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
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 附录：WGS-9型色度实验系统 用 图1WGS-9型色度实验系统实物图 色度实验系统的结构原理 1.基本组成 WCS一9型色度实验系统，由光橱单色仪（光谱仪），接收单元，扫描系统*，电子放大 器*，A/D采集单元*，计算机及打印机*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（各部分的连线插头均唯一，不会出现插错现象） 光诺仪 电控箱 计算机 打印机 图2WGS-9型色度实验系统连线图 2.仪器结构 光谱仪部分有以下几部分组成：单色器外壳，狭缝，吸收池，积分球，接收单元，光橱 驱动系统以及光学系统等。 1)仪器采用双出缝的方式，使得在不同模式测量时，即能有较方便的操作，又能提供足够 的能量，使得在测量中，有较好的信噪比
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 附录：WGS-9型色度实验系统 图1 WGS-9型色度实验系统实物图 色度实验系统的结构原理 1．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*，计算机及打印机*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（各部分的连线插头均唯一，不会出现插错现象）： 图2 WGS-9型色度实验系统连线图 2．仪器结构 光谱仪部分有以下几部分组成：单色器外壳，狭缝，吸收池，积分球，接收单元，光栅 驱动系统以及光学系统等。 1) 仪器采用双出缝的方式，使得在不同模式测量时，即能有较方便的操作，又能提供足够 的能量，使得在测量中，有较好的信噪比。 6
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 图3谱仪外形图 2)固/液体样品池：采用液体样品池、固体样品架以及光栏组合的方式，使得固/液体都能 方便的测量，光栏的存在，使得对固体样品的大小要求较低（直径大于5）。 图4样品池 3)反射测量装置 图5反射测量装置 >
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 图3 谱仪外形图 2) 固/液体样品池：采用液体样品池、固体样品架以及光栏组合的方式，使得固/液体都能 方便的测量，光栏的存在，使得对固体样品的大小要求较低（直径大于5mm）。 图4 样品池 3) 反射测量装置 图5 反射测量装置 7
石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义 4)仪器采用如图五所示“正弦机构”进行波长扫描，丝杠由步进电机通过同步带驱动，螺 母沿丝杠轴线方向移动，正弦杆由弹簧拉靠在滑块上，正弦杆与光栅台联接，并绕光栅台中 心回转，从而带动光栅转动，使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成“扫描”。 电 光电开关子 光 光台 06.0 图6正弦机构图 5)狭缝为直狭缝，宽度范围0一2.5mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小， 每旋转一周狭缝宽度变化0.5m。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2.5mm,平日不使 用时，狭缝最好开到0.1一0.5m左右。 6)为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光片 插入入缝插板上。 7)光源系统 0 溴钨灯电源背面图 溴钨灯电源面板
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 4) 仪器采用如图五所示“正弦机构”进行波长扫描，丝杠由步进电机通过同步带驱动，螺 母沿丝杠轴线方向移动，正弦杆由弹簧拉靠在滑块上，正弦杆与光栅台联接，并绕光栅台中 心回转，从而带动光栅转动，使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成“扫描”。 图6 正弦机构图 5) 狭缝为直狭缝，宽度范围0－2.5mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小， 每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2.5mm，平日不使 用时，狭缝最好开到0.1－0.5mm左右。 6） 为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光片 插入入缝插板上。 7） 光源系统 溴钨灯电源背面图 溴钨灯电源面板 8
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 溴钨灯装接图 溴钨灯外形图 图7溴钨灯及滤光片插入结构 8)电控箱：控制谱仪工作，并把采集到的数据及反馈信号送入计算机。 图8电控箱 3.光路系统 单色器的光路图如下图9，采用的是光栅分光系统(C-T型) 图9光路图
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 溴钨灯装接图 溴钨灯外形图 图7 溴钨灯及滤光片插入结构 8) 电控箱：控制谱仪工作，并把采集到的数据及反馈信号送入计算机。 图8 电控箱 3．光路系统 单色器的光路图如下图9，采用的是光栅分光系统（C-T型）。 图9 光路图 9
石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义 M反射镜、M2准光镜、M3物镜、G平面衍射光橘、乙转镜 S1入射狭缝、S2光电倍增管接收、S3观察口、S样品池 入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0一2.5m连续可调，光源发出的光束进入入射 狭缝S1,S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经2反射成平行光束投向平面 光橱G上，衍射后的平行光束经物镜3成象在S2上或S3上（通过转镜调节）。 M2、M3 焦距302.5mm 光橱G 每毫米刻线1200条闪耀波长550mm 滤光片工作区间白片350-700m(共1片) 仪器的使用说明 1.开机 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。 2.透过率及发光体测最的使用方法 如果当前接收器不是放在出缝1端，请关闭电源，把接收器移到出缝1端，并把转镜打倒出缝 1端。当放管样品时，打开样品池盖，把有液体样品的比色皿放入液体样品池或把固体样品 直接插在固体样品架上，然后开机测量（当测最透过率时，要先放空白样品做透过基线） 光路图如下图10。 图10 3.反射测量的使用方法
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、G平面衍射光栅、Z 转镜 S1 入射狭缝、S2 光电倍增管接收、S3 观察口、S 样品池 入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2.5mm连续可调，光源发出的光束进入入射 狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面 光栅G上，衍射后的平行光束 经物镜M3成象在S2上或S3上（通过转镜调节）。 M2、M3 焦距302.5mm 光栅G 每毫米刻线1200条 闪耀波长550nm 滤光片工作区间 白片 350－700nm （共1片） 仪器的使用说明 1. 开机 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。 2. 透过率及发光体测量的使用方法 如果当前接收器不是放在出缝1端，请关闭电源，把接收器移到出缝1端，并把转镜打倒出缝 1端。当放置样品时，打开样品池盖，把有液体样品的比色皿放入液体样品池或把固体样品 直接插在固体样品架上，然后开机测量（当测量透过率时，要先放空白样品做透过基线）。 光路图如下图10。 图10 3. 反射测量的使用方法 10