反射光色度实验的研究

摘    要：针对光学色度实验的开设，本文就反射光色度实验的内容提出了新的实验方案，并给出了依据此方案所获得的实验数据及结果分析。

关 键 词：色度分析；反射光色度实验；实验方案 

引言

在现今的实际生产生活中，颜色测量已成为评价人们生活的氛围、评定产品质量的重要依据和手段。色度分析实验开设的目的，就是为了让学生了解并掌握有着广泛应用的测色原理及色度分析的基本知识、步骤和方法，目前我校近代物理实验室中所用的色度实验装置，可对标准A光源光线经物质反射或透射后的谱线成分含量的变化进行测量，并对反射光或透射光的色度进行分析。该实验开设时，实验内容一般为对反射光或透射光颜色的测量、说明和比较或者以光测量过程为主进行色度分析计算，显得比较单一，学生会觉得单调、乏味，学到的东西有限，而繁琐的分析计算虽然可以让学生对色度分析过程了解得更为透彻，但这些已经可以通过电脑软件完成，学生有所了解就可以了，最重要的应该是让学生会思考、会分析、会应用。考虑到以上情况，本人针对拓展色度实验的内容进行了新的实验尝试，应用于教学时应该可以达到一定效果.

1．色度原理简介

1.1 色度学的两个实验结论

通过大量的有关人眼对颜色的实验，可总结出两个基本的实验事实：一个是颜色的三基色原理，即任何颜色都可以用不多于三种的合适的单色光按一定比例混合得到，这三种单色光一般选取R（红）、G（绿）、B（蓝）三色；另一个是配色原理，即颜色的加法和减法法则，加法法则是指在人眼的观察下，颜色的混合满足相加关系，而减法法则是指混合各种比例的绘画颜料或染料时的混色规律。

1.2 颜色的测量和表示

物体颜色的定量度量是复杂的，它涉及到观察者的视觉生理、视觉心理以及照明条件、观察条件等许多问题，为了能够得到一致的度量效果，1931年国际照明委员会（简称CIE）规定了一套标准色度系统，称为1931CIE标准色度系统。本校所用色度实验装置采用的表色系统是1931CIE－XYZ系统，实验时通过光谱仪、接收器和电控箱对反射光信息进行采集并输入电脑，然后可直接在电脑上由配套软件用CIE1931色度图进行分析，最后在说明反射光颜色时，可通过计算所得主波长、饱和纯度、色度纯度和色度坐标来表示。主波长决定反射光的色调，指的是该色光光谱成分中最占优势的某一种光谱色的波长；饱和纯度也称为色纯度，代表反射光所呈现颜色的深浅或纯洁程度；色度纯度是指主波长的光谱色在样品中所占亮度的比例；色度坐标决定反射光颜色在色度图中位置，在色度图上可反映出色调和饱和度^[1]。

 2．反射光色度测量及分析

 2.1 三基色纸板反射光色度分析及实验结果与日常经验差异的分析思考

对溴钨灯光在红、绿、蓝三种颜色纸板上的反射率进行采集测量如图1所示。

图中a曲线表示蓝色纸板反射率；b曲线表示绿色纸板反射率；c曲线表示红色纸板反射率。

对反射光的色度用CIE 1931色度图分析可得结果如表1所示。

表1. 红绿蓝纸板反射光色度分析结果

图1. 红绿蓝纸板反射率测量曲线

由图线和色度分析结果可知：红色纸板对波长大于570nm的光波的反射率较高，也就是说红色纸板对波长小于570nm的谱线成分吸收较强，其反射光主波长为619.9nm，色调属橙红色，颜色纯度一般，应该为偏浅的橙红色光；绿色纸板对波长在480nm～570nm范围内的光谱线成分反射率较高，其反射光主波长为504.5nm，色调属绿色，颜色纯度比较低，应该为很浅的绿光；而蓝色纸板对波长小于570nm的谱线成分反射率较高，其反射光主波长为483.7nm，色调属蓝绿色，颜色纯度偏低，应该为较浅的蓝绿色光^[2]。

此测量结果与我们的日常经验是基本吻合的，我们平时看到的红色纸板，之所以认为它是红色，就是因为其反射光为红色，绿色、蓝色纸板也是同样的道理。但结果和经验也有差异，结果分析出三种颜色纸板上的反射光颜色均较浅，可是人眼观察时三个纸板颜色并不浅，原因为何呢？这主要是因为光谱仪的反射测量装置中采用了积分球。在采集反射光时，纸板表面上方任意方向的反射光基本上都会经由积分球的内表面反射后进入接受器，也就是说反射光的色度分析结果反映的是对各方向反射光综合分析的颜色结果。而人眼在观察某个纸板颜色时，颜色是和观察的角度、位置息息相关的，因为不同方向上的反射光光谱成分及能量都会有所不同，所以摄入人眼的反射光仅能反映物体颜色的某方向上的一部分信息，这就造成了色度分析结果和人眼观察结果之间的差异。

2.2 对配色原理的验证分析

彩色可以用不同比例的三基色光相加得到，此称为相加混色。实验中我们可以通过颜色拼板的反射光色度分析来验证相加混色原理。把红色和绿色纸板做成红绿色拼板，红色及绿色纸板反射光情况已在前面分析过，红绿拼板反射光应为前两种反射光的混合，经过色度分析后反射率曲线如图2所示。

图2. 红绿拼板反射率测量曲线

红绿拼板反射光主波长为602.6nm，色调属橙黄色，饱和纯度为12.5％，色度纯度为11.3％，可以看出颜色纯度较低，应该为较浅的橙黄色光。配色原理的加法原理中有“红＋绿＝黄”的规律，以上拼板反射光色度分析结果就是对该规律的验证。

除此以外，彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出，此称为相减混色，主要用于美术、印刷和纺织等。颜料能吸收入射光光谱中的某些成分，使未吸收的部分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色；当不同比例的颜料混合在一起的时候，吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩色。

实验中我们可通过颜料混合调色涂于纸片上后，对纸片反射光进行色度分析来对相减混色原理进行验证。由相减原理中“白－绿－红＝蓝”规律可知，蓝色颜料所涂的纸板为什么会显示蓝色，那是因为蓝色颜料中的成分能有效地吸收入射白光中的红绿谱线成分，而使得反射光中谱线以蓝色调谱线为主。白色颜料对各种颜色谱线吸收都较少，反射光中各种谱线成分比例变化很小，所以以白光入射的话，反射光仍呈现白色。如果把蓝色和白色颜料混合的话，反射光中应该仍以蓝色调谱线为主，只是其他色光反射率由于混入了白色颜料会比只有纯蓝色颜料时更高些，也因此会使得反射光的饱和纯度及色度纯度降低。

把蓝色和白色颜料按不同比例混合后分别涂于纸片上，然后对纸片反射光分别进行色度分析，反射率曲线如图3所示（峰值越高曲线对应白色颜料比例越大）。

图3. 不同比例颜料纸板反射率测量曲线

由反射率曲线可以看出，随着白色颜料比例的增加，各种波长谱线反射率均有所上升，但波长较短蓝色调谱线反射率仍然较高，波长较长绿色调及红色调谱线相应被吸收较多。

白色颜料比例增加对应反射光色度参数的变化如表2所示：

表2. 不同比例颜料纸板反射光色度分析结果

由表中数据可以看出，反射光色调仍在蓝色范围内，只是主波长有微小变化，另外饱和纯度和色度纯度都在减小。以上结论与减法原理中的规律能够较好地吻合，可以进行验证。

3．结束语

从以上实验结果分析可以看出，通过对反射光的色度分析，可以了解到关于反射光谱的基本信息。反射光色度实验中可以让学生自行拼色、配色制成色板，并对其反射光进行色度分析，既有趣味性，又可以加深他们对配色原理的理解应用，还可以让他们掌握基本的色度分析方法，并可以由教师引导学生思考反射光色度分析的进一步应用，应该可以达到较好的实验效果。

参考文献：

[1]  王秀泽. CIE1931色度图非线形均匀化[J]. 染料与染色. 2006,.(1): 18 -20 .

[2]  黄耀清. 测量场致发光片色度的实验设计[J]. 物理实验. 2005,(1): 9 – 12 .