ЦВЕТ

1. ЦВЕТ

1.1. Понятие цвета

Цвет — это жизнь, и мир без красок представ­ляется нам мертвым.

Как пламя порождает свет, так свет порождает цвет.

Цвет — это дитя света, и свет — его мать.

Свет, как первый шаг в создании мира, откры­вает нам через цвет его живую душу.

Иоханнес Иттен

Мир, в котором мы живем, чрезвычайно разнообразен и богат, и представляется человеку в двух главных формах — как вещество и свет. Основное восприятие ве­щественных предметов происходит при воздействии света на орган зрения — глаз, который позволяет человеку с помощью света оценить два важнейших качества предметов: форму и цвет.

Так что же такое цвет? За те годы, что существует наука о цвете давались мно­гочисленные оценки феномена цвета и цветового видения, однако все из них можно свести к одному простому определению: цвет — это ощущение (психофизиологиче­ская реакция), возникающее в головном мозге в ответ на свет, попадающий в глаз человека. Свет, например, белый солнечный, падая на окрашенные предметы, из­меняется (модифицируется) и, воздействуя на глаз наблюдателя, вызывает ощуще­ние того или иного цвета. Таким образом, человек имеет возможность видеть окружающие его предметы и воспринимать их цветными за счет света — понятия физического мира, но сам цвет уже не является понятием физики, поскольку это есть субъективное ощущение, которое рождается в нашем сознании под действием света. Следовательно, цвет является результатом взаимодействия света, объекта и наблюдателя.

В данной главе рассказывается о причинах различий в восприятии цвета, о том, какие факторы влияют на наше цветоощущение, и что происходит в процессе изме­нения этих факторов. Разъясняется вклад каждого из них в происхождение такого комплексного и многогранного явления как «цвет».

Но прежде, чем мы сможем перейти к рассмотрению факторов влияния на цвет, мы должны установить операционное определение видимого света.

Излучение, свет и цвет

Видимый свет — это энергия, находящаяся в форме излучения. Это электро­магнитное излучение имеет волновую природу, т.е. распространяется в пространстве в виде периодических колебаний (волн), совершаемых им с определенной ампли­тудой и частотой. Если представить такую волну в виде кривой, то получится сину­соида. Расстояние между двумя последовательными пиками этой синусоиды называется длиной волны и измеряется в нанометрах (нм). Вместе с видимым све­том существуют также прочие формы энергонасыщенного излучения: космические лучи, рентгеновское и тепловое излучения, микроволны, радиоволны и т. д. Поме­стив длины волн в график рядом с соответствующими типами излучений, мы полу­чим изображение электромагнитного спектра (Рис. 1).

Электромагнитный спектр показывает все длины волн, характеризующие тип электромагнитного излучения, от коротких гамма-лучей до длинных, таких как ра­диоволны. Среди прочих, в электромагнитном диапазоне присутствует небольшая часть, соответствующая видимому излучению. Таким образом, видимый свет — это одна из форм электромагнитного излучения, занимающая небольшую часть спектра электромагнитных излучений.

На рисунке 2 длины волн обозначены в нанометрах. Один нанометр — это одна миллиардная часть метра. Диапазон от 400 до 700 нанометров охватывает всю гамму воспринимаемых человеческим глазом цветов. Совокупность этих цветов в результате формирует восприятие белого света. Излучения до 380 и выше 760 нм мы не видим, но они могут восприниматься нами посредством других механизмов осязания (как например, инфракрасное излучение) либо регистрироваться специ­альными приборами.

Спектр видимого излучения

Видимый спектр можно получить, разложив луч белого солнечного света в стек­лянной призме на цветные монохроматические составляющие (Рис. 3). Преломле­ние света в призме (изменение направления распространения) тем больше, чем меньше его длина волны. Наиболее сильно отклоняются синие и фиолетовые лучи. Этот эксперимент впервые правильно объяснил Ньютон, подчеркнув, что лучи света разной длины волны только интерпретируются нами как цветные. При невысокой яркости мы уверенно выделяем в видимом непрерывном спектре солнечного света, например в радуге дождя, семь цветов (при условии, что каждый из них является фоном для других): красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фио­летовый. Их легко запомнить по первым буквам слов в мнемонической фразе — Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан. На самом деле различимых цве­тов видимого спектра значительно больше, и при достаточной яркости человек путем сравнения выделяет около ста тридцати спектральных цветов.

В диапазоне длин волн от 700 до 660 нм мы воспринимаем оттенки красного цвета, от 540 до 500 нм оттенки зеленого цвета, от 450 до 470 нм оттенки синего цвета и так далее. При этом количество оттенков каждого цвета различается. На­пример, в синем диапазоне наибольшее количество оттенков — около 23, в красном диапазоне наименьшее количество оттенков — около 6 (Рис. 4).

Более точное соответствие длины волны и воспринимаемыми нами оттенками того или иного цвета представлено в данной таблице:

Весь спектр можно разделить на две части: на теплые цвета — красный, оран­жевый, желтый, желто-зеленый, которые ассоциируются у нас с цветом огня, и хо­лодные цвета — зеленый, голубой, синий, фиолетовый, которые мы связываем с цветом льда и воды.

1.2. Факторы, влияющие на цвет

Так как цвет является результатом взаимодействия трех факторов — источника света, объекта и наблюдателя — следует рассказать о них более подробно.

1.2.1. Источники света

Первый фактор, влияющий на цвет, — это источник освещения. Один и тот же предмет, рассматриваемый при разном освещении, выглядит по-разному. Например, желтый предмет в свете лампы накаливания будет выглядеть

Причина различий в том, что два источника света имеют разный спектр излуче­ния: в спектре дневного света пик излучения приходится на синюю область; в спек­тре лампы накаливания максимальное значение — в красном и желтом диапазонах спектра, а минимальное — в синем и фиолетовом.

Электромагнитное излучение, производимое источником освещения, также можно представить в виде кривой излучения. В такой диаграмме ось Y будет обо­значать излучаемую энергию в значениях от 0 до 100%. При рассмотрении источни­ков освещения процент излучения (эмиссии) по данной длине волны берется от общей интенсивности излучаемого света.

При сравнении различных источников освещения очень важно обращать вни­мание на распределение энергии по всему излучаемому спектру, иными словами, на форму спектральной кривой излучения (Рис. 6). Общее количество излучаемой различными источниками освещения энергии может сильно различаться. Рассмот­рим несколько примеров, изучив спектры распространенных источников освещения.

Непосредственным источником дневного света является Солнце, излучение ко­торого за пределами атмосферы очень близко к излучению абсолютного черного тела с температурой 6560 К. Проходя через атмосферу, солнечный свет претерпе­вает значительные изменения в спектральном составе из-за избирательного погло­щения и рассеивания. Свет, освещающий земную поверхность, складывается из прямого солнечного света и света, рассеянного небосводом.

На рисунке 7 — кривая излучения солнечного света. Мы видим, что кривая имеет выраженный пик в синей части спектра. Это указывает на то, что солнечный свет несколько синеват.

Лампы накаливания

В лампах накаливания светящимся телом является раскаленная нить из вольф­рама. По цветовой температуре излучение вольфрама близко к излучению абсолют­ного черного тела. Цветовая температура излучения этих ламп равна 2850 К. К лампам накаливания относятся обыкновенные осветительные лампы, лампы-вспышки, предназначенные для фотографирования, кинопроекционные и т.д. Корот­кий срок эксплуатации этих ламп объясняется тем, что раскаленный вольфрам испаряется, происходит разрыв нити, и лампа перегорает.

Сравним солнечный свет с излучением лампы накаливания (Рис. 8). Очевидно, что спектр излучения лампы накаливания имеет пик в красной зоне спектра. Это ло­гично, так как лампа накаливания излучает свет, производимый раскаленной спира­лью. Наибольшая же часть энергии излучается в инфракрасном диапазоне, что воспринимается нами как тепло.

Флуоресцентные лампы (свет)

Зайдя в какое-либо производственное помещение, мы замечаем, что наша кожа и одежда приобретают зеленоватый оттенок. Это результат флуоресцентного освещения. Флуоресцентная лампа поглощает излучение определенной длины волны электромагнитного спектра и переводит его на другую длину волны уже в ви­димой части спектра, где и происходит излучение. Большинство флуоресцентных ламп наполнены газом, который ионизируется благодаря подаче напряжения элек­тропотенциала на ее электроды. Большая часть энергии излучается в ультрафио­летовой части спектра, но, как показано на рисунке 9, присутствуют также пики на некоторых длинах волн видимого спектра.

Ультрафиолетовые волны, излучаемые газом, улавливаются флуоресцентным покрытием на колбе лампы и вновь излучаются уже в границах видимого спектра. Это хорошо видно на диаграмме излучения, когда каждому пику предшествует провал.

Тип использованного флуоресцентного покрытия определяет форму кривой из­лучения. Холодные белые лампы излучают больше энергии в голубой части видимого спектра. Лампы теплых цветов имеют пик в его красной области. При сравнении ламп одного типа, но разных производителей, заметна разница в толщине и химическом составе флуоресцентного слоя, что приводит к появлению хорошо заметной разницы кривых излучения. Поэтому для работы с цветом необходимо указывать не только тип, но и производителя флуоресцентных ламп.

Натриевые лампы

Широко распространены также натриевые газоразрядные лампы. Они часто используются для освещения улиц, паркингов, заводов и прочих больших террито­рий благодаря их экономичности. Объекты, освещенные такими лампами, приобре­тают оранжевый оттенок.

На рисунке 10 видно, что спектр натриевой лампы имеет два резких пика в желто-оранжевой части диапазона видимого света. Объекты выглядят оранжевыми потому, что такой источник освещения излучает энергию в красно-желтом диапа­зоне.

Поскольку разные источники света излучают уникальные сочетания длин волн (спектр), то цвет предметов зависит и от типа осветителя. В связи с этим цветовые измерения следует производить при определенных условиях. Для этого в 1931 году были установлены три стандартных источника белого света: А, В и С. Спектральный состав их излучения точно известен и характеризуется через спектр излучения Аб­солютно Черного Тела (АЧТ).

АЧТ — это тело, поглощающее любое излучение, упавшее на него. В качестве АЧТ может служить теплоизолированная полость (шаровая, цилиндрическая или ко­ническая) из материала хорошо поглощающего излучение. Эта полость имеет не­большое отверстие для выхода излучения.

Излучательная способность АЧТ по длинам волн (его спектр излучения), как эталонного источника точно определяется только его абсолютной температурой в градусах по шкале Кельвина (К) (Рис. 11).

Стандартный источник света типа А воспроизводит условия освещения солнеч­ным вечерним светом с помощью вольфрамовой лампы накаливания. Источник А имеет спектр излучения АЧТ, нагретого до 2856 К. Эта температура называется цве­товой температурой источника света А.

Таким образом, цветовая температура источника света — это температура АЧТ, при которой АЧТ излучает свет того же цвета, что и источник света. Источник света типа B с цветовой температурой около 4874 К воспроизводит прямой солнечный свет. Источник света типа C с цветовой температурой около 6774 К воспроизводит рассеянный солнечный свет.

В дальнейшем были добавлены еще два типа стандартных источников света D и Е. Два таких источника D50 и D65 воспроизводят определенные фазы света после восхода солнца и соответствуют цветовой температуре 5000 К и 6500 К соот­ветственно. Источник типа Е — это гипотетический источник с равномерным распре­делением энергии по спектру.

Основное применение источников света — создание правильной освещенности рабочего места для адекватной оценки цветов и оттенков красок, вне зависимости от времени суток, погоды, наличия окон и т.д.

«Лампы колориста» обеспечивают более производительную и быструю работу при подборе цвета. Источники D50 или D65 применяются в качестве базовых ламп для работы по анализу образцов.

Ультрафиолетовая лампа необходима для приближения спектрального состава ламп к естественному дневному свету, поэтому рекомендуется использовать ее од­новременно с базовым светом. Кроме того, эта лампа необходима для сравнитель­ного анализа светлых образцов на содержание белых пигментов. Практический эффект основан на возникновении люминесценции (свечения) белых красителей под воздействием ультрафиолетового излучения.

Для использования в лампах выбраны пять источников для максимально точ­ного воспроизведения дневного спектра:

Тип А-30: один час до (или после) восхода (захода) солнца (прим. 6 или 20­21 ч.). Источник: вольфрамовая галогенная лампа 2950 К или люминесцентная лампа Extra High Color2800 К.

Тип CW40: утренний или вечерний свет (прим. 8-9 или 18-19 ч.). Источник: вольфрамовая галогенная лампа со специальным фильтровым стеклом 4200 К или люминесцентная лампа Extra High Color 4000 К Cool White Fluorescent.

Тип Daylight D50: прямой солнечный полуденный свет — стандарт «Noon Sky Daylight» (12-14ч.). Источник: вольфрамовая галогенная лампа со специальным фильтровым стеклом 5300 К или люминесцентная лампа Extra High Color 5400 К.

Тип Daylight D65: полуденный дневной свет в тени — стандарт «Average North Sky» (ASTM). Источники: люминесцентные лампы Extra High Color 6500 К, соответ­ствующие типуD65 или типу С, или галогенная лампа со специальным стеклом.

Ультрафиолетовая лампа ближнего диапазона UV-A — тип BLB.

1.2.2. Объект

Объект является вторым фактором, влияющим на цветовосприятие. Свет, по­падая на поверхность предмета, отражается, пропускается и поглощается. Отражен­ный свет «отскакивает» от объекта; пропускаемый свет изменяется, преломляется во время своего прохождения через толщину поверхности, а поглощенный свет более не выходит за границы поверхности объекта (Рис. 13).

Способность тела отражать и поглощать свет характеризуется коэффициентом отражения. Цвет поверхности зависит от того, лучи какой длины от нее отражаются. Отношение светового потока, отраженного поверхностью, к световому потоку, па­дающему на него, носит название спектрального коэффициента отражения (выра­жается в процентах) и является количественным выражением цвета.

Если по оси абсцисс отложить длины волн, а по оси ординат — коэффициенты отражения, то получим кривые, которые называются кривыми спектрального отра­жения и характеризуют способность тела отражать и поглощать свет разных длин волн, т.е. его цвет.

На рисунке 14 приведены кривые спектрального отражения поверхностей, окра­шенных в белый (1), черный (2), желтый (3), зеленый (4), красный (5) и синий (6) цвета. Видно, что зеленая поверхность хорошо отражает зеленые лучи (длина волны которых лежит в пределах 510-550 нм), хуже — голубые (480-510 нм) и желтые (575­585 нм), и почти не отражает остальные. Синяя поверхность хорошо отражает синие и фиолетовые лучи, несколько хуже — голубые и красные и совсем не отражает остальные. Для красных поверхностей максимум отражения приходится на красную и фиолетовую области, а для желтых — на желтую и оранжевую. Иначе говоря, цвет­ные поверхности обладают избирательной отражающей способностью.

Отражение света белой поверхностью, как видно из рисунка, представляет собой прямую. Белые поверхности в равной степени отражают волны всех длин, т.е. обладают неизбирательной отражающей способностью. Все поверхности, не изме­няющие спектральный состав падающего на них света и имеющие коэффициент от­ражения более 60%, называются белыми.

Черная поверхность поглощает все падающие на нее лучи. Так же как белая, черная поверхность обладает неизбирательной поглощающей способностью и на графике спектрального отражения может быть представлена в виде прямой, парал­лельной оси абсцисс. Поверхность тем черней, чем ближе эта прямая будет распо­ложена к оси абсцисс. К черным относятся все поверхности, имеющие коэффициент отражения менее 10%.

1.2.3. Обозреватель

Цвет поверхности предмета определяется спектральным составом отраженного от него светового потока, регистрируемого каким-либо прибором. Прибор, приме­няемый для измерения коэффициента спектрального отражения, называется спек­трофотометр. Наиболее чувствительным из всех известных в настоящее время оптических «приборов», способных различать множество цветов, является челове­ческий глаз. В данном разделе речь пойдет об обозревателе — человеке.

Человеческий глаз

Инструментом зрительного восприятия человека является глаз (Рис. 15). Нерв­ные окончания человеческого глаза, расположенные в сетчатке, улавливают отра­женный объектом свет. Сетчатка имеет два типа сенсоров: палочки и колбочки.

Палочки и колбочки различаются между собой содержанием в них светочув­ствительных веществ. Вещество палочек — родопсин (зрительный пурпур). Макси­мальноесветопоглощение родопсина соответствует длине волны примерно 500 нм (зеленый свет). Значит, палочки имеют максимальную чувствительность к излучению с длиной волны 500 нм (Рис. 16).

Предполагают, что светочувствительное вещество колбочек (йодопсин) состоит из смеси трех веществ, каждое из которых имеет свое максимальное поглощение, а, следовательно, и максимальную светочувствительность в коротко-, средне- и длинноволновой зонах спектра. Самая длинная часть спектра стимулирует красно-чувствительные колбочки (все оттенки от пурпурного до оранжевого), средняя — зе-леночувствительные (от изумрудного до желтого), короткая — синечувствительные (от голубого до ультрамаринового). Когда все три вида клеток получают раздражение одинаковой силы, человек видит белый цвет. При хорошем освещении глаза могут четко различить до 10 млн. оттенков, которые получаются при смешении трех ос­новных цветов.

Под действием света молекулы светочув­ствительных веществ диссоциируют¹ на положи­тельно и отрицательно заряженные ионы. Это создает в нервном волокне импульс, который распространяется по направлению к мозгу со скоростью до 100 м/с. Он передается в кору го­ловного мозга и вызывает восприятие цвета. Ре­акции светового распада родопсина и йодопсина обратимы, т.е. через некоторое время после того, как под действием света они были разло­жены на ионы, происходит их восстановление в своей первоначальной чувствительной к свету форме. Таким образом, в глазу устанавливается непрерывный цикл разрушения и последующего восстановления светочувствительных веществ. Это обеспечивает нормальную работу глаза в течение продолжительного времени.

Зависимость цвета от интенсивности света

Одним из самых примечательных свойств зрения является способность глаза адаптироваться к темноте. Когда из ярко освещенной комнаты мы входим в темную, то некоторое время ничего не видим, но затем начинаем различать предметы, кото­рые в первые мгновения не видели. Это в работу включаются палочки. При очень слабом освещении предметы кажутся лишенными окраски, например, сильно окрашенная бумага кажется бесцветной, красный лист — черным, а голубой и фиолето­вый — серыми. В слабо освещенном помещении человек становится цветослепым. Из-за того, что зрение в условиях темновой адаптации осуществляется с помощью палочек, а в условиях яркого света — с помощью колбочек, возникают интересные следствия: обесцвечивание предметов в слабом свете, а также отличие в относи­тельности яркости двух предметов, окрашенных в разные цвета.

Объяснить эти следствия можно с помощью кривых спектральной чувствительности палочек и колбочек. Максимальная чувствительность палочек (пунктирная кри­вая) лежит в области зеленого спектра, а колбочек (сплошная кривая) — в области желтого (Рис. 17).

Палочки реагируют на синий участок спектра лучше, чем колбочки. Но в то же время колбочки лучше воспринимают красный диапазон спектра. Поэтому красный предмет, хорошо видимый при ярком свете, не виден в темноте. Из кривых спектральной чувствительности палочек и колбочек следует, что при хорошем освещении красный предмет гораздо ярче синего, а в полутьме синий кажется ярче красного. Это явление называется эффектом Пуркинье. Например, днем алые цветы на клумбе кажутся ярче темно-зеленых листьев. В сумерки и поздно вечером этот конт­раст совершенно противоположен: цветы кажутся теперь немного темнее листьев.

Если красный и голубой цвета днем представляются одинаково яркими, то в сумерках можно обнаружить, что голубой цвет становится ярче до такой степени, что кажется, будто краска светится.

Главы