石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 色度实验 色度学涉及物理光学、视觉生理、视觉心理等学科，在无机非金属材料中，彩色水泥 彩色玻璃制品，彩色陶瓷制品、塘瓷用彩色珐琅等，都要涉及颜色的测量。此外，纺织、印 染、造纸、化工、家用电器、食品等行业也需要对颜色进行测定。1931年国际照明委员会 (CIE)规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统。本实验是近代色度学的基础实验， 基本思想是了解色度学的相关知识，掌握反射光的色度、透射光色度测最的方法，掌握样品 主波长的测量的方法。 【实验目的】 1.了解色度学的基木知识和GS-9型色度实验系统的结构。 2.基本掌握颜色定量表示方法及色度坐标的测定。 3.掌握反射光的色度、透射光色度和透射样品的透射率测量的方法。 【实验器材】 GS-9型色度实验系统（详见附录） 【实验原理】 1.颜色定量表示方法一色度坐标 在色度学中通常使用明度、色调、色纯度（也称为饱和纯度）三个特征量来描述颜色。 明度表示颜色的明暗程度，越亮的颜色其明度值就越高：色调是彩色借以相互区分的主要特 征，光谱色的色调随波长而变化：色纯度则是指彩色浓淡不同的程度。光谱色的色纯度为1， 白色的色纯度为0。光谱色混入的白光越多，其纯度越低。 实验表明：用三种不同颜色的单色光按一定比例混合，可得到自然界中绝大多数的彩色。 具有这种特性的三个单色光叫三基色光，而这一发现也被总结成三基色定理，其主要内容如 下：(1)自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得：反之，这些彩色也可 以分解成三基色：(2)三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基 色混合得到：(3)混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定：(4)混合色的亮度是三 基色亮度之和。三基色的选择在原则上是任意的，只要满足相互独立即可。由于红、绿、蓝 相加三基色能配出的色域较广，品种较多，所以人们愿意选用红、绿、蓝相加三基色。 为了定量地给物体的颜色定标，国际照明委员会（简称CE)规定了一套标准的色度系 统，简称CE标准色度系统，这是近代色度学的基础，也是一种混色系统。在1931年，国 际照明委员会采用XY忆表色系统来描述物体的颜色，被称为1931CIB-XY忆表色系统 在理论上为了定量的表示颜色，通常采用平面直角色度坐标来加以表示：
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 色度实验 色度学涉及物理光学、视觉生理、视觉心理等学科，在无机非金属材料中，彩色水泥、 彩色玻璃制品，彩色陶瓷制品、搪瓷用彩色珐琅等，都要涉及颜色的测量。此外，纺织、印 染、造纸、化工、家用电器、食品等行业也需要对颜色进行测定。1931 年国际照明委员会 (CIE)规定了一套标准色度系统，称为 CIE 标准色度系统。本实验是近代色度学的基础实验， 基本思想是了解色度学的相关知识，掌握反射光的色度、透射光色度测量的方法，掌握样品 主波长的测量的方法。 【实验目的】 1. 了解色度学的基本知识和 WGS-9 型色度实验系统的结构。 2. 基本掌握颜色定量表示方法及色度坐标的测定。 3. 掌握反射光的色度、透射光色度和透射样品的透射率测量的方法。 【实验器材】 WGS-9 型色度实验系统（详见附录） 【实验原理】 1. 颜色定量表示方法－色度坐标 在色度学中通常使用明度、色调、色纯度（也称为饱和纯度）三个特征量来描述颜色。 明度表示颜色的明暗程度，越亮的颜色其明度值就越高；色调是彩色借以相互区分的主要特 征，光谱色的色调随波长而变化；色纯度则是指彩色浓淡不同的程度。光谱色的色纯度为 1， 白色的色纯度为 0。光谱色混入的白光越多，其纯度越低。 实验表明：用三种不同颜色的单色光按一定比例混合，可得到自然界中绝大多数的彩色。 具有这种特性的三个单色光叫三基色光，而这一发现也被总结成三基色定理，其主要内容如 下：（1）自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，这些彩色也可 以分解成三基色；（2）三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基 色混合得到；（3）混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定；（4）混合色的亮度是三 基色亮度之和。三基色的选择在原则上是任意的，只要满足相互独立即可。由于红、绿、蓝 相加三基色能配出的色域较广，品种较多，所以人们愿意选用红、绿、蓝相加三基色。 为了定量地给物体的颜色定标，国际照明委员会（简称 CIE）规定了一套标准的色度系 统，简称 CIE 标准色度系统，这是近代色度学的基础，也是一种混色系统。在 1931 年，国 际照明委员会采用 XYZ 表色系统来描述物体的颜色，被称为 1931CIE-XYZ 表色系统。 在理论上为了定量的表示颜色，通常采用平面直角色度坐标来加以表示： 1
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 X y X= X+Y+Z y= X+Y+Z 2= X+Y+Z () 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 色度图（图1），在图中红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色坐标点为顶点，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。由图可见，所有的色谱（可见光谱中包含的 一系列单色)都位于马蹄形曲线上，曲线上加注了纳米标记，以便能根据它们的波长而辨别 其单色。在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。马蹄形的底部没有给予标记， 因为那里是非谱色（各种紫红色，这些彩色不能作为单色出现在光谱上），对于这些非谱色， 波长当然是没有意义的。 530 520 540 39 610 0.333 450 020333304 图1CIE1931色度图 任一颜色M0(x,y)的色调是由其照明光源坐标点（如A点）到M点连线的延长线与光 谱轨迹相交的交点N的光谱色的色调所决定，此光谱色称为主波长（或补色波长），如图1 所示： 则颜色M(0的饱和度为： P-AM AN X-XA (2) 则颜色M(0的色纯度为 AM M= XM-XA MN Xx-% (3)
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 X x X Y Z = + + Y y X Y Z = + + Z z X Y Z = + + (1) 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 CIE 1931 色度图（图 1），在图中红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色坐标点为顶点，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。由图可见，所有的色谱(可见光谱中包含的 一系列单色)都位于马蹄形曲线上，曲线上加注了纳米标记，以便能根据它们的波长而辨别 其单色。在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。马蹄形的底部没有给予标记， 因为那里是非谱色(各种紫红色，这些彩色不能作为单色出现在光谱上)，对于这些非谱色， 波长当然是没有意义的。 图1 CIE 1931色度图 任一颜色 M(M)(x,y)的色调是由其照明光源坐标点（如 A 点）到 M 点连线的延长线与光 谱轨迹相交的交点 N 的光谱色的色调所决定，此光谱色称为主波长（或补色波长），如图 1 所示： 则颜色 M(M)的饱和度为： M A N A AM x x P AN x x − = = − (2) 则颜色 M(M)的色纯度为： M A N M AM x x M MN x x − = = − (3) 2
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 2.色度坐标的计算 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(入)，然后再 查表找出各光谱的三刺激值，则光源的三刺激值为， X=K∑s(2(2)△M {Y=K∑s()()△M Z=K∑(2E(2)△M 其中，为调整因数，它的数值被定义为将发光体的Y值调整为100时通过式(4)得到的A 值， 100 K=∑5aaM (5) 则色坐标由式(1)计算可得 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(入)，然 后再查表找出各光谱的三刺激值()、（入）、（入）及参考光的功率分布s(入)，则 [X=K∑s(2(2)T(a) y=K∑sa)()T(a) (6) Z=K∑s(2)E(2)T(A) 色坐标由式(1)计算可得。颜色的色度除用色度坐标表示外，还可以用主波长和色纯度来 表示。 【实验内容及步骤】 1.仪器的调节与使用 色度实验是一个精度要求较高的实验，为了得到满意的实验结果，必须认真仔细的调节 仪器。首先要检查各仪器是否处于最初状态，各部分的连线插头要对应，不要出现插错现象 确认各条信号线及电源线连接好后，按下电控箱上的电源按钮，仪器正式启动
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 2. 色度坐标的计算 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(λ)，然后再 查表找出各光谱的三刺激值，则光源的三刺激值为, X = K∑s(λ)x(λ)∆λ Y = K∑s(λ)y(λ)∆λ (4) Z = K∑s(λ)z(λ)∆λ 其中，k为调整因数，它的数值被定义为将发光体的Y值凋整为100时通过式(4)得到的k 值， ∑ ∆ = (λ) (λ) λ 100 s y K (5) 则色坐标由式（1）计算可得。 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（λ），然 后再查表找出各光谱的三刺激值 x(λ) 、 y(λ) 、 z(λ) 及参考光的功率分布s(λ)，则 X = K∑s(λ)x(λ)T(λ) Y = K∑s(λ)y(λ)T(λ) (6) Z = K∑s(λ)z(λ)T(λ) 色坐标由式（1）计算可得。颜色的色度除用色度坐标表示外，还可以用主波长和色纯度来 表示。 【实验内容及步骤】 1. 仪器的调节与使用 色度实验是一个精度要求较高的实验，为了得到满意的实验结果，必须认真仔细的调节 仪器。首先要检查各仪器是否处于最初状态，各部分的连线插头要对应，不要出现插错现象， 确认各条信号线及电源线连接好后，按下电控箱上的电源按钮，仪器正式启动。 3
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 2.测定汞（钠）灯的色度坐标、色调和色饱和度 ①在开机情况下，检查是否使用的是出缝1，若不是把转镜拨到出缝1。 ②把光源换为待测发光体。 ③在“发光体”模式下测最发光体的能最曲线。 ④打开“测度计算”窗口，选择寄存器和等能光源后，计算该发光体在等能光源下的色度坐 标，指出汞灯的色调，计算其色饱和度。 3.透射样品的测量方法 ①在开机情况下，检查是否使用的是出缝1。 ②样品池置空，调节负高压及狭缝，使测量得到的透射基线比较大，但信号又没有溢出（此 步環可能反复做几遍才能得到理想的结果)。 ③上面确定的条件不变的情况下，做透射基线， ④放入样品，测量透射率。 ⑤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。 液体样品为红墨水和蓝墨水，周体样品样品为透明玻璃和红色玻璃各一小块，每组样品测试 三次。 4.反射样品的测量方法 ①在开机情况下，检查是否使用的是出缝2，若不是把转镜拨到出缝2 ②放入标准白板，调节负高压及狭缝，使测量得到的反射基线比较大，但信号又没有溢出（此 步骤可能反复做儿遍才能得到理想的结果)· ③上面确定的条件不变的情况下，使用标准白板做反射基线。 ④放入样品，测量反射率。 ⑤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， 5.关机
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 2. 测定汞（钠）灯的色度坐标、色调和色饱和度 ①在开机情况下，检查是否使用的是出缝 1，若不是把转镜拨到出缝 1。 ②把光源换为待测发光体。 ③在“发光体”模式下测量发光体的能量曲线。 ④打开“测度计算”窗口，选择寄存器和等能光源后，计算该发光体在等能光源下的色度坐 标，指出汞灯的色调，计算其色饱和度。 3. 透射样品的测量方法 ①在开机情况下，检查是否使用的是出缝 1。 ②样品池置空，调节负高压及狭缝，使测量得到的透射基线比较大，但信号又没有溢出（此 步骤可能反复做几遍才能得到理想的结果）。 ③上面确定的条件不变的情况下，做透射基线。 ④放入样品，测量透射率。 ⑤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。 液体样品为红墨水和蓝墨水，固体样品样品为透明玻璃和红色玻璃各一小块，每组样品测试 三次。 4. 反射样品的测量方法 ①在开机情况下，检查是否使用的是出缝 2，若不是把转镜拨到出缝 2。 ②放入标准白板，调节负高压及狭缝，使测量得到的反射基线比较大，但信号又没有溢出（此 步骤可能反复做几遍才能得到理想的结果）。 ③上面确定的条件不变的情况下，使用标准白板做反射基线。 ④放入样品，测量反射率。 ⑤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。 5. 关机 4
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 先检索波长到400▣处，使机械系统受力最小，然后关闭应用软件，最后按下电控箱上的电 源按钮关闭仪器电源。 【思考题】 1.测量反射样品和测量透射样品时有何不同？ 2.明度、色调、彩度三个概念有何不同？ 【注意事项】 1.单色仪的狭缝宽度在0-2.5mm连续可调，顺时针旋转为狭缝加大，反之减小，每旋转 周狭缝宽度变化0.5mm。调节时注意最大不超过2.5mm,实验结束后应放在0.1-0.5mm处。 2.透射测量和反射测量所用的狭缝和探测器的位置是不同的，应及时变换。 3.不可擅自拆卸仪器零部件：光学镜面真空镀铝，极易碰伤，不可随意擦拭
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 先检索波长到 400nm 处，使机械系统受力最小，然后关闭应用软件，最后按下电控箱上的电 源按钮关闭仪器电源。 【思考题】 1．测量反射样品和测量透射样品时有何不同？ 2．明度、色调、彩度三个概念有何不同？ 【注意事项】 1．单色仪的狭缝宽度在 0-2.5mm 连续可调，顺时针旋转为狭缝加大，反之减小，每旋转一 周狭缝宽度变化 0.5mm。调节时注意最大不超过 2.5mm，实验结束后应放在 0.1-0.5mm 处。 2．透射测量和反射测量所用的狭缝和探测器的位置是不同的，应及时变换。 3．不可擅自拆卸仪器零部件；光学镜面真空镀铝，极易碰伤，不可随意擦拭。 5