Введение понятий основных колориметрических характеристик цвета

Количественные характеристики цвета и света

Цветовой тон. Тщательные измерения показали, что в спектре разложения солнечного света цвета переходят друг в друга непрерывно. И, конечно, их не 7, а столько, сколько способен различить глаз. Каждый из этих цветов и является цветовым тоном. С точки зрения физики, для монохроматического излучения цветовой тон полностью определяется длиной волны. Как правило, цвета окружающего мира имеют сложный спектральный состав, причем это разнообразие зрением не констатируется: мы воспринимаем аккорд длин волн как один определенный цвет. Точно такой же по зрительному впечатлению цвет может быть получен смешением определенного монохроматического излучения с белым светом. Правда, спектральный прибор сразу обнаружит подделку. Остановимся на компромиссном определении.

Цветовой тон хроматического цвета - это длина волны такого монохроматического излучения, смешение которого в определенной пропорции с белым обеспечивает получение цвета, тождественного в визуальном отношении данному. Определение цветового тона путем указания длины волны ничего не говорит о его спектральном составе. Два излучения с одинаковым тоном могут иметь несколько различный спектральный состав.

Свет с одинаковым цветовым тоном может иметь различную яркость. Яркость монохроматического луча тем больше, чем больше переносимая им энергия. Но ощущение яркости зависит не только от попадающей в глаз энергии, но и от чувствительности глаза к свету данной длины волны. Например, красный луч с большей энергией будет казаться менее ярким, чем зеленый со значительно меньшей энергией.

Таким образом, яркость несветящейся поверхности зависит и от её отражающей способности и от количества падающей на эту поверхность световой энергии. Черный бархат при сильном освещении может отразить больше света, чем слабо освещенный белый шелк. Если в поле зрения попадают только отраженные лучи, то разделение вкладов отражения и освещенности невозможно, поскольку глаз получает только конечную интенсивность света, но не информацию о пропорции, в которой эти компоненты присутствуют в конечном результате. Наблюдатель не может провести строгого различия между яркостью предмета и его освещенностью, так как наблюдаемая яркость предмета зависит от распределения света и тени по всему полю видимости. Выглядит ли платок белым, - зависит не от абсолютного количества света, которое он посылает глазу, а от его места в шкале соотношения яркостей, которые наблюдаются в данное время. Если яркости всех предметов, находящихся в поле зрения увеличить или уменьшить в одинаковое количество раз, то глазу будет казаться, что соотношение между яркостями не изменилось. Но если относительную яркость предметов изменить непропорционально, то глаз сразу отреагирует.

Чтобы избежать указанных проблем, вызванных особенностями зрительного восприятия, рассмотрим так называемые фотометрические величины. Всякий светящийся предмет излучает энергию.

Потоком энергии излучения называется энергия Q, проходящая в единицу времени t через произвольную площадку. Поток измеряется в ваттах - Вт.

Поток энергии изучения измеряется объективно при помощи физических приборов. Следует различать понятия поток энергии излучения и световой поток.

Световой поток оценивается по действию потока энергии излучения на зрительную систему человека и измеряется в люменах (лм). 1 люмен равен световому потоку, излучаемому изотропным источником с силой света 1 кандела (кд) в пределах телесного угла 1 стерадиан (ср): 1 лм = 1 кд ×1 ср. Установлено, что световому потоку в 1 лм, образованному излучением с длиной волны 555 нм соответствует поток энергии 1,46 мВт. Величина 1,46 мВт/лм называется механическим эквивалентом света. Световому потоку в 1 лм, образованному излучением с другой длиной волны соответствует поток энергии

, мВт,

где функция характеризует спектральную чувствительность зрения человека. Разберемся, почему эти два потока с похожими названиями не совпадают. Действие света на человеческий глаз сильно зависит от длины волны, что можно охарактеризовать кривой относительной спектральной чувствительности. Максимум чувствительности соответствует излучению с длиной волны 555 нм (зеленый свет). Вблизи границ видимой области глаз почти полностью теряет чувствительность, чего нельзя сказать о физических приборах. Прибору все равно, “какого цвета энергия”, а глазу - нет. Разумеется, создание оптического прибора с такой же кривой спектральной чувствительности, как у глаза, вполне возможно. Но на практике проще ввести пересчетные коэффициенты для перехода от потока энергии излучения к световому потоку для среднестатистического человеческого глаза. Именно для этого и служит функция - относительная спектральная чувствительность. Функция принимается равной 1 при λ = 555 нм. Для других длин волн эта величина меньше 1. Например, = 0,5 означает, что для получения зрительного ощущения такой же интенсивности свет с длиной волны λ должен иметь величину потока энергии в 2 раза большую, чем свет с длиной волны λ = 555 нм. Для малого интервала длин волн dλ соответствующий малый световой поток dF, измеряемый по интенсивности зрительного впечатления, определяется как произведение потока энергии dФ на

.

Сила света - это отношение светового потока точечного источника к величине телесного угла Ω, в котором он распространяется:

.

Для изотропного источника , где F - полный световой поток источника. Единица силы света, кандела (кд) в системе СИ является основной 1 кд = 1 лм / ср. Ее значение принимается таким, чтобы полный излучатель при температуре затвердевания платины излучал 60 кд с каждого квадратного сантиметра своей поверхности.

Справка. Канде́ла (от лат. candela — свеча) — одна из семи основных единиц системы СИ, равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540×10¹² герц (зеленый свет), энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого абсолютно чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см ² при температуре плавления платины (2042,5 К). Коэффициент 1/683 выбран таким, чтобы новое определение соответствовало старому.

Освещенность Е определяют как световой поток, падающий на единицу площади поверхности

.

Единица освещенности - люкс (лк): 1 лк = 1 лм/м ². Поскольку

dФ_пад =JdΩ, где dΩ = dS cos α/r ², следовательно

.

Цвет светящихся тел характеризуют яркостью, несветящихся - светлотой, которая по смыслу приводимых ниже определений является относительной яркостью.

Яркость (В) - сила света, отнесенная к единице площади светящейся поверхности, расположенной перпендикулярно направлению света:

В = J/S.

Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м ²).

Светлота характеризует степень отличия данного цвета несветящегося тела от белого или черного. Человек способен различать до 400 серых оттенков. Вспомним, что белое отражает весь свет, а черное - весь поглощает. Серое - часть поглощает, а часть отражает. Чем больше поверхность отражает, тем она светлее. Понятие светлоты применимо и к хроматическим цветам. В этом случае под светлотой понимается наличие в цвете того или иного количества черного или белого. Количественно светлотой (L) называется отношение яркости отраженного (или пропущенного) телом светового потока, к яркости падающего на тело светового потока.

Насыщенность. У разных объектов, которые мы видим имеющими окраску, например, спектральных цветов, цветовой тон выражен очень резко, у других - едва заметно. Это качество характеризуют термином насыщенность. Насыщенностью называется степень отличия хроматического цвета от равного ему по светлоте ахроматического.

Чистота (Р) показывает степень выражения цветового тона в данном цвете, иначе говоря, выражает степень разбавления спектрального света белым светом. Например, если смешать спектральный свет (λ = 500 нм) и яркостью 40 кд/м ² и белый свет с яркостью 80 кд/м ², тогда чистота Р этого цвета равна

≈ 0,33 = 33 %.

Наибольшей чистотой (100%) обладают монохроматические цвета. Ахроматические цвета обладают нулевой чистотой.

Относительная степень яркости может быть проиллюстрирована хорошо известными художникам методами изображения светящихся предметов. Одним из условий (но не единственным) распознавания зрительным аппаратом предмета как светящегося, является значительное превышение его яркости по отношению к яркости остального зрительного поля при относительно небольшой площади предмета. При этом абсолютная яркость светящегося предмета может быть довольно низкой, как, например, в знаменитых светящихся золотистых тонах на полотнах Рембрандта. Если бы свечение не было относительным эффектом, реалистическая живопись никогда не смогла бы убедительно показать небо, свет свечи, огонь и даже молнию, солнце, луну.

Дата добавления: 2014-01-07