Рис. 3.1 Треугольник цвета. Цвет появляется за счет взаимодействия источников света, объек тов и зрительной системы человека.

Источники света количественно описаны через спектральное распределение их энергии и стандартизованы как осветители.

Материальные объекты описываются их геометрией и спектральным рас пределением энергии излучения, отраженной от них или пропущенной ими.

Зрительная система человека количественно описана через ее способность к выявлению цветовых соответствий. Эта способность представляет собой т.н. первичный ответ (колбочковое поглощение) зрительной системы.

Таким образом, колориметрия, как комбинация всех перечисленных пара метров, лежит на стыке физики, химии, психофизики, физиологии и психо логии.

3.3 ИСТОЧНИКИ СВЕТА И ОСВЕТИТЕЛИ

Первым компонентом треугольника на рис. 3.1 является источник света, по скольку именно источники света испускают электромагнитную энергию, необ ходимую для возбуждения визуальных ответов.

Спецификация цветовых свойств источников света выполняется двумя путя ми: путем измерения и путем стандартизации. Отличие между этими методами становится понятным, если дать определения источников света и осветителей.

Источники света — это фактические излучатели видимой энергии. Лампы накаливания, небо (в тот или иной момент) и флуоресцентные трубки — приме ры источников света.

83

Осветители — это стандартизованные таблицы значений, представляющих спектральное распределение энергии, типичное для некоего специфического ис точника. CIE осветители А, D65 и F2 — это стандартизованное представление типичных «вольфрамового» (лампы накаливания), дневного и флуоресцентного источников соответственно.

Некоторые осветители описывают источники, являющиеся физическим во площением (имитаторами. — Прим. пер.) стандартизованных спектральных рас пределений энергии, к примеру: А источник CIE — это специфический тип вольфрамового источника, воспроизводящий спектральное распределение энер гии CIE осветителя А. Другие осветители не имеют соответствующих им источ ников света, к примеру: CIE осветитель D65 — это статистическое представле ние усредненного дневного света с коррелированной цветовой температурой приблизительно 6500 К, и поэтому не существует CIE D65 источника, способно го воспроизвести спектральное распределение энергии D65 осветителя.

Значимость отличия между источниками и осветителями в описании цвето вого восприятия обсуждается нами в главе 7 (см. таблицу 7.1), и поскольку чаще всего между спектральным распределением энергии CIE осветителя и ис точником, его имитирующим, возникает существенная разница, в колоримет рических вычислениях для стимулов, участвующих в описании цветового вос приятия, должно использоваться фактическое спектральное распределение энергии источника света.

Спектрорадиометрия

Измерение спектральных распределений энергии источников света — сфера радиометрии. Спектрорадиометрия — это измерение радиометрических вели чин как функций от длины волны. Для цветовых измерений интерес представ ляет область примерно от 400 нм (фиолет) до 700 нм (красный). Существуют различные радиометрические величины, которые описывают свойства источ ника света, но специфический интерес для измерения цветового восприятия представляют облученность и энергетическая яркость. Единицы обоих видов измерения энергии источников — ватты.

Облученность (поверхностная плотность излучения) — это энергия излуче ния, падающего на поверхность, на единицу площади этой поверхности, и ее единицы — это ватты на метр квадратный (Вт/м2). Спектральная облученность (спектральная плотность излучения) добавляет к определению облученности зависимость от длины волны; единицы спектральной облученности — Вт/м2•нм (иногда обозначается как Вт/м3).

Энергетическая яркость отличается от облученности тем, что измерение энергии излучения источника (или поверхности, а точнее, энергии, исходящей от поверхности) производится на единицу площади в единице телесного угла и обозначается как ватты на метр квадратный на стерадиан (Вт/м2•ср). Спек тральная энергетическая яркость, включающая в себя еще и зависимость от длины волны, измеряется в Вт/м2•ср•нм или Вт/м3•ср.

Интересным свойством энергетической яркости является то, что она не за

84

висит от свойств оптической системы и расстояния, и, таким образом, зритель ная система человека соразмерно отвечает на энергетическую яркость.

Измерение ответа зрительной системы является ключевым моментом в опи сании цветового восприятия. Сама сетчатка пропорционально отвечает на соб ственную облученность, а в комбинации с оптикой глазного яблока облучен ность сетчатки пропорциональна энергетической яркости рассматриваемой поверхности. В этом можно убедиться, рассматривая освещенную поверхность с разных расстояний и наблюдая при этом, что субъективная яркость не меня ется (если не меняется энергетическая яркость самой поверхности). Облучен ность глаза от данной поверхности обратно пропорциональна квадрату рас стояния до этой поверхности, но энергетическая яркость при этом не уменьша ется, так как уменьшение энергии, попадающей на зрачок, компенсировано пропорциональным уменьшением телесного угла.

Спектральная энергетическая яркость L( ) поверхности со спектральным коэффициентом отражения R( ) может быть рассчитана из спектральной облу ченности поверхности E( ) по формуле 3.1, при условии, что поверхность явля ется ламбертовским рассеивателем (т.е. имеет равновеликую энергетическую яркость по всем направлениям):

Спектральное распределение энергии (см. рис. 3.2) — это график или табли ца радиометрических величин как функция от длины волны. Поскольку абсо лютные уровни энергии источников света могут меняться в широком диапазо

Рис. 3.2 Относительные спектральные распределения энергии CIE осветителей А и С.

85

не значений, для облегчения сравнения цветовых свойств этих источников спектральное распределение энергии часто нормируют. При традиционной нормировке значение энергии на длине волны 560 нм (примерно посередине ви димого спектра) приравнивается к 100 (иногда к 1). Нормированные спек тральные распределения энергии безразмерны и называются относительны ми спектральными распределениями.

Абсолютно черные излучатели

Другой важной радиометрической величиной является цветовая температу ра источника света. Специальным видом теоретического источника света явля ется т.н. абсолютно черный излучатель (излучающее абсолютно черное тело, планковский излучатель), отдающий энергию только за счет нагрева, благода ря чему он является идеальным излучателем энергии. По мере нагрева абсо лютно черного тела количество отданной им энергии растет и смещается в сто рону коротких длин волн. Спектральное распределение энергии абсолютно черного излучателя описывается уравнением Планка как функция от единст венной переменной — абсолютной температуры по Кельвину. Таким образом, если известна абсолютная температура черного тела — известно спектральное распределение излучаемой энергии.

Температура черного тела называется его цветовой температурой, посколь ку она однозначно определяет цвет такого источника. Поскольку абсолютно черные излучатели редко встречаются вне специализированных лабораторий, показатель цветовой температуры малополезен и чаще используется другой показатель — коррелированная цветовая температура.

Источник света не обязательно должен являться абсолютно черным излуча телем, чтобы ему могла быть присвоена коррелированная цветовая температу ра. Коррелированная цветовая температура источника света (Correlated Color Temperature — CCT) — это цветовая температура абсолютно черного излучате ля, при которой его цвет ближе всего к цвету исследуемого источника, к приме ру: лампы накаливания могут иметь ССТ 2800 К, типичная флуоресцентная трубка — 4000 К, усредненный дневной свет — 6500 К, белая точка компьютер ного графического дисплея — 9300 К. Если коррелированная цветовая темпе ратура источника растет, он будет синее; если падает — краснее.

CIE;осветители

CIE установила несколько спектральных распределений энергии в качест ве CIE осветителей, предназначенных для колориметрии: А, С, D65, D50, F2, F8 и F11.

CIE осветитель А представляет собой планковский излучатель с цветовой температурой 2856 К и используется для колориметрических вычислений, когда нас интересует освещение лампами накаливания.

CIE осветитель С — это спектральное распределение А осветителя, моди

86

фицированное специфическими жидкостными фильтрами, утвержденны ми CIE, и представляющее собой имитатор дневного света с ССТ 6774 К.

CIE осветители D65 и D50 входят в D серию осветителей, которые основаны на статистике большого числа измерений реального дневного света. D65 осветитель представляет собой усредненный дневной свет с ССТ 6504 К, а D50 — усредненный дневной свет с ССТ 5003 К. D65, как правило, использу ется в колориметрии, D50 — в полиграфии. CIE D осветители с иными корре лированными цветовыми температурами достаточно легко рассчитать.

CIE осветители F (общим числом 12) представляют собой типичные спек тральные распределения флуоресцентных источников различных видов. CIE осветитель F2 представляет собой «холодный» флуоресцентный белый с ССТ 4230 К, F8 — это флуоресцентный D50 имитатор с ССT 5000 К, а F11 — трехполосный флуоресцентный источник с ССТ 4000 К. Трехполосные флуоресцентные источники очень популярны — они производительны, эф фективны и отличаются зрительно комфортным цветовоспроизведением.

Равноэнергетический осветитель (иногда его называют E осветитель) весьма удобен для математических расчетов, потому что ему назначено относитель ное спектральное распределение энергии, равное 100.0 по всем длинам волн.

Таблица 3.1 содержит спектральные распределения энергии и рабочие коло риметрические данные для упомянутых CIE осветителей, а относительные спектральные распределения этих осветителей в виде графиков показаны на рис. 3.2–3.4.

Таблица 3.1 Относительные спектральные распределения энергии и колориметрические дан ные нескольких CIE осветителей. Колориметрические данные — это данные для 2° го стан дартного колориметрического наблюдателя CIE 1931.

87

88