色度学实验探究 毕业论文.doc
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1、 毕 业 论 文题 目: 色度学实验探究 学 院: 物理与电子工程学院 专 业: 物理学 毕业年限: 2012年 学生姓名: 学 号: 指导教师: 色度学实验探究 摘要:本文概述了色度学的相关概念及其应用,设计实验并制定了颜色相加、相减的规律及任意复色光与汞灯的色坐标、色调、色饱和度的测量及三原色滤色片的透过滤测定等实验内容。并实践了研究复色光所用到的精确算法与粗略算法。关键词:色度学;色坐标;三刺激值引言:在人们的生活中,每天都会接触到各种颜色,而颜色是什么,它怎样标定,却不是一个简单的问题。近代科学技术和生产技术的发展更迫切的提出了这个问题,大约80年以前,科学家开始研究这个问题,并逐渐形
2、成了一门新兴的学科色度学。色度学是一门涉及物理光学,视觉生理,视觉心理,心理物理等交叉研究领域的学科,正是由于色度学的建立,人们就可以用统一的标准,对颜色做定量的描述和控制。色度学最早起源于牛顿的色散理论,随着色度学的发展,它被广泛地应用到了工业生产当中,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、照明技术等领域的工作,同时也被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也可以反映出沉积物的组分,从而能够间接地推测出当初的沉积环境。1931CIE标准表色系统的建立为人们客观地测量物体的
3、颜色奠定了基础,在实验中就可以通过仪器测量颜色的三刺激值X、Y、Z,然后将颜色点在平面直角色度坐标加以表示,从而给出颜色。本文针对色度学实验所涉及到的实验仪器,基本原理及相关术语进行整理,并设计了相关实验,验证了颜色相加和相减原理,用精确算法和粗略算法计算了任一颜色和汞灯的色度坐标,初步完成了对颜色的标定和测量。1 实验仪器介绍本实验所用仪器主要有TCCI型三色合成仪、WDM13光栅单色仪、光电接收装置和微电流计、高压汞灯、镀膜滤色片、照度计、CIE1931色度图等,如图1所示:三色合成仪高压汞灯照度计CIE1931色度图微电流计滤色片光电池光栅单色仪图1 色度学实验装置图 1.1 三色合成仪
4、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和3可绕竖直轴转动,光路2可绕水平轴转动(如图2所示)。转动轴便可以是三路光源交汇。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到滤色片上,再由灯头成像在屏上,通过调节镜头的焦距,可由0.8米到8米的范围内清晰成像。滤色片为镀膜滤色片,颜色有红,绿,蓝,黄,品,青六种。 图2三色合成仪仪器原理图光栏为可调光栏,通过调节光栏,可改变三原色的亮度,从而改变合成色的色度。该套仪器还配有照度计来测量光源照度。1.2 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
5、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。2实验相关术语2.1颜色颜色可分为彩色和非彩色两大类,颜色是彩色和非彩色的总称。非彩色是指白色,黑色和各种深浅不同的灰色,它们可以排列成一个系列,由白渐渐到灰,渐渐到中灰,再到深灰,直到黑色,叫做白黑系列。2.2彩色的特性彩色由三种特性,明度,色调,饱和度。明度:明度是人眼对物体的明亮感觉,受视觉感受
6、性的过去经验的影响。一般,明度的变化相应于亮度的变化。当物体表面或光源的亮度愈高,人感觉到的明度也高。但明度与亮度是彼此独立的两个变量。通常亮度随照明强度的增加而增加,是对一般照度等级大小的感觉。明度是非孤立色、相关色的一种属性。有其他刺激或环境影响存在时,就产生明度感觉。明度通常包含对比的含义,是一种颜色光亮度与另一种颜色(或周围环境)的光亮度互相比较时引起的某种感觉。色调:色调是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱不同波长的辐射在视觉上表现为各种色调,如红、橙、黄、绿、蓝等。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射的各波长辐射的比例对人眼
7、所产生的感觉。在所有的色调中,发现只有四种色调不能由其它色调混合出来,它们称为单色调:单色调红、单色调黄、单色调绿、单色调蓝。人们观察到有颜色的色调均可看作是由四对单色调色混合得到的:单色红和单色黄、单色黄和单色绿、单色绿和单色蓝、单色蓝和单色红。饱和度:饱和度是指彩色的纯洁性。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分愈多时,就愈不饱和。物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段的反射率很高,而对其它波长的反射率很低或没有反射,表明它有很高的光谱选择性,这一颜色的饱和度就高。红色的光谱反射率曲线比棕红色和黄褐色有更高的选择性,所以有更高的饱和
8、度。愈饱和的颜色愈和灰色不相同。非彩色只有明度的差别、而没有色调和饱和度这两种特性。2.3三基色三基色是这样的三种颜色,它们相互独立,其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的,即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两种基色系统,一种是加色系统,其基色是红、绿、蓝;另一种是减色系统,其三基色是黄、青、紫(或品红)。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色,其规律为: 红绿黄红蓝紫蓝绿青 红蓝绿白2.4 颜色匹配把两个颜色调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配。待测光的光色可以通过调节三种原色光的强度来混合形成,当视场中两部分光色相同时,视场中的分界限消失,两部分和为同一视
9、场(如图3所示)。此时认为待测光的光色与三原色的混合光色达到色匹配。2.5三刺激值不同的待测光达到匹配时三原色光强度值不同。三原色亦称参照色刺激.最常用得是红、绿、蓝三原色。在颜色匹配实验中,与待测色达到色匹配时所需的三原色的数量,称为三刺激值。可用方程表示为:C(C)=R(R)+G(G)+B(B)一种颜色与一组R、G、B数值相对应。因此颜色感觉可以通过三刺激值来定量描述。图3 颜色匹配实验一种波长的单色光对应一组三刺激值。若将个单色光的辐射能量值都保持相同则得到的三刺激值称为光谱三刺激值。三刺激值可由下面公式计算: (1) 2.6 滤色片的透过率光照射到物体上后,部分被反射,部分被吸收,部分
10、透过。因此在太阳光照射下,不同物体呈现出不同颜色。透明体的颜色主要由透过的光谱组成决定。图4为匀透明物体的透射原理图,其中I0()为射到第一面的单色光辅通量(实验中I均为微电流计测得的光电流),I1()为从第一面进入物体的辅通量,I2()为到第二面的辅通量I3()为第二面射出的辅通量则:光谱透射比:(透射率T()()= I3()/ I0()内光谱透射比为:i()= I2()/ I1() 吸收度为: A()=-i() 吸收系数为: a()= A()/d吸收度也称为密度,常用D表示,式中d为物体厚度。各向同性的均匀透明体遵守朗伯律: i()=0i()d/d0I0()I1()I2()I3()式中d和
11、d0分别为新厚度和原始厚度;i()和0i ()为它们对应的内光谱透射比。由朗伯定律,只要知道物体某一厚度时的光谱内透射比就可以求得任意厚度时的光谱内透射比。光谱透射比可由光谱内透射比和物体表面的反射损失求出来,近似表示为:图4 均匀透明物体透射原理图 为物体表面的光谱反射比,可用费涅耳定律求得,n1, n2为两种介质的折率。光谱透射比、内光谱透射比、吸收度和吸收系数都是波长的函数,不同的物体有不同的函数形式。空气是一种理想的透明体,在整个可见光波段内的光谱透射比均为1,因此空气被用来作为其它透明体光谱透射比测量的参照标准。2.7色度坐标在色度学中,我们并不直接用三原色的数量(及R,G,B的刺激
12、值)来表示颜色,而采用三原色各自在R+G+B总量中的相对比例来表示颜色,三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色度坐标,某一特定颜色的色度坐标r,g,b为(即求出待测光的三刺激值就能求的计算出色度坐标): (2)由于r+g+b=1,所以只用r和g即可表示一个颜色,某一特定颜色(C)的方程可写作:(C) =r(R)+g(G)+b(B) (3)若待配色为等能光谱色,则上式可写为: (4)式中为光谱色品坐标。2.8 CIE1931标准色度学系统国际照明委员会(简称CIE)规定了一套标准色度系统,称为CIE标准色度系统。这套系统是基于每种颜色都能用三个选定的原色按适当比例混合而成的事实建立起来的。
13、任意色光都是由单色光组成的,因此根据单色光的光谱三刺激值,利用混色原理就可求出该色光的三刺激值。为直观表示三刺激值,可以建一个如图5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(R) (G)平面的垂直投影点(r,g)来表示色(C),r、g、b可由式(2)求得,由于,(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6所示),(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) 图5 色C的三
14、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图6 RGB色度系统的rg色度图的色度。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(3)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。CIEXYZ系统是在RGB系统的基础上建立的
15、,在CIEXYZ系统中是用相等数量的三原色刺激值匹配出等能白E来定各原色刺激值单位的。经坐标转换可求得XYZ系统和RGB系统三刺激值之间的转换关系式:X=2.76859R+1.7517G+1.1302BY=1.0000R+4.5907G+0.0601B (5)Z=0+0.0565G+5.5943B 故可直接用光谱三刺激值对求得光谱色在XY坐标系统中的各坐标值,将光谱色的坐标点连成马蹄形曲线,此曲线称为CIEx、y色品图的光谱轨迹如图7所示:图7 CIE1931色坐标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) (6) 式中的()根据实际
16、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。(6)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: (7)显然,在求色度坐标(x,y)时(6)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
17、光谱功率分布,只需知道光源相对光谱功率分布即可。3 实验内容3.1验证颜色相加的规律两色相加混合在三色合成仪的光路1和2中分别放入红、蓝滤色片,转动光路使两色光斑屏上重合,这时在上产生中间色品红。当减小光路1中的光栏使红色亮度减少时,屏幕上色调偏向蓝色。实验结果说明,在两色相加混合中,混合颜色的色调和饱和度不仅与混合的两色色调有关,还与它们的相对数量有关。多色相加混合将红、绿、蓝三个滤色片分别放入三个光路,调整三个光栏,改变三个光斑的位置,使三色圆斑部分重叠,观察颜色的相加混合。颜色的混合结果如图所示:红青白 红绿黄蓝黄白 绿蓝青绿品白 红蓝品红绿蓝白 黄+ 青+ 品=白由此可得,如果混合的两
18、个颜色互为补色(红与青,蓝与黄,绿与品),混合后的颜色为白色。非补色混合相加后产生中间色,色调与两色的相对数量有关。红、绿、蓝三基色相加混合生成任意颜色,分别用粗略算法和精确算法计算其色度坐标。粗略算法的具体方法为:旋动螺母调节三个光路的位置,使屏上先合成某颜色C(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,再用单色仪测出三个滤色片的峰值波长,并由附表查出峰值波长 对应的光谱三刺激值及三个滤色片各自透过光的相对总功率 。再利用9式和10式进行计算,相应的精确算法在3.3中有详细介绍,下表为实验结果。滤色片Ei(lx)Pii(nm)S()x()y()z()光路1红3542337.
19、755716207.4110.004 0.001 0.000 光路2绿291583.71552272.4950.063 0.710 0.078 光路3蓝3521095.25946137.8120.290 0.060 1.666 粗略算法精确算法实验结果三刺激值X125815.546三刺激值XY144560.792待添加的隐藏文字内容3YZ655544.089Z色坐标x0.136色坐标xy0.156yz0.708z根据精确算法和粗略算法所得的汞灯色坐标可作出色度图如下:3.2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,青中的两个滤色片,打开光
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