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迄今,世界上通用的是以三原色(红、绿、蓝)为基础的CIE测色制。
CIE标准色度系统,是近代色度学的基础组成部分,它是一种混合系统,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础部分事实建立起来的。
色度的测量有着广泛的应用。
如,基于色度理论来测量pH值;
在现代印刷中,色度的测量被广泛的应用于制版、打样、印刷中,并开始更多的追求色彩的准确性和可描述性,包装印刷中使用色度检测法进行印刷质量控制、油墨配色、印刷样张管理及印铁涂布质量控制。
(一)实验原理
太阳光包含着各种波长的光,这说明光是由各种颜色的光混合而成的。
同样,我们发现,可以用红光、绿光、蓝光混合在一起,得到各种颜色的光。
因此,我们就把红、绿、蓝三种颜色称作三原色。
设某种颜色为F,用R、G、B分别表示红、绿、蓝三种颜色。
当两者相同时,则有:
这三种颜色的比例系数r、g、b称作配色系数。
配色系数是这样决定的:
用三原色混合成等能白光所需的三原色光通量,分别作为三原色的度量单位,这就是所谓的基础刺激量。
三原色的基础刺激量是不等的。
他们的相对值分别是
红:
绿:
蓝:
以基础刺激量作为单位来衡量配色系数,这等能白光配色系数的相对比值正好为1:
我们称以三原色R、G、B作为坐标轴的空间为色空间。
在色空间用电来表示等能光谱中的各个单色光,其坐标值就是在上面仿等能光谱时说测得的各个波长的配色系数值。
对于全部光谱色,就等到由一系列表色点所构成的曲线。
这条曲线就是光谱轨迹。
不过,在三维空间的色空间中来描绘光谱轨迹不够方便,为此,我们将光谱轨迹投影到ROG平面上。
此时需要配色系数进行变换:
在ROG平面上,对于三原色,其坐标是
R:
r=1,g=0;
G:
r=0,g=1B:
r=g=0
上图所示的马蹄形就是在ROG平面上的光谱轨迹,现实存在的颜色全部处在马蹄形中。
为了使得系数不出现负值,我们做变换
就可将RGB空间转换成XYZ空间。
利用此变换,将代入,得到
xyz称作分光刺激值。
同理,再通过如下变换;
可将X、Y、Z三位空间的光谱轨迹投影到XOY平面上,并用x与y表示,得到所谓“色度图”,而x与y称“色度坐标”
前述的分光刺激值是对确定波长而言的。
但对于复色的三刺激值,还要注意复色中所包含的各个单色的光,能量通量也不一定相等,因此我们在计算时还要考虑光能量通量不等的因素。
不论是单色还是复色,三刺激值都是用X、Y、Z表示。
(1)单色:
三刺激值:
色度坐标:
(2)连续分布的光谱:
设光谱的光能通量分布为。
(二)实验仪器
WGS-9型色度实验系统实物图
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):
图一 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,既能有较方便的操作,又能提供足够的能量,使得在测量中,有较好的信噪比。
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)。
3)反射测量装置
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”。
图五 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缝插板上。
7)使用溴钨灯作为光源
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。
3.光路系统
单色器的光路图如下图八,采用的是光栅分光系统(C-T型)。
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
图八 光路图
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)
(三)实验内容
1、实验一:
透射样品的测量
1)先开机,将电源开关打开,模式选择按钮打到透过式。
2)样品室置空,打开软件扫描出透过基线,调节负高压及狭缝,以得到一条较理想的透过基线。
3)上面确定的条件不变的情况下,做透射基线。
4)分别放入三基色滤光片,测量各色滤光片的透射率曲线。
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。
置空透射基线红色滤光片
蓝色滤光片绿色滤光片
由上述透过率曲线图可以看出,不管是红色滤光片、绿色滤光片还是蓝色滤光片,它们所能透过的光的波长都不是单一的,各个波段波长的光都能够透过。
在主波长及其相邻位置处透射率较高,其他位置也能透过光,但是透射率很小。
透射滤光片色坐标如下所示
x
y
z
主波长(nm)
饱和纯度
色度纯度
红色滤光片
0.6841
0.3141
0.0018
617.8
98.9%
98.5%
蓝色滤光片
0.1544
0.1037
0.7419
471.9
89.2%
57.8%
绿色滤光片
0.3412
0.5447
0.1141
526.6
33.2%
50.0%
通过观察分析色度图及上表数据,我们可以看出,现实存在的所有颜色全部处在马蹄形曲线内,越靠近光谱轨迹曲线的色度点,它的纯度越高,饱和度也越高。
光源点A与色度点R、G、B的连线与光谱轨迹曲线的交点值即为主波长。
2、实验二:
反射样品的测量
1)先开机,将电源开关打开,模式选择按钮打到反射式。
2)样品室放入标准白板,打开软件扫描出反射基线,调节负高压及狭缝,以得到一条较理想的反射基线。
3)上面确定的条件不变的情况下,做反射基线。
4)分别放入各种样品,测量各样品的反射率曲线。
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。
A白板反射基线B粉红纸片
C红色盖子D黄色纸片
E蓝绿色纸片F紫色纸片
G绿色叶片H红棕色落叶
由上述反射率曲线图可以看出,各种样品它们反射光的波长都不是单一的,各个波段波长的光或多或少也都能够反射。
不过,在主波长及其相邻位置处反射率较高,而其他波段的光虽然也能够反射,但是反射率相对较小。
粉红纸片
0.4870
0.3968
0.1163
604.5
19.8%
17.6%
红色盖子
0.6079
0.3476
0.0445
614.5
69.4%
64.1%
黄色纸片
0.4701
0.4292
0.1008
581.3
30.7%
34.1%
蓝绿色纸片
0.4029
0.4111
0.1859
496.2
10.4%
11.2%
紫色纸片
0.4479
0.3753
0.1767
-570.3
22.1%
32.6%
绿色叶片
0.4335
0.4387
0.1279
554.0
12.1%
18.3%
红棕色落叶
0.5142
0.4032
0.0825
594.8
43.2%
42.6%
通过观察分析色度图及上表数据,我们可以看出,越靠近光谱轨迹曲线的色度点,它的纯度越高,饱和度也越高。
光源点A与色度点的连线与光谱轨迹曲线的交点值即为主波长。
3.实验三:
实验探究
生活中,形形色色的玻璃我们随处可见,如果我们仔细观察,我们能发现,同种玻璃,如果厚度不同,会表现出不同的色泽。
就此,我们可以想象得到,玻璃的厚度会影响到它的透光性。
故而,我们可以想到,是否能够通过某种实验,来探究出,玻璃厚度与其颜色的关系。
我们通过对不同厚度的滤光片的透过率曲线的探究,得到滤光片厚度对透光的影响,并以此得到了一种测量滤光片厚度的方法。
由于,我们很多时候需要,对一些非常薄的透明物体的厚度进行测量,一些常规的长度测量仪器,已经很难精确测量。
因此,我们可以通过,厚度与透射率关系,用这种方进行测量。
一)厚度对颜色主要参数的影响
先测得从1到10块透明塑料片的透过率曲线,
1~5个塑料片
6~10个塑料片
我们可以得到它们的颜色的主要参数及色坐标,如下表:
X
1
0.4298
0.4317
0.1386
529.8
6.1%
11.3%
2
0.4137
0.4540
0.1323
530.6
11.7%
20.8%
3
0.4009
0.4690
0.1301
527.8
15.1%
26.2%
4
0.3857
0.4919
0.1224
530.2
21.2%
34.7%
5
0.3741
0.5075
0.1184
530.0
25.1%
39.9%
6
0.3601
0.5237
0.1162
528.4
28.6%
44.5%
7
0.3482
0.5360
0.1157
526.8
31.2%
47.7%
8
0.3433
0.5373
0.1194
524.5
30.9%
47.6%
9
0.3312
0.5544
0.1144
525.3
35.2%
52.3%
10
0.3223
0.5618
0.1159
523.9
36.6%
54.0%
有上述数据所示,我们可以看出,由于是同种材质的塑料片,主波长几乎不发生变化,而厚度越大,饱和纯度与色度纯度都会提高。
二)厚度与透过率峰值的关系
通过对通过曲线的研究,可得出各曲线主波长及其对应的透过率,关系如下表所示:
塑料片数目
厚度
(mm)
0.256
0.512
0.768
1.024
1.280
1.536
1.792
2.048
2.304
2.560
峰值
(%)
87.0
72.3
62.7
51.6
40.5
37.6
31.8
23.5
15.4
13.8
将上述数据,通过origin软件的模拟,可以绘出下图所示曲线:
该曲线的函数关系为下述指数衰减函数
由上述分析,我们可以看出该样品的厚度与主波长处的透过率为上述函数,可以通过测量该物品的透过曲线来计算其厚度。
我们可以大胆推测,透明物体的厚度与主波长处的透过率都会呈现出指数衰减的趋势,我们可以通过这种方式来计算其厚度。
(五)实验总结
在这两个月的实验中,通过对一些材料色度的测量,使得我们对于颜色及色度有了较为全面的了解和更加深刻的认识。
而且,找到了一种可行的厚度测量方法。
实验过程中,我们遇到了很多的困难。
在实验初期,由于对仪器并不了解,走了很多的弯路,为此浪费了大量时间。
还有,因为实验条件有限,很多想法无法进行。
例如,WGS-9型色度仪,对于光源有严格的要求,不能进行普通光源的色度测量;
另外,溶液的测量也无法在该实验条件下进行。
而且,实验道具,并不十分齐全,导致在创新探究实验中,无法找到满足实验要求的滤光片。
经过讨论与探究,我们还发现了一些可行的色度学实验,可以用来计算溶液的浓度和pH值,检测蔬菜的新鲜度等。
色度学在其他领域也有着非常广泛的应用,例如制版、打样、印刷等等。
而且,随着技术的不断提高,并开始更多的追求色彩的准确性和可描述性。
参考文献:
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【8】YoshiOhno.CIEFundamentalsforColorMeasurements,2000.
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