При использовании фотометрического шара коэффициент полного отраже ния равен отражательной способности, а при двунаправленных вариантах гео метрии коэффициент отражения, измеренный относительно PRD по 0–1 шкале, лишь подобен коэффициенту полного отражения.

Поскольку PRD физически не существует, национальными лабораториями по стандартизации (такими, как NIST — Национальный институт по стандар тизации и технологии в США), а также производителями измерительных при боров выполнены стандартные эталоны, которые калиброваны относительно теоретической мишени — PRD.

Флуоресценция

Один из последних важных моментов в колориметрическом анализе мате риалов — это явление флуоресценции.

Флуоресцентные материалы подчиняются закону сохранения энергии со гласно уравнению 3.2, однако особенность их поведения в том, что, поглотив энергию в определенном диапазоне длин волн, они затем отдают эту энергию в диапазоне, как правило, смещенном в сторону более длинных волн, к приме ру: флуоресцентный оранжевый материал может поглотить «синюю» энергию и отдать ее как «оранжевую».

Полная трактовка цветового измерения флуоресцентных материалов слож на и не входит в задачу данной книги, но в целом флуоресцентные материалы характеризуются полным коэффициентом отражения, который является отно шением суммы отраженной и излученной энергий по каждой длине волны к энергии, которая была бы отражена от PRD. Данное отношение допускает воз можность превышения коэффициентом полного отражения 1.0, что чаще всего и случается. Важно отметить, что коэффициент полного отражения в данном случае зависит от источника света измерительного прибора, поскольку количе ство испущенной энергии прямо пропорционально количеству поглощенной энергии в активном участке длин волн.

Спектрофотометрические измерения отражательной или пропускательной способностей нефлуоресцентных материалов нечувствительны к характери стикам источника света прибора, так как эти характеристики нормируются при вычислениях, и это важное отличие лишний раз подчеркивает особую сложность измерений флуоресцентных материалов. К сожалению, многие ис кусственные материалы (такие, как бумаги и краски) флуоресцентны, из за чего с трудом поддаются точному измерению.

3.5 ОТВЕТ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА

Спектральное измерение (или стандартизация) источников света и материа лов обеспечивает необходимую для колориметрии физическую информацию, но дело прогнозирования ответа зрительной системы человека (см. третий угол треугольника на рис. 3.1) остается за количественными методами оценки этой информации.

Следуя определению базовой колориметрии, данному Вышецким (1973), ко

94

личественное описание ответа зрительной системы человека через психофизику цветовых соответствий сосредоточено на первичном уровне зрения (то есть на уровне поглощения энергии колбочковыми фоторецепторами). Являясь базисом колориметрии, возможность спрогнозировать, будут ли два стимула визуально соответствовать друг другу для усредненного наблюдателя, приносит колоссаль ную пользу в различных сферах своего применения, и несмотря на то, что эта система не описывает цветовое восприятие как таковое, она создает фундамент для его описания и позволяет прогнозировать соответствия (что востребовано в разных сферах деятельности), а также обеспечивает необходимый промыш ленный инструментарий для установки допусков на эти соответствия.

Способность зрительной системы человека к выявлению цветовых соответ ствий определяется спектральной чувствительностью трех типов колбочек: как только энергия поглощена колбочками — информация о спектральном происхождении сигнала утрачивается, и если сигналы от колбочек трех типов одинаковы в ответ на два стимула, эти стимулы неизбежно будут соответство вать друг другу по цвету, когда просматриваются в одинаковых условиях, то есть, когда в зрительную систему не попадает никакой лишней информации, приводящей к возникновению визуальных отличий. Таким образом, если из вестны спектральные чувствительности трех типов колбочек, то два стимула с известными спектральными распределениями энергии Ф1( ) и Ф2( ) будут со ответствовать друг другу по цвету, в случае если спектральное распределение энергии этих стимулов и каждая из трех колбочковых чувствительностей — L( ), M( ) и S( ), проинтегрированные по длинам волн, — равны. Данное ра венство проиллюстрировано уравнениями 3.3–3.5: два стимула соответствуют друг другу по цвету, если все три равенства в этих формулах истинны.

Уравнения 3.3–3.5 иллюстрируют определение метамеризма, и поскольку для достижения цветового соответствия равными между собой должны быть три пары интегралов, то нет необходимости в том, чтобы спектральные распре деления энергии стимулов были бы равны между собой по каждой из длин волн. Сегодня спектральные чувствительности колбочек хорошо известны (см. главу 1), что делает систему базовой колориметрии почти столь же про стой, как и сами уравнения 3.3–3.5. Однако достаточно точные сведения о спектральных чувствительностях колбочек — это лишь недавнее научное достижение, тогда как потребность колориметрии в них возникла за несколько десятилетий до того, как были получены необходимые данные: поэтому в 1931 г. CIE, создавая колориметрическую систему, шла не столь легким и прямым путем.

95

Фотометрическая система

Чтобы проиллюстрировать относительный характер колориметрической системы CIE, полезно сперва обратиться к фотометрии, которая как наука была утверждена в 1924 г. Целью фотометрии являлось создание спектрально взвешивающей функции, пригодной для описания восприятия яркостных со ответствий, т.е. система описывала результаты т.н. фликкерных фотометриче ских экспериментов (экспериментов с мерцающими стимулами), но не гетеро хроматические яркостные соответствия (см. главу 6).

В 1924 г. CIE установила функцию спектральной световой эффективности V( ) для фотопического зрения. Эта функция (показана в виде графика на рис. 3.6 и в виде массива чисел в таблице 3.2) демонстрирует то, что при воспри ятии яркости зрительная система человека наиболее чувствительна в области средних длин волн и становится все менее и менее чувствительной по мере при ближения к концам видимого спектра. Функция V( ) используется как спектрально взвешивающая и предназначена для конверсии радиометриче ских величин в величины фотометрические посредством спектрального интег рирования по формуле 3.6:

V в данном уравнении относится к соответствующей фотометрической ве личине, вычисляемой с помощью радиометрической величины ( ), к приме ру: радиометрические величины облученности, энергетической яркости и от ражательной способности используются для получения фотометрических ве личин освещенности (люмен/м2 или lux), яркости (cd/m2) или коэффициента яркости (безразмерен). Все оптические свойства облученности и энергетиче ской яркости, а также характер взаимоотношений между ними, сохраняются и у освещенности, и у фотометрической яркости. Для сохранения соответст вующих единиц при конверсии облученности и энергетической яркости в осве щенность и яркость требуется нормирующий коэффициент, равный 683 лю мен/Ватт, но для вычисления коэффициента яркости необходим иной тип нор мировки, описанный в следующем разделе.

Ясно, что колбочковые ответы не могут быть описаны одной только функци ей V( ), согласно оппонентной теории цветового зрения такое вообще невоз можно: оппонентная теория учит, что функция V( ) передает взвешенную сум му трех функций колбочковой чувствительности. Когда колбочковые функции взвешены согласно относительной колбочковой населенности сетчатки, а за тем суммированы, — общая чувствительность соответствует функции CIE 1924 V( ). Таким образом, фотопические световые ответы представляют собой ком бинацию колбочковых сигналов, которая представлена в полной колориметри ческой системе. Использование спектрально взвешивающей функции для про гноза соответствий по фотометрической яркости — это первый шаг к единой колориметрической системе.

Функция световой эффективности для скотопического (палочкового) зрения

96

Рис. 3.6 Скотопическая — V`( ) и фотопическая — V( ) функции CIE.

именуется функцией V`( ) (показана на графике рис. 3.6 и в таблице 3.2 вместе с V( ) функцией); V`( ) используется в фотометрии при очень низких уровнях яркости. Поскольку существует только один вид палочковых фоторецепторов, функция V`( ) точно передает спектральную чувствительность палочек. Рис. 3.6 иллюстрирует сдвиг пика спектральной чувствительности в направлении корот ких длин волн по мере перехода от фотопического к скотопическому зрению. Этот сдвиг, называемый сдвигом Пуркине, объясняет, почему при очень низких уровнях яркости синие объекты кажутся светлее, чем красные. Отметим, что функция V`( ) идет по кривой, подобной функции V( ).

В науке о зрении долгое время считалось, что функция V( ) неточна в облас ти коротких волн, поэтому в 1988 г. для практического решения этой проблемы CIE приняла дополнительную функцию световой эффективности VМ( ) [CIE, 1990].

Таблица 3.2 CIE функции фотопической световой эффективности — V( ) и скотопической све товой эффективности — V`( ).

97

98