Цвет и его свойства

1.Цвет и объекты, изучаемые теорией цвета.

Действие на органы зрения излучений, длины волн которых находятся в диапазоне 390-710 нм, приводит к возникновению зрительных ощущений. Эти ощущения различаются количественно и качественно. Их количественная характеристика называется светлотой, качественная – цветностью. Физические свойства излучения – мощность и длина волны – тесно связаны со свойствами возбуждаемого им ощущения. С изменением мощности изменяется светлота, а с изменением дли волны цветность.

Первоначальное представление о светлоте и цветности можно проиллюстрировать, поместив окрашенную поверхность частично на прямой солнечный свет, а частично - в тень. Обе части ее имеют одинаковую цветность, но разную светлоту.

Совокупность этих характеристик обозначается термином «цвет». По Шредингеру (1920 г.), цвет есть свойство спектральных составов излучений, не различаемых визуально.

В связи с ролью цветовых ощущений в жизни и деятельности человека возникла наука о цвете – теория цвета, или цветоведение. Она изучает круг вопросов, связанных с оптикой и физиологией зрения, психологией восприятия цвета, а также теоретические основы и технику измерения и воспроизведения цветов. 

Так как причиной возникновения цветового ощущения является действие света, то один из разделов теории цвета – физики цвета – рассматривает свойства света, главным образом распределение светового потока по спектрам испускания и отражения, а также способы получения этих спектров, аппаратуру и приемники излучения.

Действие излучений на глаз, причины возникновения зрительного ощущения, зрительный аппарат и его работа – содержание части, называемой физиологией цвета.

Соотношения между физическими характеристиками излучения и ощущениями, вызываемыми действиями излучений, - предмет психологии цвета.

Метрология цвета – раздел теории цвета, изучающий методы измерения цвета. Метрология устанавливает способы численного выражения цветов, основы их классификации, методы установления цветовых допусков.

Закономерности, найденные физикой, физиологией, психологией и метрологией цвета, используются в теории воспроизведения цветного объекта. Она служит основой техники получения цветных изображений в полиграфии, кинематографии и телевидении.

Хотя теория цвета широко применяет достижения смежных  областей знания, она пользуется собственными методами исследования, оригинальными и специфичными и поэтому является самостоятельной наукой.

2.Природа цветового ощущения.

Характер цветового ощущения связан со спектральным составом действующего на глаз света и со свойствами зрительного аппарата человека.

Влияние спектрального состава следует из таблицы, в которой цвета излучений сопоставлены с занимаемыми ими спектральными интервалами.

Фиолетовый 400-450 нм

Синий 450-480 нм

Голубой 480-510 нм

Зеленый 510-565 нм

Желтый 565-580 нм

Оранжевый 580-620 нм

Красный 620-700 нм

Вместе с тем задача оценки цвета не решается простым измерением распределения энергии излучения по спектру, как можно предположить на основании таблицы. По интервалу, занимаемому излучением, цвет можно указать вполне однозначно: если тело излучает или отражает в пределах 565-580 нм,  то цвет его всегда жёлтый. Однако обратное заключение верно не всегда: по известному цвету излучения невозможно уверенно указать его спектральный состав или длину волны. Например, если излучение желтое, то это не значит, что оно занимает названный интервал или его часть. Желтой выглядит и смесь монохроматических излучений, находящихся вне этого интервала: зеленого (l1 = 546 нм) с красным (l2 = 700 нм) при определенных соотношениях их мощностей. В общем случае видимое тождество световых пучков не гарантирует их тождества по спектральному составу. Неразличимые по цвету, пучки могут иметь как одинаковый состав, так и разный. В первом случае их цвета называются изомерными, во втором – метамерными.

Практика воспроизведения цветных объектов требует получения цвета, зрительно неотличимого от воспроизводимого. При этом не имеет значения, метамерны или изомерны оригинальный цвет и цвет-копия. Отсюда возникает потребность воспроизводить и измерять цвет, не зависимо от спектрального состава излучения, вызывающего данное цветовое ощущение. Для специалиста, использующего или воспроизводящего цвет, безразличен спектральный состав света, отражаемого образцом. Для него существенно, чтобы копия была действительно, например желтой, как образец, а не желто-зеленой или желто-оранжевой.

Теория цветового зрения объясняет, почему участок спектра, находящийся в пределах 400 - 700 нм, оказывает световое действие и по какой причине мы видим излучения в диапазоне 400 - 450 нм фиолетовым, 450 - 480 – синим и т.д. Сущность теории состоит в том, что светочувствительные нервные окончание, находящиеся в одной из оболочек глаза и называемые фоторецепторами, реагируют только на излучения видимой части спектра. Глаз содержит три группы рецепторов, из которых одна наиболее чувствительна к интервалу 400 - 500 нм, другая – 500 - 600 нм, третья – 600 - 700 нм. Рецепторы реагируют на излучения в соответствии с их спектральной чувствительностью, и ощущения всех цветов возникают в результате комбинации трех реакций.

3.Общие сведения о зрительном аппарате.

Орган зрения в целом состоит из трёх отделов – периферического (собственно глаз), проводникового (зрительный нерв) и центрального (зрительная зона коры головного мозга в затылочной области).

Рассмотрим в общих чертах строение глаза, опуская детали, имеющие для теории цвета второстепенное значение.

Глазная линза – хрусталик – дает оптическое изображение наблюдаемого предмета, которое системой нервных окончаний, находящихся в одной из оболочек глаза, преобразуется в сигналы. Они по зрительному нерву передаются в затылочные доли головного мозга. В результате этого по неизвестным пока механизмам возникает зрительный образ предмета.

Радужная оболочка

Фовеа

Сетчатка

Хрусталик глаза

Оптический нерв

На  рис.1 схематически изображен разрез глаза.

  Глаз представляет собой шарообразное тело, образованное несколькими оболочками. Внешняя, называемая белковой оболочкой или склерой, состоит из сухожилий, непрозрачна и выполняет защитную роль. Спереди она переходит в прозрачную и более выпуклую оболочку – роговую. Под склерой находится сосудистая оболочка, в которой заключены кровеносные сосуды, питающие глаз. К ней по внутренней стороне примыкает пигментный слой клеток. Клетки поглощают рассеянный свет. Пигментный слой предохраняет оптическое изображение, создаваемое глазной линзой – хрусталиком, от чрезмерного искажения рассеянным светом. Сосудистая оболочка спереди переходит в ресничное (цилиарное) тело, а затем – в радужную оболочку, содержащую пигментные клетки. Пространство между хрусталиком и роговой оболочкой заполнено так называемой водянистой влагой. Она преимущественно состоит из воды (90%), в которой растворены соли и белки. За хрусталиком находится стекловидное тело, а также состоящее главным образом из воды.

Отверстие в центре радужной оболочки – зрачок – играет роль диафрагмы. При изменении светового потока, попадающего в глаз, площадь зрачка меняется: либо круговые радужки сужают его, либо радиальные расширяют. Эти реакции (зрачковый рефлекс) непроизвольны, их роль заключается в предохранении светочувствительной оболочки глаза – сетчатки от чрезмерного раздражения при повышенной освещенности. При ее снижении зрачковый рефлекс обеспечивает достаточную чувствительность оболочки.

В органе зрения наводка на резкость происходит путем изменения оптической силы хрусталика, определяемой кривизной его поверхностей. Кривизной управляют мышцы ресничного тела, находящегося в основании радужной оболочки. При сокращении круговых мышц уменьшается натяжение связок хрусталика, называемых цинновыми. Тогда упругий хрусталик принимает естественную для него выпуклую форму, фокусное расстояние уменьшается и близкий предмет изображается резко. Если же предмет удален, круговые мышцы ресничного тела расслабляются, а радиальные сокращаются. В результате этого хрусталик становится менее выпуклым и его фокусное расстояние возрастает. Эти явления получили название аккомодации.   

Сетчаткой (ретиной, или сетчатой оболочкой) называется внутренняя оболочка глаза. Это светочувствительный слой глаза. В сетчатке находятся нервные окончания (рецепторы) в которых происходят начальные преобразования лучистой энергии, приводящие, в конце концов, к возникновению светового ощущения.

Из глаза выходит зрительный нерв, по которому нервные импульсы, возникающие вследствие обратимого фотораспада веществ, находящихся в рецепторах, передаются в мозг.  Место выхода зрительного нерва – слепое пятно – участок, не содержащий рецепторов.

В сетчатке – три слоя нервных клеток – нейронов, связанных разветвлениями - синапсами, обеспечивающими передачу электрического сигнала от одной клетки к другой. Нейроны, наиболее удаленные от внутренней поверхности сетчатки, оканчиваются рецепторами. Они бывают двух тиров: длинные и тонкие называются палочками, толстые и короткие – колбочками. Палочки обеспечивают черно-белое зрение, колбочки - как черно-белое, так и цветное. Шестиугольные по форме пигментные клетки охватывают своими отростками рецепторы.

Рецепторы передают сигнал через биполярные клетки второго слоя ганглиям (скоплениям нервных волокон), от которых он попадает в зрительный нерв.

Наиболее важная с точки цветовосприятия область сетчатки – желтое пятно, расположенное в центральной её части.  Оно окрашено желтым пигментом, предохраняющим рецепторы этой области от чрезмерного возбуждения коротковолновыми излучениями. Средняя часть желтого пятна углублена и называется, поэтому центральной ямкой. В середине центральной ямки находится область, содержащая только колбочки. Она имеет угловой размер 2°, что соответствует площади 1 мм2. Здесь насчитывается около 50 тыс. колбочек, очень близко расположенных друг к другу. Высокая поверхностная концентрация рецепторов обеспечивает большую разрешающую способность и светочувствительность этого участка сетчатки. При наблюдении детали предмета глаз ориентируется так. Чтобы ее изображение упало на середину ямки. Такая ориентация обеспечивает наилучшее восприятие.

Световая чувствительность палочек и колбочек резко различна. Палочки работают при низких освещённостях и выключаются при высоких. Эти рецепторы обеспечивают так называемое сумеречное зрение, когда освещенности невелики. В полутьме не различаются цвета, плохо видны детали. Это объясняется тем, что палочки располагаются на сетчатке значительно реже, чем колбочки, и разрешающая способность палочкового аппарата намного ниже, чем колбочкового.

Колбочковое зрение называется дневным. При высоких освещенностях, когда начинают действовать колбочки, глаз различает цвета и мелкие объекты.

В результате светового возбуждения палочек или колбочек в мозг передаются электрические импульсы, частота которых увеличивается с ростом освещенности сетчатки. Импульсы достигают затылочных долей мозга, где возбуждают световые ощущения, из которых складывается зрительный образ объекта.

4.Световая и спектральная чувствительность глаза.

Способность глаза реагировать на возможно малый поток излучения называется световой чувствительностью. Она измеряется, как величина, пороговой яркости. Пороговой называется та наименьшая яркость объекта, например светового пятна, при которой оно может быть обнаружено с достаточной вероятность на абсолютно черном фоне. Вероятность обнаружения зависит не только от яркости объекта, но и от угла зрения, под которым он рассматривается, или, как говорят, от его углового размера. С возрастанием углового размера растет число рецепторов, на которое проецируется пятно. Практически, однако, с увеличением угла зрения более чем на 50° чувствительность перестаёт изменяться.

В соответствии с этим световая чувствительность Sп. определяется как величина, обратная пороговой яркости Bп., при условии, что угол зрения a ³  50°:

Sп. = (1 / Вп.) a ³  50°

Световая чувствительность очень велика. Так, по данным Н. И. Пинегина, для отдельных наблюдателей минимум энергии, необходимый для появления зрительного эффекта, составляет 3-4 кванта. Это значит, что в благоприятных условиях палочковая световая чувствительность глаза близка к предельной, физически мыслимой.

Колбочковая световая чувствительность, обеспечивающая цветовые ощущения, намного ниже «ахроматической», палочковой. По Н. И. Пинегину, для возбуждения колбочкового зрения необходимо, чтобы на одну колбочку в среднем упало не менее 100 квантов.

Монохроматические излучения действуют на глаз по-разному. Его реакция максимальна на среднюю часть спектра. Чувствительность к монохроматическим, определяемая как относительная, называется спектральной.

Реакция глаза, выражающаяся в возникновении светового ощущения, зависит, во-первых, от потока излучения Фl, упавшего на сетчатку, а во-вторых, -от той доли потока, которая воздействует на рецепторы. Эта доля есть спектральная чувствительность kl. Иногда для обозначения того же понятия применяется термин спектральная эффективность излучения. Произведение kl .Фl, определяет характеристику потока излучения, связанную с уровнем его светового действия называемую световым потоком Fl. 

Fl  =  Фl kl. (1)

Следовательно, абсолютное значение спектральной чувствительности определяется отношением

kl  = Fl   /  Фl.

Глаз имеет наибольшую спектральную чувствительность к излучению l = 555 нм, относительно которой определяются все другие значения этой величины.

При световых измерениях значение kl  в формуле (1) принято заменять произведением k555 vl, где vl  -относительное значение спектральной чувствительности, называемое относительной спектральной световой эффективностью излучения (видностью):                vl  = kl  /  v555.

В таб. 1 даны значения  относительной спектральной световой эффективности некоторых излучений.