2. Физика цвета

2.1. Избирательное и неизбирательное отражение. Хроматические и ахроматические цвета. Зависимость цвета предмета от спектрального состава, падающего на него света.

Если наблюдать при белом (дневном) и различном цветном освещении белую, серую и черную поверхности, то можно заметить, что ахроматические поверхности при цветном освещении выглядят хроматическими, приобретая цветовой тон одинаковый с цветом освещения

Восприятие цветов под воздействием света

Так, при красном свете они выглядят красноватыми или красными при зеленом — зеленоватыми или зелеными и т. д. Если же наблюдать при белом и цветном освещении хроматические поверхности, то увидишь совсем иное изменение их цвета. Например, красная поверхность под местным красным освещением становится более насыщенной красной, а под зеленым — выглядит очень темной и почти бесцветной, зеленая же поверхность под красным освещением выглядит темной и бесцветной, а под зеленым — насыщенно зеленой.

Это объясняется тем, что от ахроматических поверхностей отражаются в равной мере все зоны спектра (т. е. той разноцветной полоски, которую можно наблюдать в спектроскопе или на белом экране при разложении белого света). От хроматических же поверхностей различные спектральные излучения отражаются неодинаково: от красных поверхностей в большей мере отражается красно-оранжевая часть спектра и в меньшей мере сине-зеленая, от зеленых поверхностей, наоборот, — в большей мере сине-зеленая часть спектра и в меньшей красно-оранжевая.

Другими словами, ахроматические тела (поверхности) отражают свет неизбирательно, в равной мере в пределах всего спектра, всех его зон, а хроматические — избирательно, больше в пределах одних спектральных зон и меньше в пределах других зон. Та часть света, которая не отражается телом, поглощается им, переходя в другие виды энергии (главным образом в тепловую).

Значит, ахроматические тела обладают неизбирательным поглощением, а хроматические тела — избирательным. Если на красное стекло направить красный же свет, то он свободно пройдет через стекло. Если же направить зеленый свет, то он в значительной мере поглотится в стекле, и стекло на просвет покажется почти бесцветным, темным. Красное и зеленое стекла, взятые вместе, мало пропускают через себя света и на просвет кажутся очень темными. Желтое же и синее стекла, сложенные одно с другим, пропускают через себя зеленый свет. Все это объясняется тем, какие световые лучи пропускаются взятыми стеклами, а какие не пропускаются (поглощаются свет).

Хроматические и ахроматические цвета

В зависимости от спектрального состава отражаемого поверхностью тела лучевого потока все цвета можно разделить на две группы. К первой группе относятся белые, серые и черные цвета, иначе говоря, цвета, которых нет в составе спектра. В цветоведении белые, серые и черные цвета принято называть ахроматическими, т. е. бесцветными. Белых цветов в природе много: его имеют писчая бумага, снег, гипс, белила, яичная скорлупа и др. Одни из этих предметов светлее, другие темнее. Черных цветов тоже много, и они тоже неодинаковые. Черный бархат темнее черного сукна, черное сукно темнее черного шелка. Серые цвета тоже очень разнообразны. Отличаются друг от друга цвет дыма и цвет асфальта, цвета графита и стального листа.

Ко второй группе относятся красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие, фиолетовые и пурпурные цвета со всеми переходами между ними. Эти цвета называются хроматическими, т. е. цветными.

Ахроматические цвета отличаются друг от друга только степенью светлоты. Взяв два различных серых цвета, мы всегда увидим, какой из них светлее, а какой темнее, так как это легко определяется на глаз. Глаз человека способен различить более 300 переходов ахроматических цветов.

Все ахроматические цвета можно расположить в ряд, начав с самого светлого и кончая самым темным. Образуется так называемый один непрерывный ряд по светлоте. На одном его конце находится белый цвет, на другом — черный.

Физическим свойством предмета, имеющего какую-либо окраску, является избирательное поглощение всегда одинаковой части лучей падающего на него света; цвет же предмета может быть различен в зависимости от спектрального состава того света, которым освещен предмет.

С физической точки зрения, цвет предмета – это отношение между освещением, полученным предметом, и отраженным от предмета светом.

В реальных условиях цвет объ­екта зависит не только от длины волны отражаемого им света, но и от того света, который его освещает. При изменении спектрального состава падающего света, т. е. при изменении условий освещения предмета, изменится и отражаемый им свет. Чтобы убедиться в справедливости этих слов, не нужны никакие специальные экс­перименты. Желтоватый свет знакомой всем электрической лампочки с вольф­рамовой нитью накаливания (в нем преобладают длинноволновые лучи) заметно отличается от голубоватого света люминесцентных ламп (в нем преобладают ко­ротковолновые лучи), и оба они совсем не похожи на естественный солнечный свет, содержащий примерно в равном количестве все длины волн, образующие видимую часть спектра. Следовательно, может показаться, что и воспринимаемый нами цвет любого предмета тоже будет изменяться в зависимости от того, каким светом он освещается. Однако в известных пределах предметы и поверхности сохраняют присущий им цвет при изменении спектрального состава падающего на них света. Иными словами, хотя спектральный состав света, отражающегося от поверхности предмета, на самом деле и изменяется при изменении спектрального состава пада­ющего света, мы, как правило, не замечаем никаких изменений его цвета, а если и замечаем, то лишь очень незначительные. Явление, в соответствии с которым цвет предмета остается постоянным, несмотря на изменение спектрального состава па­дающего на него света, называется константностью восприятия цвета.

Мы настолько привыкли к константности цветовосприятия, что обычно не осо­знаем ее. Однако ее существование нетрудно доказать, используя некоторые цве­та, упомянутые в этой главе. Зеленая поверхность воспринимается одинаково независимо от того, каким светом она освещается, — электрическим или люми­несцентным, а это значит, что в данном случае имеет место константность цвето­восприятия. Но если смотреть на ту же зеленую поверхность через «искусствен­ный зрачок» — крошечное отверстие в непрозрачном картоне, через которое не видно ничего, кроме этой зеленой поверхности, — выяснится, что ее цвет зависит от спектрального состава падающего света: при люминесцентном свете она будет казаться сине-зеленой, а при электрическом — желто-зеленой. При подобных огра­ниченных возможностях зрительного восприятия константность цветовосприятия исчезает.

2.2. Основные величины, характеризующие световую энергию (скорость света, длина волны (частота), мощность излучения, распределение мощности по длинам волн (спектральный состав света), интенсивность излучения). Дисперсия света.

Свойства и характерные особенности света, попадающего в глаз, могут быть определены и выражены в величинах, не имеющих отношение к глазу. Эти измерения и понятия относятся целиком к сфере физики и определяются методами, для которых не имеет значение, виден свет или нет. Физик может определять количество и качество света объективно, не прибегая к помощи наблюдателя.

Излучения (объективно существующее физическое явление) вызывают ощущения определённых цветов, но сами по себе цвета не имеют. Ощущение цвета возникает в зрительном аппарате человека. Цвет не существует независимо от него и не является объективной физической величиной. Для описания цвета применимы как объективные, так и субъективные качественные и количественные оценки его основных характеристик.

Цвет характеризуется в физике интенсивностью излучения и его спектральным распределением.

Скорость света

в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [це]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом.

с = 299 792 458 ± 1,2 м/с примерно 3 * 10⁸

Световые волны отличаются формою световой волны, получающейся в результате смешивания между собой световых волн различных длин. Форма световой волны обусловливает насыщенность цвета.

Длина волны

Монохроматические излучения имеют одну длину волны. Длина волны- это расстояние между двумя впадинами или горбами. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Самая длинная-красная ,самая короткая- сиреневая.

Амплитуда

Максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Неотрицательная скалярная величина, размерность которой совпадает с размерностью определяемой физической величины.

Период

Наименьший промежуток времени, за который колебательная система совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние, в котором он находился в первоначальный момент, выбранный произвольно).

Частота

Число колебаний в 1 с. Величина, обратная периоду колебаний.

Частота обратно пропорциональна периоду колебаний: f(v) = 1/T= n/t (n- количество повторений или возникновения событий (процессов), t- время). Единицей измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) является герц (русское обозначение: Гц;

Фаза колебаний

Величина, которая определяет положение колебательной системы в любой момент времени. Обозначается φ. Измеряется в радианах. фаза колебаний определяет состояние колебательной системы в любой момент времени. Сдвиг фаз еще иногда называют разностью фаз. φ = ω0*t = 2*pi*t/T.(Омега -циклическая частота колебаний. Циклическая частота равна числу циклов (колебаний, оборотов) за 2π секунд).

Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Самая длинная - красная ,самая короткая- сиреневая. Красная световая волна преломляется меньше, чем сиреневая.

Длина волны — это расстояние между двумя соседними волнами сигнала. Чтобы определить полную длину волны, необходимо измерить расстояние между двумя одинаковыми точками двух соседних волн. Обычно для определения этой величины используется расстояние между пиками двух волн. Длина волны напрямую связана с частотой потока сигнала. Чем больше частота сигнала, тем меньше длина волны. Такая зависимость обусловлена увеличением количества повторений (ростом частоты) волны сигнала в течение одного и того же промежутка времени с уменьшением длины волны.

Длина волны измеряется в метрах, и каждому значению длины волны соответствует определенная частота. Соотношение между длиной волны и частотой для электромагнитных волн в вакууме выражается следующей формулой:

Метрическая система, или указание длины волны в метрах, чаще всего используется в радиосвязи для обозначения полосы или диапазона частот. Например, если в приведенную выше формулу подставить значение частоты, равное 2498 кГц (2498000 Гц), то длина волны будет равна 120,0960. После округления получим длину волны, равную 120 метрам.

длина волны [лямбда] = 1 м скорость распространения волны [ v ] = 1м/с период колебаний [ T ] = 1c частота колебаний [ ню ] = 1 Гц

Нм = одной миллиардной части метра (то есть 10−9 метра).

Поток(мощность) излучения Ф -энергия излучения, переносимая в единицу времени. Измеряется в ваттах, в эргах в секунду, в калориях в секунду. Если излучение монохроматично ,то Ф= Ф волны. Если сложный спектральный состав, то Ф = сумме Ф длин волн.

НЕ ПУТАТЬ!

Мощность излучения - энергия излучения, переносимая в единицу времени.

Световой поток - физическая величина, которая оценивает мощность видимого излучения, по его действию на глаз человека, адаптированный к свету. Эта фотометрическая величина позволяет оценить мощность видимого света по его действию на сетчатку глаза. Единица - 1 люмен

Физическая величина, одна из энергетических фотометрических величин. Характеризует мощность, переносимую оптическим излучением через какую-либо поверхность. Равен отношению энергии излучения, переносимой излучением через поверхность, ко времени переноса.

Поток излучения(мощность) = W/t (W- энергия излучения)

W - Представляет собой энергию, переносимую оптическим излучением (в Дж или эрг)

Мощность излучения, распределение мощности по длинам волн (спектральный состав света), интенсивность излучения). Дисперсия света

Избирательное рассеяние света — дисперсия — выражается в том, что различные монохроматические излучения рассеиваются по-разному. Избирательное рассеяние зависит от размеров мельчайших частиц отражающей свет поверхности. Определенное монохроматическое излучение отражается от частицы только в случае, когда длина его волны меньше диаметра частицы. Если мельчайшие частицы малы, чтобы рассеивать длинноволновое излучение, но достаточно велики, чтобы отражать коротковолновое излучение, рассеяние будет избирательным. Красные и оранжевые спектральные излучения станут проходить беспрепятственно, а синие и фиолетовые будут рассеиваться.

Из-за избирательного рассеяния атмосферы небо в средней полосе имеет не сине- фиолетовый цвет, как в горах, а голубой.

Спектральный состав света

Спектр – электромагнитные излучения, в общем смысле называется зависимость интенсивности от его частоты, либо длины волны. Спектр излучения образуется при испускании возбужденными системами.  Распределение энергии по частотам, т. е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум при определенной частоте. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Оптическая область спектра электромагнитные излучений состоит из трех участков: невидимых ультрафиолетовых излучений (длина волн 10—400 нм), видимых световых излучений (длина волн 400—750 нм), воспринимаемых глазом как свет и невидимых инфракрасных излучений (длина волн 740 нм — 1—2 мм).

Световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяют на простые (монохроматические) и сложные. Излучение с определенной длиной волны называют монохроматическим.

Простые излучения не могут быть разложены ни на какие другие цвета.

Спектр — последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания.

Спектральная характеристика излучения полностью определяет цвет, но наблюдаемый цвет не определяет своего спектрального состава, вызвавшего данное цветовое ощущение. Объяснение этому кроется в метамерии цветов: цвета различного спектрального состава, могут вызывать у человека одинаковое ощущение цвета.

В природе излучение от различных источников света либо предметов редко является монохроматичным, т.е. представленным излучением только одной определенной длины волны, и имеет довольно сложный спектральный состав, т.е. в нем присутствуют излучения самых различных длин волн.

Если представить эту картину в виде графика, где по оси ординат будет отложена длина волны, а по оси абсцисс — интенсивность, то мы получим зависимость, называемую цветовым спектром излучения или просто спектром цвета. Для окрашенных поверхностей спектр цвета определяется как зависимость коэффициента отражения ρ от длины волны λ, для прозрачных материалов — коэффициента пропускания τ от длины волны, а для источников света -— интенсивности излучения от длины волны.

Интенсивность - мощность, переносимая световой волной через единичную площадку.

Интенсивность(I или R) - яркость определённая в энергетической фотометрии, не отнесённая к кривой чел. глаза. Это мощность источника света (лампочки) , но отнесенная к единичной площади (размерность — Вт/м2). Единицей измерения интенсивности в Международной системе единиц (СИ) является Вт/м², в системе СГС — эрг/с·см².

Дисперсия

Дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия).

у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,

у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

В 1666 году двадцатитрехлетнего Исаака Ньютона заинтересовало поведение солнечных лучей, проходящих через призму — стеклянное тело, имеющее в сечении треугольник. Его исследования показали, что цвет возникает в результате взаимодействия белого света с материей. Призма преломляла каждый луч света, то есть после прохождения через призму направление луча менялось. Но призма не только преломляла солнечный свет, а и превращала его в многоцветный расходящийся луч, составленный из тех же цветов и в том же порядке, что и радуга. Спектр, увиденный Ньютоном, включал семь основных цветов — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый — вместе с тем четкой границы между ними не было (рис. 1.1). Солнечный цвет разлагается призмой на спектральные лучи от красного до фиолетового. Невидимые инфракрасная и ультрафиолетовая области находятся далее за пределами спектра, который способен различать человеческий глаз.

Рис. 1.1. Разделение белого цвета на составляющие компоненты

Ньютон пришел к заключению, что белый солнечный свет представляет собой сочетание различных видов света, каждый из которых окрашен в один чистый цвет, и что призма преломляет эти цвета в разной степени: красный — в наименьшей, фиолетовый — в наибольшей, остальные — в порядке расположения. Он обнаружил, что если смешать цвета спектра, например, собрав его свет линзой, то окраска получается белая. Выключая некоторые цвета перед тем, как соединить остальные, он получал окрашенный свет. Причем окраска эта не имела сходства ни с одним из цветов спектра. Открытие, сделанное Ньютоном, заключается в следующем: окраска любого объекта зависит от того, какой свет идет от него к глазу наблюдателя. Это в свою очередь зависит как от характера света, падающего на объект, так и от поверхности объекта, отражающей, поглощающей и пропускающей отдельные лучи спектра. Если в свете, падающем на поверхность, отсутствуют некоторые цвета, не будет их и в свете, отраженном от этой поверхности. Однако «истинный» цвет отражающей поверхности, ее окраску при обычном белом освещении можно точно определить, выразив в форме числовой таблицы или графика соотношение лучей спектра, которые она отражает. Белый свет синтезируется, когда собирательная линза воссоединяет лучи спектра (рис. 1.2, а). Но если преградить путь части спектра, смесь окрасится в дополнительный цвет. Когда путь прегражден зеленому лучу (рис. 1.2, б), получаемый свет имеет окраску пурпурного цвета, который является дополнительным к зеленому.

а

б

Рис. 1.2. Смешивание цветов

Если соотношение отражаемых спектральных лучей схоже с соотношением, свойственным солнечному свету (преобладание сине-зеленых лучей и уменьшение содержания других цветов по краям спектра), то поверхность принимает белую окраску. Если же в соотношении спектральных лучей есть сдвиг в сторону, например, красной части спектра, то поверхность имеет красноватый оттенок, а если в отражаемом свете доминируют голубые тона, то и поверхность имеет голубоватый оттенок. Соотношение цветов в спектре, вызывающее появление той или иной окраски объекта — явление сложное. Но в общих словах можно утверждать, что, если поверхность при белом освещении окрашена в определенный насыщенный цвет, значит, одни спектральные лучи падающего на нее света она отражает, а другие — активно поглощает. Если поверхность имеет черную окраску, значит, она поглощает все цвета спектра.

3. Психофизика цвета

3.1. Научное исследование зрительного механизма в данных конкретных условиях – область психофизики. В настоящее время психофизика ограничена оценкой световых лучей по отношению к данным стандартного наблюдателя, полученных в нормальных условиях.

1. Цвет (воспринимаемый); цветовое ощущение — аспект зрительного восприятия, позволяющего наблюдателю различать цветовые стимулы,, отличающиеся по спектральному составу излучения, т. е. отличать один объект от другого, если различие между ними обусловлено только различием спектрального состава исходящего от них света.  2. Цвет (в колориметрии) — трехмерная векторная величина, характеризующая группу излучений, визуально неразличимых в колориметрических условиях наблюдения, т. е. в таких условиях визуального сравнения, при которых любые излучения одинакового спектрального состава неразличимы глазом *.