晶體光學(xué)性質(zhì)地觀測分析報(bào)告林蘭鳳_第1頁
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文檔簡介

1、晶體光學(xué)性質(zhì)的觀測分析學(xué)號(hào):10329056 姓名:林蘭鳳班別:10光信息二班合作人:陳蕾清 實(shí)驗(yàn)日期:2012/11/08, 2012/11/15一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉單軸晶體光學(xué)性質(zhì),晶體的消光現(xiàn)象,干涉色級(jí)序;2. 了解偏光顯微鏡原理及掌握其使用方法;3. 觀測晶體的類別,軸向和光性正負(fù)等過程,估計(jì)晶片光程差。二、實(shí)驗(yàn)儀器XP-201型透射顯微鏡:光源,起偏鏡,聚光鏡,旋轉(zhuǎn)載物臺(tái),物鏡,補(bǔ)償器插口,檢 偏鏡,勃氏鏡,目鏡。三、實(shí)驗(yàn)原理(一)晶體雙折射、光率體。折射率與光的傳播方向及光矢振動(dòng)方向有關(guān)的晶體稱為各向異性晶體。光通過各向異性晶體時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象,并表現(xiàn)出偏振性質(zhì)。在各向異性晶

2、體中總是存在一個(gè)或兩個(gè)方向不會(huì)不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象,稱為晶體的光軸。據(jù)此又可將晶體分為單軸晶跟雙軸晶。其中, 折射率不隨入射方向而改的成為o光或?qū)こ9?,折射率隨入射方向而改的成為e光或非尋常光。o、e光都是偏振光??梢杂脦缀螆D形直觀地表示晶體中光波各矢量間的方向關(guān)系,及各傳播方向相對(duì)應(yīng)的光速或折射率在空間的取值分布, 這類圖形稱為晶體光學(xué)示性曲面。 光率體就是最常見的晶體 光學(xué)示性曲面,它是以主折射率為主值的橢球。單晶體中ne n°的稱為正光性單軸晶,反之稱為負(fù)光性單軸晶。止圖1單軸晶光率體的三種中心截面圖1給出了單軸晶光率體的三種中心截面。圓截面:垂直光軸的圓,半徑為n。;主截面:包

3、含光軸的橢圓截面,它的一個(gè)半徑為no,與光軸垂直,另一個(gè)半徑為 ne,與光軸平行。0光振動(dòng)方向必垂直于主截面,e光的振動(dòng)方向則平行主截面;任意截面:是一個(gè)橢圓,截面法向N與光軸成r角。(二)正交偏光干涉:在偏光顯微鏡中,當(dāng)上下偏光鏡的振動(dòng)面互相垂直時(shí),稱為正交偏光鏡。如在正交偏光鏡間不放入任何介質(zhì)或放入各相同性晶體時(shí),光線無法通過正交偏光鏡,所以視域是黑暗的;當(dāng)放入各相異性晶體時(shí),由于晶體雙折射效應(yīng)和晶片厚度、晶軸取向的不同而產(chǎn)生不同的干涉現(xiàn)象。圖2正交偏光鏡間的干涉現(xiàn)象由光學(xué)知識(shí):如圖2所示:當(dāng)在正交偏光鏡之間加入一各相異性晶體時(shí),一束波長為入的光波經(jīng)正交偏光鏡和晶片后,會(huì)變成大小相等而振動(dòng)

4、方向相反,頻率相同,位相差恒定的兩束光(。光和e光),它們滿足干涉條件,由平面波疊加原理,其合成光波振幅為:n22:si n2 d(ne "。)二(1)其合成光強(qiáng):"A"2® 一(2)由上式可以看出:正交偏光鏡干涉光強(qiáng)分布狀況與晶體軸向與起偏器夾角,厚度d ,雙折射率.'n及入射波長有關(guān),Aoe為透過起偏器后的偏振光振幅。1單色光干涉對(duì)于單色光,當(dāng)n,n =0,1,2川時(shí),si n2:=0,即當(dāng)晶體的軸向與正交偏光鏡其2中之一的偏振方向一致時(shí),合成光強(qiáng)為0,視野全暗,此現(xiàn)象稱為消光現(xiàn)象,此時(shí),晶片的位置稱為消光位置。當(dāng)二(2n 1)n,n =0,

5、1,2,3|11時(shí),si n2二1,,即當(dāng)晶片的軸向4處于兩個(gè)偏光鏡的偏振方向中間時(shí),合成光強(qiáng)最大,視野最亮。顯然,轉(zhuǎn)動(dòng)晶片360°,會(huì)出現(xiàn)四暗、四明現(xiàn)象。當(dāng)晶體的雙折射率 An不變時(shí),厚道d變化,這相當(dāng)于石英楔子的情況,不同厚度的光程差.": = d (ne -n。)也不相同,所以當(dāng)石英楔子由薄至厚插入時(shí),就會(huì)觀察到有規(guī)律 的明暗相間的干涉條紋。2、白光干涉用白光照明時(shí),由于各色光波長范圍不同,所以對(duì)于某一個(gè)d值,不同色的光不可能同時(shí)達(dá)到相消或相長,干涉條紋是由光強(qiáng)不為零的各種單色光混合組合而成,稱為干涉色。干涉色隨著晶片厚度增加而出現(xiàn)有規(guī)律的變化,就是干涉色級(jí)序,大約每

6、560nm光程差劃分一個(gè)干涉色級(jí)序,通常可分為四個(gè)級(jí)序,光程差越大則干涉色級(jí)序越高。每個(gè)干涉色級(jí)序中,顏色的一次明顯改變稱為一個(gè)色序,各色序之間顏色是連續(xù)變化的。對(duì)于同一石英楔子, 波長越短,其明暗條紋間距亦越短。3 光程差補(bǔ)償原理如果在正交偏光鏡間放兩塊晶片,設(shè)光線通過晶片1和晶片2的光程差分別為 厶1和厶2 ,當(dāng)兩晶片同名軸(快慢軸)平行時(shí),則通過兩晶片的總光程差.: = M +二2,其干涉色比原來兩晶片單獨(dú)放入時(shí)的干涉色都高;當(dāng)兩晶片異名軸平行時(shí),則通過兩晶片的總光程差:=1 厶2 ,其干涉色比其中之一晶片單獨(dú)放入時(shí)的干涉色低。若兩晶片的光程差相等,則丄="I >2 =

7、0,此時(shí)兩晶片的光程差互相補(bǔ)償,視域全暗。上述光程差疊加和補(bǔ)償?shù)囊?guī)律稱為補(bǔ)色法則。若將晶片2換成石英楔子,且慢慢推入石英楔子,使:2逐漸增加。此時(shí),如果晶片 1與石英楔子同名軸平行,總光程差厶是遞增的,導(dǎo)致干涉色逐漸升高;如果晶片 1與石英楔子異名軸平行,總光程差 厶是遞減的,導(dǎo)致干涉色逐漸降低。所以如果知道一個(gè)晶片快 慢軸方向知道,可以通過干涉色升降情況可以確定另一個(gè)晶片的快慢軸方向。還可以通過查表估算另一個(gè)晶片的光程差。(三)錐光干涉:在正交偏光鏡的條件下, 在光路中加入聚光鏡和勃氏鏡便構(gòu)成了錐光裝置。通過錐光裝置在視域中出現(xiàn)的干涉圖像稱為錐光干涉圖,它不是晶體本身的像, 而是錐形偏光通過

8、晶片后到達(dá)上偏光鏡所產(chǎn)生的干涉效應(yīng)的總和。:a;立體朝>.h)俯視圉圖3單軸晶垂直光軸切片錐光干涉圖當(dāng)晶片為垂直光軸切片時(shí), 如圖3所示,光錐中有一系列光通過晶片,每一條光在晶片中有兩個(gè)互相垂直的振動(dòng)方向,它們的折射率分別為ne和no;包含在PP(或者AA面與光軸組成的面(主截面),非常光是在PP(或者AA面內(nèi)振動(dòng)的,尋常光則是在垂直主截面的 面內(nèi)振動(dòng)。因此通過晶片后光的偏振方向不會(huì)改變,都平行與下偏振片的偏振方向,與上偏視域中觀察到一個(gè)亮環(huán)。如果光源是白光,仍然可光鏡偏振方向垂直,不能通過上偏光鏡,因此在視域中平行 PP和AA方向就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑十 字消光影。單色光的錐光干涉除了有黑十字

9、消光影之外,還有互相交替的亮圓環(huán)跟暗圓環(huán)。 這是因?yàn)椴黄叫信c PP、AA方向的光在晶片中分解成兩互相垂直的偏振光。從光錐的軸愈向 外,光程差愈大。如果這個(gè)光程差為波長整數(shù)倍,就會(huì)產(chǎn)生相消干涉,視域中出現(xiàn)暗環(huán);如 果是半波長的奇數(shù)倍,則產(chǎn)生相長干涉,以觀察到黑十字消光影。 不同的是原來的黑亮相間圓環(huán)變成交替出現(xiàn)的彩環(huán)可以利用垂直光軸晶片的錐光干涉來判斷和檢驗(yàn)晶體光性正負(fù)。在垂直光軸切片的錐光干涉圖上,o光跟e光的振動(dòng)方向如下圖 4所示。此時(shí)插入試板,觀察干涉圖中四個(gè)象限干涉色序的升降,根據(jù)消光原理判斷ne是快軸還是慢軸,從而確定待測樣品光性正負(fù)。升降升:r=<b)負(fù)光性圖4單軸晶體光性正負(fù)

10、的測定(三)晶體旋光性、埃利旋:當(dāng)一束線偏振光通過某些物質(zhì)后,光的振動(dòng)方向會(huì)隨著在物質(zhì)中的傳播距離增加而逐漸發(fā)生旋轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。 具有旋光性的物質(zhì),稱為旋光物質(zhì)。旋光有左右旋之分, 因此旋光物質(zhì)也有左旋物質(zhì)和右旋物質(zhì)之分。對(duì)于旋光物質(zhì)而言,振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度與通過旋光物質(zhì)厚度 d成正比,即? - . d其中,比例系數(shù)=稱為該旋光物質(zhì)的旋光率,它是一個(gè)與入射光波長有關(guān)的量。如在正交偏光鏡中加入左旋或者右旋石英片,當(dāng)石英片厚度很薄時(shí),干涉圖仍是黑的,一般不易觀察到偏光面的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果石英片厚度較大,干涉圖就不再是黑的了。 對(duì)于單色光,將分析鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,即可使干涉圖重新變黑。對(duì)于白色光,

11、當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)分析鏡時(shí)會(huì)所發(fā)生顏色上變 化,對(duì)于左旋(或右旋)石英,當(dāng)分析鏡逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(或順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))時(shí),晶體的顏色會(huì)由 綠色變藍(lán)色在變?yōu)樽仙?在聚斂光中,光軸干涉圖的中央部分會(huì)出現(xiàn)與正交偏光鏡相同的現(xiàn) 象。如果將相當(dāng)厚度的右旋與左旋石英片疊置在一起,在聚斂光中可以看到特殊旋轉(zhuǎn)干涉圖,稱為埃利旋,其四臂或是右旋或是左旋,主要決定于是哪一晶片放在下面。右旋石英置于左旋石英之下,會(huì)觀察到右旋。左旋置于右旋石英之下,會(huì)觀察到左旋。所以可以利用埃利旋在晶片中識(shí)別由左旋和右旋兩種石英單體所構(gòu)成的雙晶。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)象記錄1仔細(xì)閱讀說明書,了解偏光顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用方法2, 校正儀器中心,即調(diào)節(jié)物鏡光軸與物臺(tái)

12、中心重合。選用低倍物鏡,載玻璃片上選一小黑點(diǎn),并將小黑點(diǎn)轉(zhuǎn)制十字絲中心,轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),如物鏡光軸與載物臺(tái)中心不重合,小黑點(diǎn)會(huì)繞一圓心轉(zhuǎn)動(dòng),此圓心即為載物臺(tái)中心,調(diào)節(jié)物鏡中心調(diào)節(jié)螺絲,氏物鏡中心移至載物臺(tái)中 心,反復(fù)重復(fù)調(diào)節(jié)直至小黑點(diǎn)不再轉(zhuǎn)動(dòng)為止。實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2012/11/08 14:30實(shí)驗(yàn)操作:校正儀器中心完畢3, 調(diào)整上下偏光鏡正交,并使目鏡十字絲與上下偏光鏡偏振方向平行;在正交偏光鏡條件下,將不同的晶體放在載物臺(tái)中心,緩緩移動(dòng)載物臺(tái)一周,在目鏡中仔細(xì)觀察,準(zhǔn)確,完整,簡練地描述和記錄你所觀察到地原始實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。深刻理解什么是全消光,什么是四次消光; 并判斷給出地幾種未知樣品是各向同性質(zhì)還是各

13、向異性。實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2012/11/08 15:15實(shí)驗(yàn)操作:1.觀察全消光現(xiàn)象及幾個(gè)晶片的消光現(xiàn)象,把看到的現(xiàn)象填入表格一中 載物臺(tái)上不放任何的晶片,調(diào)節(jié)起偏器及檢偏器,可以看到,當(dāng)兩片偏振片偏振方向平 行時(shí),通過目鏡上可以看到視場最亮;當(dāng)兩片偏振片偏振方向垂直時(shí),通過目鏡上可以 看到視場全暗。這就是全消光現(xiàn)象。 把A4晶片放在載物臺(tái)中心,緩慢旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)一周,發(fā)現(xiàn)四明四暗現(xiàn)象,這就是四次消光。將最明、最暗時(shí)的轉(zhuǎn)過的角度填入表格一中。 同理,用B片替換A4晶片,重復(fù)以上操作,也觀察到四次消光現(xiàn)象。 用C片替換B片后,發(fā)現(xiàn)無論如何旋轉(zhuǎn)載物臺(tái),視場的亮度都毫無變化。表格1觀察晶片的四次消光數(shù)據(jù)記錄A

14、1晶片載物臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度/ °54.098.8142.8188.0234.0279.0323.59.0明暗變化明暗明暗明暗明暗角度變化/ °44.844.045.246.045.044.545.545.0B晶片載物臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度/ °17.062.0108.0152.0195.0241.0288.0332.0明暗變化暗明暗明暗明暗明角度變化/ °45.046.044.043.046.047.044.045.0C晶片明暗無變化表格2 :觀察晶片的四次消光現(xiàn)象記錄晶片樣品異同性現(xiàn)象A1晶片各向異性隨晶片轉(zhuǎn)動(dòng)一周,目鏡中互明互暗交替四次,明亮呈綠色B晶片各向異性隨

15、晶片轉(zhuǎn)動(dòng)一周,目鏡中互明互暗交替四次,明亮呈淡黃色C晶片各向同性一片黑暗,轉(zhuǎn)動(dòng)晶片無色彩變化實(shí)驗(yàn)分析:上下偏振片偏振方向正交,所以不加晶片的時(shí)候,視場全暗。但是加入晶片之后,改變了偏振方向,對(duì)于單色光,當(dāng)a=0, n /2 , n,時(shí),Sin2 a = 0,即當(dāng)晶體的軸向與正交偏光鏡其中之一的偏振方向一致時(shí),合成光強(qiáng)為0,視野全暗,出現(xiàn)消光現(xiàn)象,此時(shí),晶片的位置為消光位置。當(dāng)a = n /4 , 3n /4 , 5 n /4,時(shí),Sin2 a=± 1即當(dāng)晶片的軸向處于 兩個(gè)偏光鏡的偏振方向中間時(shí),合成光強(qiáng)最大,視野最亮。因此,轉(zhuǎn)動(dòng)晶片一周,出現(xiàn)四暗、四明現(xiàn)象。所以實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)晶片轉(zhuǎn)到

16、某些地方的時(shí)候,偏振光完全經(jīng)過上偏振片;轉(zhuǎn)到某些地方的時(shí)候,偏振光完全正交偏振片,消光。通過角度變化的對(duì)比,可以看出,角度變化 大概是45°,符合四次消光原理。 判斷晶片是各向同性還是各向異性:因?yàn)锳4及B晶片隨著光軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度變化而產(chǎn)生明暗變化,所以是各向異性晶體;C晶片則沒有明暗變化,所以是各向同性晶體。4, 對(duì)已檢出地各向異性晶片,用一級(jí)紅插片判別其慢光方向,并估計(jì)其光程差,說明判斷依據(jù)。正交偏光鏡成 45度的位置,然后在試片孔中緩緩插入石英楔子,記錄視域中出現(xiàn)得干涉色,查閱表,根據(jù)其色序升降確定樣品得慢光振動(dòng)方向。同理可對(duì)斜切和平切片進(jìn)行上述操作,有余力的同學(xué)還可以對(duì)垂直切片

17、進(jìn)行觀測,看看能得出什么結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2012/11/08 15:45實(shí)驗(yàn)操作: 將一級(jí)紅插片插入補(bǔ)償器插口,可以觀察到視場的顏色變成了紫紅色。 將A1晶片放在載物臺(tái)中心,緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),發(fā)現(xiàn)視場的顏色大概在干涉級(jí)序I的下半部分及II的上半部分,具體顏色為橙色與綠色之間。表格3:晶片與一級(jí)紅插片疊加后的現(xiàn)象A1晶片角度/ °75165顏色藍(lán)綠淡黃波長/nm760375B晶片角度/ °23113顏色淡黃藍(lán)綠波長/nm360720插入一級(jí)紅插片由光程差補(bǔ)償原理可知:=AH 二1* =2 , AL = 2- 11九L ,2A1晶片快光與慢光方向如下坐標(biāo)圖所示:11同名軸:角AH

18、 al760 375i; = 567.5nm221 .1異名軸:2AH - AL(760 - 375) = 192. 5nmB晶片快光與慢光方向如下坐標(biāo)圖所示:11同名軸:匚 1ah 亠、al720 360 = 540nm221異名軸:二2AH -八AL2720 一 360) = 180nm實(shí)驗(yàn)分析:我們知道,已知一級(jí)紅插片的快軸,禾U用光程差補(bǔ)償原理:同名軸平行,光程差最大, 干涉色最高;異名軸平行,光程差最小,干涉色最低。所以只需要直接找到干涉周期中干涉色最高與最低的顏色,然后對(duì)比干涉色表找出兩片晶片的光程差,即可計(jì)算出兩片晶片分別的光程差。由于看到B晶片的干涉色最高、最低,跟A1晶片相比

19、,顏色幾乎一樣,所以兩片晶片的光程差一樣。5, 錐光干涉光測:光路中加入錐光鏡和勃氏鏡,仔細(xì)觀察晶片得錐光干涉圖,然后轉(zhuǎn)動(dòng)載 物臺(tái),觀測圖形得變化。對(duì)各種樣品都進(jìn)行觀察和記錄,找出這些干涉圖得相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。有余力的同學(xué),可以換用高倍物鏡重復(fù)上述操作,但必須重新校正物鏡中心。 鑒定光性正負(fù):依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理所提供得方法,確定所有垂直切片得光性正負(fù),鑒定斜切樣品得光性正負(fù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2012/11/15 14:35實(shí)驗(yàn)步驟: 調(diào)整上下偏振片,使其正交偏振,把錐光鏡插入顯微鏡光路中,把LN晶片放到載物臺(tái)上, 可以看到視場中有一個(gè)巨大的十字黑交叉,沿半徑向外,黑色交叉的寬度越來越大。其他地方則出現(xiàn)白光彩

20、色干涉條紋。 慢速旋轉(zhuǎn)載物臺(tái),圖像不發(fā)生變化。 插入石英楔子插片,可見圖像的一三象限干涉色序降低,二四象限干澀色序升高;一三象限干涉彩環(huán)向外擴(kuò)張,二四象限干涉向內(nèi)收縮;實(shí)驗(yàn)分析:因?yàn)殄F光鏡是中心聚焦的,而且LN晶片的光軸是Z軸,即平行于光路方向,所以旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)不會(huì)影響干涉的分布,即圖像不變化。根據(jù)快慢軸同異名,可以判斷出LN晶片為負(fù)光性KNSBN片:加入勃氏鏡看到的錐光圖案與LN片的圖案相似,中間出現(xiàn)黑色消光十字,十字周圍出現(xiàn)明暗彩色條紋,轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)條紋無變化。插入石英楔子,條紋在第一、三象限不斷擴(kuò)張,在第二、四象限不斷收縮;抽出石英楔子,條紋在第一、三象限不斷收縮,在第二、四象限不斷擴(kuò)張;由

21、此判斷KNSBN片為負(fù)光性。大方石英片:觀察大方石英片的錐光干涉圖案,可看到彩色條紋,但看不到黑十字,中心有黃白亮斑。緩慢插入石英楔子,觀察到一、三象限干涉色序升高,干涉條紋向內(nèi)收縮,由此可判斷大方石英片為正光性。小圓石英片:小圓石英片的錐光干涉圖案與大方石英片的圖案相似,但小圓石英片的顏色更明亮,條紋變化更明顯。緩慢插入石英楔子,觀察到一、三象限干涉色序升高, 干涉條紋向內(nèi)收縮,由此可判斷小圓石英片為正光性。片:未插入一級(jí)紅插片時(shí)圖案沒有出現(xiàn)彩色條紋,只有黑十字,視野一片白色,緩慢插入一級(jí)紅插片后,觀察到一、三象限干涉色序列升高,故片為正光性。6, 禾U用觀察埃利旋轉(zhuǎn)向得方法,判斷方和圓兩片

22、石英得旋光性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2012/11/15 15:00實(shí)驗(yàn)步驟: 把小圓石英片和大方石英片疊加,小圓石英片在大方石英片下方,放到載物臺(tái)上,通過顯微鏡目鏡可以看到圖 5圖像。 把大方石英片放在小圓石英片下方,再放到載物臺(tái)上,通過顯微鏡目鏡可以看到圖6圖像。圖5 :小圓石英片置于大方石英片下圖6:大方石英片置于小圓石英片下實(shí)驗(yàn)分析:出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因?yàn)榫w的旋光性特性,以上的圖像稱為埃利旋。 分析可知,小圓石英片是右旋石英,而大方石英片是左旋石英。思考與討論1. 對(duì)于觀察者來說,觀察消光現(xiàn)象和觀察錐光干涉圖時(shí),分別注重觀察什么內(nèi)容?答:觀察消光現(xiàn)象時(shí),應(yīng)該注重觀察視場中亮度的變化,要確保視域能出現(xiàn)全黑,這個(gè)是保證兩個(gè)偏光鏡正交的基準(zhǔn); 觀察錐光干涉的時(shí)候, 應(yīng)該注重觀察中間十字黑叉和彩色干 涉環(huán)。2. 實(shí)際觀察到的消光現(xiàn)象與你設(shè)想的有哪些不同?如何解釋 ?答:實(shí)際觀察到的視場在完全消光的情況下并不是像理論上那要完全黑暗,仍然有十分微弱的光出現(xiàn);其原因是上下偏振片的偏振方向并不完全垂直,而且上下偏振片方向刻度的不完全準(zhǔn)確。3. 觀察消色時(shí),你看到的顏色可能沒有列表中的那么豐富,為什么?此時(shí)你該如何應(yīng)用消色法則?答:原因是實(shí)驗(yàn)中使用的是自然白光,所以干涉顏色有限;肉眼的對(duì)顏色的分辨能力有限,對(duì)一些近似的顏色不能完全分辨;

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