位置！

实验数据：参见实验步骤的数据记录表格

注意事项：

1. 测量结束后，先把样品取出，切断电源。

2. 投射样品和反射样品测量切换时,要注意光电倍增管的电压先调到0,然后再切换,否则易使得光电倍增管产生损毁。

3. 保持室内清洁。

参考书目

1、《色度学》，汤顺清主编。

2、《色度学》，荆其城等编著。