8.4. Цвет и его измерение

8.4.1.Общие понятия и приемы измерения цвета

В практической работе бывает необходимо характеризовать окрашенные тела по их цветовым свойствам. При этом общепринятое употребление термина «цвет» часто означает характеристику видимого светового потока, попадающего в глаз, по его цветовому качеству. В колориметрии термин «цвет» употребляется для обозначения видимого светового потока не только по его цветовому качеству, но и по величине или яркости. Для обозначения качественного цветового различия двух потоков, без учета их величин, правильнее применять термин «цветность». Поэтому полная характеристика цвета складывается из его яркости (количественная характеристика) и цветности (качественная характеристика).

Определение цвета неразрывно связано с физиологическими особенностями восприятия цвета человеком. Глаз человека способен воспринимать излучение с длинами волн в пределах 390…760 нм. Цвет монохроматического излучения определяется значением соответствующей ему длины волны и его яркостью или энергией. Однако в обычных условиях жизни цветовые ощущения вызываются не монохроматическими лучами, а сложной совокупностью лучей различных длин волн, испускаемых или отражаемых каждым телом.

Следовательно, цветовые свойства тела определяются спектральным составом светового потока, т. е. зависят от состава излучения и относительной интенсивности лучей различных длин волн, составляющих его спектр.

При этом результирующий цвет обусловлен законами смешения цветов, происходящего при одновременном попадании в глаз лучей различных длин волн. При восприятии глазом всех световых лучей, составляющих спектр Солнца, получается впечатление белого цвета. Все окрашенные тела должны обладать неодинаковым (избирательным) отражением или поглощением лучей, составляющих белый цвет. В этом случае меняется состав попадающего в глаз светового потока, а следовательно, и результирующий цвет. Следует подчеркнуть, что спектральная характеристика однозначно связана с цветом, но по цвету нельзя точно установить спектральный состав излучения. Например, белый солнечный цвет и белый цвет, полученный от смешения только двух дополнительных цветов, могут быть для глаза совершенно тождественными.

На основании изученных свойств глаза воспринимать потоки того или иного спектрального состава была установлена возможность получения всего многообразия цветовых тонов, видимых глазом, путем смешения трех основных цветов в соответствующих пропорциях.Из этого факта вытекает возможность характеризовать любой цвет тремя числами, тремя координатами. Для оценки спектральных цветов, выбранных в качестве основных (красного Х, зеленого У, синего Z устанавливаются некоторые произвольные единицы. Указание количества основных цветов в смеси однозначно характеризует результирующий цвет. Изменение этих чисел в одном и том же отношении меняет лишь яркость цвета, т. е. его количество, но не качество. Цветность при этом не меняется. Таким образом, цвет (его яркость и цветность) однозначно определяется трехцветными координатами Х, Y, Z при определенном источнике света. Любая точка на цветовом графике характеризуется трехцветными коэффициентами, которые зависят от количества и качества основных цветов, составляющих результирующий цвет, и численно равны:

х = ; у = ; z = . (8.6)

При этом в качестве источника принят источник равноинтенсивного излучения Е. Его цветности соответствуют х= у = 1/3.

Таким образом, задача измерения цвета сводится к определению величин Х, Y, Z. Обычно для их измерения используют колориметры – приборы со строго стандартизованными фильтрами и источником света.

Кроме источника Е, пользуются источниками белого цвета А, В, С. Источник А – отградуированная лампа накаливания, нить которой имеет цветовую температуру 2854 К, она соответствует условиям вечернего освещения. Источники В и С представляют собой лампы накаливания со специальными фильтрами, выделяющими излучение, эквивалентное по составу источникам с цветовой температурой 4800 К (В) и 6500 К (С). При определении цвета всегда указывают тип источника, так как в зависимости от него распределение цветов на цветовом графике несколько меняется.

Принцип действия визуальных колориметров основан на сравнении цвета двух половин поля зрения, одна из них освещена излучением, цвет которого изменяется, а другая служит для сравнения.

Различают два типа приборов. В колориметрах первого типа измерение цвета сводится к получению цвета, неотличимого от измеряемого, путем смешения определенного количества трех основных цветов и последовательного вычитания определенного количества трех основных цветов из состава белого цвета. К этому типу относится большая часть визуальных колориметров.

Примером второго типа колориметров является трехцветный объективный колориметр, в котором в качестве приемников выбирается такая комбинация трех фотоэлементов и фильтров, чтобы каждый фотоэлемент давал фототоки, пропорциональные координатам цвета Х, Y, Z. Фототоки суммируются, и результирующий цвет представляется на экране осциллографа точкой с координатами цветности х, у. Объективные колориметры достаточно сложны, и при массовом анализе целесообразнее использовать фотоэлектрические компараторы цвета, действие которых основано на измерении отклонений в цвете от цвета стандарта. Они также снабжены строго стандартизованными фильтрами, выделяющими потоки основных цветов: красного, синего, зеленого. Результаты измерения также представляются в виде значений координат цветности х, у .

Кроме непосредственного измерения цвета, в практической работе часто возникает потребность в контроле цвета производственных проб. Эта задача является наиболее простой и может быть решена путем сравнения цветности пробы с цветом эталона. При этом основное внимание должно быть уделено выбору эталона и стандартизации условий освещения.

В качестве эталона выбирают твердое или жидкое тело, имеющее спектральную характеристику, аналогичную или очень близкую к характеристике анализируемой пробы. Только при этом условии для всех наблюдателей и при любых условиях освещения цвет эталона будет совпадать с цветом пробы. При некотором различии в спектральных кривых однозначность оценки цвета разными наблюдателями может нарушаться даже при одинаковых условиях освещения.

При определении цветности ряда пищевых продуктов используется йодная шкала. Однако различие в спектрах продукта и растворов йода часто затрудняет проведение анализа, несмотря на то, что сравнение проб с эталоном проводят при толщине слоя продукта 1 см для уменьшения влияния пигментов группы хлорофилла.

При визуальном наблюдении различие в спектрах эталона и пробы приводит к появлению различия в цветовых оттенках и невозможности проведения точной оценки цветности. Применение в таких случаях фотоэлектрического прибора может привести, благодаря его чувствительности, к еще более ошибочным результатам.