Тема лекции №5: аппаратура для цветовых измерений

Общие сведения о колориметрической аппаратуре. Существуют два способа измерения цвета: спектрофотометрический и колориметрический.

Спектрофотометрический состоит в получении спектральной кривой объекта с последующим расчетом цветовых координат. Кривую отражения или пропускания для этой цели получают с помощью спектрофотометра. Вычисление ведется либо обычным путем, либо с помощью устройств, позволяющих автоматизировать эту операцию. Устройства, дающие возможность вести автоматический расчет координат по спектральным кривым, называются интеграторами цвета.

Спектрофотометрический способ измерения цветов относительно сложен, громоздок, но, с другой стороны, более точен, чем колориметрический, хотя при измерении темных цветов точность измерения снижается. Из-за сложности он применяется сравнительно редко – при отсутствии колориметров или в тех случаях, когда требования к точности измерений высоки, например при аттестации эталонов цвета.

Колориметрический способ измерения цветовых координат состоит в их непосредственном определении на колориметре. Колориметры могут быть визуальными или фотоэлектрическими. Визуальные приборы позволяют оценивать тождество или различие половин фотометрического поля на основании зрительного наблюдения.

Особую категорию колориметров составляют компараторы цвета. Их назначение – измерение цветовых координат с большой точностью. Так по данным Д. А. Шкловера, компаратор цвета ЭКЦ-1 для светлых образцов не менее чувствителен, чем глаз, для темных – чувствительнее глаза. Название прибора (лат. comparo – сравниваю) связано с тем, что указанная точность достигается в результате сравнения измеряемого образца с близким ему по цвету эталоном. Компараторы просты, практичны и, как правило, более дешевы, чем другие колориметрические приборы.

Нормализация условия освещения и наблюдения. В курсе теории фотографических процессов были рассмотрены типы отражения – направленное, диффузионное, смешанное, направленно-рассеянное. Отражение (и пропускание) во всех случаях описывается векторным диграммами – индикатрисами рассеяния. Для их получения яркость или силу света в данном направлении представляют векторами. Индикатрисой называют поверхность, огибающую концы этих векторов.

Условия освещения и наблюдения в фотометрии, в том числе в колориметрии, нормируют. Для краткости их зашифровывают дробью: в числителе – условия освещения, в знаменателе – условия наблюдения. Международный комитет по освещению (МКО) устанавливает четыре нормы (рисунок 5.1).

45⁰/0. Ось освещающего пучка составляет угол 45±5⁰ с нормалью к поверхности образца. Угол между направлением наблюдения и нормалью не должен превышать 10⁰, а угол раскрытия как освещающего, так и наблюдаемого пучков – не более 5⁰.

0/45⁰. Условия освещения, сформулированные выше, становятся условиями наблюдения, а условия наблюдения – условиями освещения.

Рисунок 5.1. Схемы условий освещения и наблюдения образца.

1 – интегрирующая сфера; 2 – экран; 3 – белая и черная насадка

Дифф/0. Для освещения образца используют интегрирующую сферу – внутреннюю поверхность шара, покрытую окисью магния или сульфатом бария (эталоны белого) и поэтому идеально рассеивающую свет. Угол между нормалью к образцу и осью пучка освещения не должен превышать 10⁰. Угол раскрытия наблюдаемого пучка не более 5⁰. Экран, показанный на рисунке (зеркальная ловушка), уменьшает возможность попадания на образец или стенку шара прямого отраженного света (зеркальной составляющей).

0/дифф. Условия освещения, указанные в предыдущей норме, становятся условиями наблюдения, и наоборот.

Коэффициент отражения в фотометрии цветных образцов измеряется как апертурный. Апертурой (лат. apertura – отверстие) называется пространственный угол раскрытия светового пучка (угловая апертура).

Измерение спектров. Учение об измерении распределения мощности излучения по спектру называется спектрофотометрией. Ее методы состоят в фотометрировании спектров, т. е. измерении распределения лучистых или световых мощностей по длинам волн или частоты (лат. spectrum – представление, образ).

Сущность спектрофотометрических измерений. Излучение с помощью диспергирующего устройства, например призмы или дифракционной решетки, разлагают в спектр (рисунок 5.2). При помощи щелевой дифрагмы из него выделяют узкий пучок света – интеграл Dl. Его направляют на приемник, реагирующий либо на мощность (фотоэлемент, термостолбик), либо на энергию пучка (фотографический материал).

Реакцию приемника измеряют. Зная характер зависимости между реакцией и мощностью (энергией), находят нужную спектральную величину, приходящуюся на данный интеграл или, как упрощенно считают на данную длину волны (середину интервала). После этого строят график зависимости, например светового потока от длины волны характеризующий спектральный состав излучения (спектр испускания источника).

Рисунок 5.2. Схемы измерения спектров испускания (а),

пропускания (б) и отражения (в)

Спектр отражения получают в результате сравнения монохроматических характеристик излучения, отраженного данной и белой эталонной поверхностью.

Устройства и детали спектральных приборов. Оптические приборы, предназначенные для разложения сложных излучений в спектр с целью его исследования, носят общее название спектральных.

Для получения спектра и выделения узких спектральных участков служат монохроматоры. Они применяются в сочетании с фотометром – прибором, позволяющим измерять мощности выделенных участков. Часто монохроматор и фотометр объединяют в один прибор, называемый спектрофотометром.

Спектральные приборы для регистрации спектра называются спектрографами. Иногда это название относится только к фотографирующим прибором, а те, в которых приемником служит фотоэлемент, называются спектрометрами.

В зависимости от типа диспергирующего устройства различают призменные, дифракционные и интерференционные приборы.

Коллиматор [лат. collimo (coollineo) – направляю по прямой линии], устройство, формирующее узкий параллельный пучок лучей (эл.-магн. излучение) или частиц (атомов, электронов, элементарных частиц).

Призмы, применяемые в фотометрических приборах разделяются на три класса: спектральные (дисперсионные), отражательные и поляризационные.

Спектральные призмы используются в качестве диспергирующих элементов призменных монохроматоров. Они бывают разных типов: от простой трехгранной до многокомпонентных. Сложные призмы применяются, например, для увеличения угловой дисперсии, оптимизации потерь света на отражение, придания лучу заданной длины волны определенного направления.

В отражательных призмах разложения в спектр не происходит. Они служат только для изменения направления пучка и для оборачивания изображения – его можно сделать обратным, или зеркально перевернутым.

Поляризационные призмы используются для получения плоскополяризационного света.

Осветительные приборы, разновидность световых приборов для освещения различных объектов (напр., светильники, прожекторы и др.).

Монохроматор в оптике, прибор для выделения узких интервалов длин волн (частот) оптического излучения. Основные элементы – дисперсионные призмы и дифракционные решётки.

Фотометр, прибор для измерения фотометрических (в т. ч. световых) величин: освещенности, силы света, светового потока, яркости, коэффициента пропускания и коэффициента отражения, а также величин характеризующих УФ и ИК излучения.

Колориметр, прибор для измерения цвета (напр. фотоэлектрический).

Компаратор (лат. compаrator, от comparo – сравниваю), измерительный прибор для сравнения измеряемой величины с эталоном. Различают компаратор оптические (напр. компаратор цвета ЭКЦ-1), электрические, пневматические и др.

Основная литература: 1[111-128]

Контрольные вопросы:

1 Спектрофотометрический способ

2 Спектрофотометр

3 Интеграторы цвета

4 Колориметрический способ

5 Визуальные или фотоэлектрические колориметры

6 Компараторы цвета

7 Индикатриса

8 Условия освещения и наблюдения в фотометрии

9 Апертура

10 Сущность спектрофотометрических измерений

11 Спектральные оптические приборы

12 Спектрограф

13 Спектрометр

14 Дифракционные и интерференционные приборы

15 Коллиматор

16 Призмы: спектральные (дисперсионные), отражательные и поляризационные

17 Осветительные приборы

18 Монохроматор

19 Фотометр

20 Колориметр

Тема лекции №6: СИСТЕМЫ СПЕЦИФИКАЦИИ (СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЦВЕТОВ)

Цветовой круг и цветовое тело. Системы рас­положения эталонов называются системами специ­фикации цветов.

В соответствии с принятой системой составляют альбом эталонов, называемый атласом цветов. В совре­менных атласах цветовые координаты каждого образца указываются. Поэтому атлас – не только система цветов, но и, в сущности говоря, визуальный колориметр. Его до­стоинства – простота, наглядность, компактность. Недос­таток безинструментального метода измерения цвета – малая точность. Однако погрешности определений при рационально составленном атласе не настолько велики, что­бы служить препятствием для широкого распространения такого метода измерения.

Цветовой круг. Естественной системой цветов служит спектр; его цвета изменяются в широко известной непре­рывной последовательности: за фиолетовым следует синий, затем голубой и т. д. В спектре находятся цветовые тона всех реальных цветов, за исключением пурпурных.

Изогнув узкую полоску спектра в незамкнутую окруж­ность (рисунок 6.1, толстая линия), замкнем эту окружность, введя пурпурные цвета – от фиолетово-красного, близко­го к фиолетовому, до красно-пурпурного, почти красного (пунктир). Пусть они будут иметь максимальную насыщен­ность, как и спектральные. Тогда получим систему, в кото­рой закономерно расположены все цветовые тона цветов природы при постоянной светлоте и насыщенности. Цвета такого круга обладают наибольшей насыщенностью, по­скольку они спектральные.

Расширим набор цветов, прибавив к нему цвета тех же тонов и светлот, но меньшей насыщенности. Расположим их внутри круга так, чтобы насыщенность постоянно пада­ла от максимального значения на периферии до нулевого в центре круга. Тогда любая линия, соединяющая централь­ную точку А с периферией (ГА, КА и т. д.), есть геометри­ческое место цветов постоянного цветового тона, и насы­щенности, падающей от максимального значения на пери­ферии круга до нуля в его центре. Точка А на­зывается ахроматической. Такая система, вклю­чающая цвета всех воз­можных цветностей при постоянной их светлоте, называется цветовым кругом. Он известен со времен предложившего его Ньютона.

На практике цветовой круг получают с помощью красок. Их цвета, естественно, менее насыщены, чем спектральные, и круг, об­разованный красочными образцами (тонкая линия на рисуноке 6.1), лежит внутри образованного спектром. Цвета образцов изменяются не непрерывно, подобно цветам спектра, а скачкообразно.

При некотором значении яркостей образцов цвет­ности вообще перестают различаться, и круг вырождается в точку, называемую «черной».

Пороги возрастают не только при уменьшении яркости, но и при ее увеличении сверх оптимальной. Тогда образцы оказывают слепящее действие, и при известных их яркостях круг опять превращается в точку, на этот раз в «белую». В соответствии с этим тело, включающее всевозможные цвета, получаемые с помощью красок и составляющие опре­деленную систему, имеет в общем случае форму двух кону­сов, совмещенных основаниями. Оно называется цветовым.

Рисунок 6.1. Схема получения цвето­вого круга

Остановимся на свойствах его оси и поверхности. На оси лежат ахроматические цвета, составляющие шкалу светлот тела. Ось поэтому называется ахроматической. На поверхности тела находятся цвета, имеющие при дан­ном уровне светлоты максимальную насыщенность. Цве­товое тело включает ту часть цветового пространства, ко­торая содержит цвета несветящихся тел, наблюдаемые при данном колориметрическом источнике. Эта часть простран­ства, однако, не обладает колориметрическими свойствами, потому что, как увидим ниже, цвета в ней распола­гаются не так, как в метрическом пространстве, например XYZ. Отметим, в частности, что спектральные цвета рас­положены не по локусу, а по кругу.

Цветовые круги, составляющие основу разных систем, получают располагая цветовые образцы, называемые также накрасками (или выкрасками), по окружно­сти. При этом расстояния между цветами не совпадают с расстояниями, показанными на рисунке 6.1. Располагают накраски, исходя из разных соображений. Авторы некоторых систем стремятся к тому, чтобы на концах диаметров на­ходились строго дополнительные цвета. Это дает возмож­ность вводить в систему важное свойство цветов – их до­полнительность. Более существенным является требование хотя бы приблизительной равноконтрастности цветов кру­га. Такое расположение значительно облегчает подбор эталонов круга к данному цвету. Если цвет произвольного образца не совпадает с цветами круга, то подбор заключа­ется в определении той пары накрасок, между цветами которой находится цвет оцениваемого образца. Эта задача решается легче и точнее, если эталоны равноконтрастны.

Пользуясь цветовым телом, создают атласы цветов. Цветные таблицы атласа изображают сечения тела. Их делают через ахроматическую ось и, кроме того, в некото­рых системах – перпендикулярно оси, т. е. на разных уровнях светлоты.

Как правило, атласы создаются полиграфическими ме­тодами. Получение тиража строго идентичных оттисков, которые должны служить эталонами цвета, – весьма трудная техническая задача.

Попытки создать рациональную систему спецификации цветов предпринимались начиная от Ньютона и Ламбер­та. С тех пор было предложено множество систем. Первые удачные решения принадлежат американскому художнику Манселлу (1915 г.) и немецкому физику Оствальду (1917 г.). Их работы не потеряли значения до настоящего времени, хотя в их основе иногда лежали представления, не исполь­зуемые современной колориметрией.

Система Оствальда. Цветовой крут Оствальда содержит восемь цветов, на основании которых классифицируются остальные, и назы­ваемых поэтому опорными. Их часто называют основными. Но этим термином пользуются для обозна­чения другого понятия. Поэтому цвета, на ко­торые опирается система классификации, будем называть опорными. Остальные цвета – промежуточные – обра­зуют группы, близкие к опорным.

Система Манселла. Цветовой круг Манселла содержит десять опорных цве­тов (рисунок 6.2), которые указаны на рисунке цифровыми и буквенными индексами: R – красный (red); YR – желто-красный, т. е. оранжевый (yellow-red); Y – желтый (yel­low); GY – зелено-желтый (green-yellow); G – зеленый (green); BG – сине-зеленый, т. е. голубой (blue-green); В – синий (blue); PB – пурпурно-синий, т. е. фиолето­вый (purple-blue); Р – пурпурный (purple) и RP – красно-пурпурный (red-purple).

Цифрами от 1 до 10 (рисyнок 6.2, б) обозначены группы цветов –опорные и близкие к ним. Всем опорным присвоен индекс 5. Дуги круга между соседними опорными цве­тами разделены еще на 10 частей (показаны на увеличенном фрагменте круга рисунок 6.2, б). В соответствующих точках дуг расположены промежуточные цвета, тона которых близ­ки к тонам опорных. Например, цвета 4R и 6 R весьма близ­ки к цвету 5R, но 4R имеет еле ощутимый пурпурный отте­нок (холоднее, чем 5R), a 6 R – оранжеватый (теплее 5R). В атласе практически представлены тона 2,5; 5; 7,5 и 10 каждого из опорных, как это указано на рисунок 6.2, б. Круг Манселла, в отличие от круга Оствальда, равноконтрас­тен, причем это относится как к цветовым тонам, так и к насыщенностям.

Рисунок6.2. Цветовой круг Манселла

a схема расположения опорных цветов; б увеличенный фрагмент

Система Рабкина. Система Рабкина (1956 г.) – первая из отечественных систем спецификации цвета, нашедшая широкое примене­ние.

Цветовой круг Рабкина показан на рисунке 6.3. На концах диаметров расположены не строго дополнительные, а кон­трастные (близкие к дополнительным) цвета. Автор системы считает, что при этом легче обеспечить равноконтрастность образцов. В круге 45 цветов, из которых 9 приняты за опор­ные. Это – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голу­бой, синий, сине-фиолетовый, фиолетовый и пурпурный. На рисунке

Рисунок6.3. Цветовой круг Рабкина

указаны доминирующие длины волн этих цве­тов. Между каждым из опорных находятся четыре проме­жуточных. Таким образом, в круге 9 групп цветов. Опор­ные занимают среднее положение относительно остальных цветов группы; их порядковые номера 3, 8, 13 и так далее через пять номеров.

Цветовое тело, предложенное Рабкиным. – два кону­са, содержащие только опорные цвета, поэтому оно ребрис­то (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4. Цветовое тело, предложенное Рабкиным

Цветовые таблицы атласа Рабкина представляют собой половины восьми сечений тела по опорным цветам (кроме голубого) и по промежуточным – красно-оранжевому, оранжево-желтому, желто-зеленому и зелено-голубому. Всего в атласе приведено 12 половин сечений.

Система смешения красок «Радуга». В полиграфии пользуются системами смешения красок. Они позволяют оформителям выбирать цвета, которые мож­но точно воспроизвести в данных условиях, а полиграфи­ческим предприятиям – составлять смесевые краски по рецептурным таблицам атласа, без предварительных проб.

Цветовое тело содержит цвета, получаемые с помощью данного набора красок.

Примером системы смешения служит разработанный во ВНИИКПП И. С. Файнбергом с сотрудниками атлас «Ра­дуга».

Для расположения цветов авторы воспользовались системой Манселла. На рисунке 6.5 показан цветовой круг, на котором пунктирными линиями представлены совокуп­ности цветов постоянного тона, но разной насыщенности, воспроизводимые данными красками. Точками с кружком и буквами Г, С, Ф и т.д. обозначены восемь опорных цве­тов системы, а точками и цифрами – промежуточные, т. е. входящие в каждую из восьми групп, 2,5 РВ; 5 РВ; 7,5 РВ и т. д. – символы Манселла (смотрите рисунок 6.2).

В основе системы находится триада красок субтрактивного синтеза: желтая краска (на основе пигмента желтого прозрачного О), пурпурная (на основе лака рубинового СК) и голубая (фталоцианиновый Б43У). Кроме того, были использованы краски, обеспечивающие бинарные цвета, т. е. получаемые в обычных условиях наложением двух красок субтрактивного синтеза. Это – красная (пигмент ярко-красный 2С), зеленая (пигмент зеленый фталоциани­новый) и синяя (лак основной фиолетовый). Для того чтобы компенсировать потери насыщенности при смешении кра­сок указанных двух типов (они, как и другие, имеют погло­щение по всему спектру), применялось еще несколько кра­сок промежуточных цветов.

Образцы промежуточных цветов обеспечивают равно­мерное заполнение цветового пространства. В круге 8 опор­ных и 24 промежуточных, а всего 36, как их назвали авто­ры, базовых цветов. Эти цвета были выбраны таким обра­зом, чтобы цветовое различие по цветовому тону между со­седними образцами не превышало ΔE = 10. Для каждого цвета получены 7-польные тоновые ряды (на рисунке ука­заны пунктиром) смешением соответствующих хроматичес­ких красок или их смесей с черной и белой.

Всего в атласе 259 образцов-эталонов цвета.

Рисунок 6.5. Схема расположения цветов атласа «Радуга» в цвето­вом круге

В таблицах атласа даны как колориметрические харак­теристики, так и рецептура красок для каждого из образ­цов. Это позволяет воспользоваться рецептом краски, обес­печивающей получение нужного цвета либо по его коло­риметрическим характеристикам, либо по положению в системе.

Основная литература: 1[129-143]

Контрольные вопросы:

1 Система специ­фикации цветов

2 Атлас цветов

3 Цветовой круг

4 Накраска или выкраска

5 Система Оствальда

6 Система Манселла

7 Система Рабкина

8 Система смешения красок «Радуга»

Дата добавления: 2014-12-08