Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель: закрепить знания учащихся по теме: "Волновые свойства света", развивать познавательный интерес к предмету, показать использование волновых свойств света на практике, закрепить навыки работы с лабораторным оборудованием L-микро, использовать в работе информационные технологии, виртуальные лабораторные работы.

Оборудование: компьютер, интерактивная доска SMART, мультимедийное устройство, диск "ЕГЭ по физике,100 баллов", "Живая физика", оборудование L-микро для проведения лабораторных работ.

I. Организация класса. Разделить класс на 4группы и дать им названия:

• "Интерференция",
• "Дифракция",
• "Поляризация",
• "Дисперсия".

II. Слово учителя. С давних времён на нашей планете

Много легенд слагалось о свете,
Много тогда было в нём неподвластного,
Но свет всех манил загадкой прекрасною.

Вот первый вопрос:

Что же такое свет?

1 группа.

Много учёных искали ответ,
Много открытий они совершили...
Давайте посмотрим, что они нам открыли?
Прежде всего свет - это волна,
Электромагнитной зовется она.
Со скоростью света ничто не сравнится
Триста тыщ километров в секунду промчится.

2 группа

Свет переменчив и вовсе не прост,
Ведь у него двойственность свойств:
Свойства частиц, конечно, прекрасны,
Но свойства волны, ему тоже подвластны.
Взглянем в характер его мы поглубже-
И здесь свойств немало для нас таких нужных!
Дисперсия, преломленье, дифракция-
Во многих явлениях дают разобраться нам,
Много понять и точно ответить,
Зачем нужен свет и взрослым, и детям!

3 группа

Давайте посмотрим на реальных примерах:
Вот почему лист бумаги белый?
Ответ очень прост, проще не бывает:
Просто бумага весь свет отражает.
А взглянем на черный - противоположно,
Летом в нем ходить невозможно.
И снова вопрос: почему так бывает?
Просто черный цвет все поглощает.

4 группа

Мир так прекрасен, прекрасна планета,
И тут не обошлось без помощи света.
Ведь радугу, листья, деревья, цветы,
Все что в прекрасных тонах видим мы,
Все что для глаза красивым бывает,
Все это свет для нас открывает!

Ньютон, Гюйгенс и свет. Рождение оптики в XVII веке.

Именно И. Ньютон с великой изобретательностью и терпением проделал сотни опытов, каждый из которых должен был ответить на конкретные вопросы:

• цвет - это характеристика степени преломления;
• белый цвет - есть смесь разноцветных лучей;
• при разделении белого цвета угол преломления возрастает от красного к фиолетовому;
• при смешивании всех цветов вновь образуется белый цвет?

Он проверял свою гипотезу двумя способами:

• через комбинацию двух призм, поставленных подряд с поворотом на 180°, вторая призма смешивала цвета разложенные первой;
• известный диск Ньютона, при быстром вращении которого возникает иллюзия белого цвета.

(Способность сетчатки глаза хранить изображения в течении некоторого времени, примерно 0,1 сек.)

Но самой замечательной демонстрацией явлений волновой оптики стали кольца Ньютона. Гюйгенс наблюдал их раньше, но именно Ньютон смог первым объяснить это явление, хотя и склонялся к корпускулярной модели света. Он предположил, что лучи света периодически принимают два состояния: " состояние проходимости" и "состояние отражаемости".

О волновых свойствах света сегодня мы и поговорим.

"Интерференция"

Мы, считаем, что именно интерференция наиболее убедительное доказательство волновых свойств света.

Опыт: включим одну лампочку, потом еще одну - стало светлее, но картины интерференции мы не видим. А теперь попробуем сделать так, как Т. Юнг. В его опыте фронт волны делится на два

близко расположенных источника. На экране интерференционная картина. Он также определил длину волны для фиолетовой части спектра - 0,42 мкм., для красного спектра - 0,7 мкм.Интерференция сопровождалась спектральным разложением на монохроматические составляющие. Но картину интерференции нельзя получить, если источники не когерентны. Когерентными называются две световые волны одинаковой частоты, у которой разность фаз равна нулю. Как показывает опыт, именно при сложении когерентных волн возникает интерференционная картина максимумов и минимумов освещенности.

Опыты на компьютере.

Интерференция нашла широкое применение:

• интерферометр Майкельсона - прибор, который служит для прецизионных измерений. С помощью этого прибора в 1881 А. Майкельсон и Э. Морли пытались определить, существует ли разница в значении скорости света при его распространении вдоль и поперек направления орбитального движения Земли.
• просветление оптики. Свет проходя через линзы фотоаппаратов, биноклей отражается от передней и задней поверхностей. При отражении теряется 8-10 % энергии света, а если объектив состоит из нескольких линз, то теряется до 50% энергии. Чтобы этого избежать на поверхность линз химическим методом наносят тонкую пленку, толщина которой и показатель преломления выбираются с таким расчетом, чтобы в отраженном свете возник интерференционный минимум.

Интерференционные методы нашли широкое применение и в ряде других областей науки техники. С помощью интерферометра можно исследовать качество шлифовки поверхностей, можно измерить коэффициенты расширения твердых тел, малое изменение размеров ферромагнетиков в магнитном поле и сегнетоэлектриков в электрическом поле, а также измерить коэффициенты преломления веществ, малые концентрации примесей в газах и жидкости.

В астрономии интерференционные методы позволяют оценить угловой диаметр звезд.

"Дифракция"

Тот факт, что свет заходит за края препятствий, известен людям очень давно. Первое научное описание этого явления принадлежит Ф. Гримальди, который не только описал размытость тени от предмета, но и цветную полосу в области размытости. Он впервые это явление назвал дифракцией. Дифракция света - это огибание светом непрозрачных предметов и, как следствие этого проникновение света в область геометрической тени. Х. Гюйгенс первым попытался объяснить это явление, выдвинув для этого принцип построения волновых фронтов. Но надо отдать дань и другому ученому, О. Френелю, который много сделал для развития волновой теории света. В 1818 году он представил конкурсную работу под названием " Записка о теории дифракции", в которой доказал, что только волновая теория света объясняет дифракционную картину.

Использование дифракции света на одной щели в практических целях весьма затруднено и неудобно из-за слабой видимости дифракционной картины. Дифракционная решетка - спектральный прибор, служащий для разложения света в спектр и измерения длины волны. Они бывают металлическими и стеклянными. На эти решётки наносятся большое число параллельных штрихов: 2000 штрихов на один миллиметр поверхности. Главной характеристикой решётки является постоянная решётки d=а + в, d sinf =mj (m=0,1,2....), там где углы f удовлетворяют условию, наблюдаются главные максимумы дифракционной картины. Среди разнообразных практических применений волновых свойств света в последние десятилетия одно из более интересных - голография. Сущность голографии состоит в фиксации полной информации о предмете, причём информации не только об амплитуде световой волны, но и о её фазе. В 1960 году с появлением лазеров голографический метод стал использоваться чаще. Идеи и принципы голографии сформулировал Д. Габор в 1948 году.Голограммы бывают: оптические, объёмные, акустические. Голографические записи позволяют фиксировать вибрации и деформации, возникающие в различных узлах и деталях работающих машин, а также количественные исследования воздушных потоков в аэродинамических трубах.

"Поляризация"

Упругие волны бывают продольными и поперечными. В продольных волнах колебания частиц происходят вдоль направления распространения волн, а поперечных - перпендикулярно этому направлению. Свет, у которого световой вектор колеблется беспорядочно одновременно во всех направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным или не поляризованным. Типичный пример такого света - солнечное излучение, излучение ламп накаливания, ламп дневного света. А свет, у которого направление колебаний светового вектора строго фиксировано, называется линейно поляризованным или плоско поляризованным. Под поляризацией света понимают выделение из естественного света световых колебаний с определённым направлением электрического вектора. Зависимость показателя поглощения вещества от направления колебаний светового вектора называется дихроизмом. В практическом использовании турмалин не очень удобен: он дорог и из него нельзя вырезать пластины больших размеров. Поэтому более распространены в качестве поляроидов специальные дихроические плёнки, помещённые между стеклянными пластинками, например плёнки из кристалликов герапатита.

В мире давно обсуждается вопрос об установке поляроидов на фары и ветровые стекла автомобилей при устранении слепящего действия фар встречных машин. Для этого поляроид на фарах и ветровом стекле должен пропускать колебания под углом 45° к горизонту. Тогда направление световых колебаний встречной машины будет перпендикулярно плоскости, в которой поляроид пропускает колебания и свет фар будет гаситься. Собственный же поляризованный свет данного автомобиля после отражения от дороги будет проходить сквозь ветровое стекло. Установка поляроидов имеет смысл. Если снабдить ими все автомобили.

"Дисперсия"

Разложение белого света в спектр с помощью стеклянной призмы впервые было получено И. Ньютоном. Белый свет раскладывается в спектр, но монохроматические цвета (красный, синий, фиолетовый) далее на спектральные составляющие не раскладываются.

Будучи сторонником корпускулярной теории света, И. Ньютон объяснял этот факт следующим образом: фиолетовый цвет состоит из маленьких частиц, красный - из более массивных. Изучение явлений интерференции и дифракции света показало, что цвет связан с длиной волны, следовательно, и с её частотой. Это свойство волн можно наблюдать в природе.

В русских летописях радуга называлась райская дуга. В Древней Греции радугу олицетворяла богиня Ирида, она соединяла небо и землю, была посредником между людьми и богами. Радугу "делают" водяные капли: в небе -капли дождя, на земле- брызги водяной струи водопада, фонтана. Именно в водяной капле происходят оптические явления, из -за которых возникает радуга. Преломление на границе воздух - вода по закону "отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно относительному показателю преломления"; отражение света на границе воздух - вода по закону " угол отражения равен углу падения луча". Дисперсия света - это разложение света в спектр. Условия возникновения радуги: наличие капель воды диаметром 0,08 - 0,2 мм; особое положение наблюдателя - спиной к солнцу, вне дождевой зоны при высоте солнца над горизонтом не более 42?. Верхняя часть радуги всегда красного цвета, нижняя - фиолетового. Красивое природное явление не оставит никого равнодушным.

Вопрос: А правда, что существуют белые радуги?

Да, их называют туманными. Они возникают при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0,025мм и менее. Даже уличный фонарь может создать белую радугу видимую на темном фоне ночного неба.

Радугу и гало имеет одну и ту же физическую природу. Гало происходит от древнегреческого слова "халос" - круглая площадка. Они могут выглядеть весьма разнообразно - светящиеся кольца вокруг Солнца или Луны, кресты, столбы, ложные светила. Наблюдается гало, если светило просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака. Эти облака состоят из ледяных кристалликов в форме правильной шестиугольной призмы. гало бывают белыми и с цветными оттенками и объясняются тем, что возникает свечение в результате преломления света в кристалликах и отражения от их граней. Часто на небе можно фиксировать несколько гало. Например: очень сложное гало наблюдалось в Петербурге 18 июня 1794году: одновременно на небе было 12 кругов и дуг, из них 9 цветных. Его так и называют - Петербургский феномен.

Вопрос: Интересно, а на других планетах может быть такое явление?

Учёные зафиксировали гало и на других планетах Солнечной системы - в атмосфере Венеры, а также в атмосфере Ио, спутнике Юпитера.

Мираж - французского происхождения и имеет два значения: отражение и обманчивое явление. Миражи -это явления, описание которых довольно часто встречается в художественной литературе. Вот отрывок из французской сказки "Принцесса Дангобер":

"Матросы забрались на реи, а капитан взял подзорную трубу и увидел замок, висящий на золотых цепях между небом и землёй". Догадайтесь, о каком явлении идёт речь?

Мираж представляет собой изображение реально существующего на земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Они бывают верхние, нижние и сложные.

Нижние (озёрные) возникают над сильно нагретой пове6рхностью. Наблюдают их в пустынях и знойных степях. Воздух около земли сильно нагрет, и его показатель преломления меньше, чем у лежащего более высоко холодного воздуха. Отражение в этом слое аналогично отражению в воде. Верхние возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например, над холодной водой. Они наблюдаются в северных широтах. В этом случае показатель преломления воздуха выше у поверхности воды и уменьшается с высотой. Сложные миражи называются фата - моргана, возникают одновременно, то есть когда есть условия и для верхнего миража и для нижнего. Сложные миражи имеют вид призрачных дворцов, замков, лугов и садов, при этом вся картина быстро исчезает.

Вопрос: Легенда о "летучем голландце" - это тоже мираж?

Да, безусловно, это верхний мираж.

Закат солнца.

Искривление хода световых лучей в атмосфере объясняет не только мираж, но и удивительно красивое оптическое явление - закат солнца. Действительно, один закат солнца совсем не похож на другой. Но всегда заходящее солнце становится красным.

Синий цвет неба объясняется молекулярным рассеиванием света на флуктуациях плотности. Коэффициент рассеивания обратно пропорционален длине волны в четвёртой степени. В результате сине- фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные. Отсюда голубой цвет дневного неба. Когда солнце низко, путь лучей через атмосферу значительно длиннее, чем днём, когда солнце стоит высоко. Учитывая, что синие лучи сильнее рассеиваются атмосферой, понятно, что от солнца доходят до глаза преимущественно оранжевые и красно - желтые лучи. Поэтому солнце на закате и на восходе кажется оранжево- красным.

Вопрос: Против солнца видна сверкающая дорожка. Как она образуется? Почему дорожка всегда ориентирована на наблюдателя?

Ответ: Дорожка возникает на поверхности воды вследствие отражения света от мелких волн, которые ориентированы в различных направлениях. Поэтому отраженные лучи попадают в глаз и каждый наблюдатель видит свою дорожку.

Спасибо. Мы повторили и обобщили знания

> Видимый свет

Определение

Задача обучения

Термины

Основные пункты

Определение

Видимый свет – часть электромагнитного спектра, доступная для восприятия человеческому глазу (390-750 нм).

Задача обучения

Научиться отличать 6 диапазонов видимого спектра.

• Оптическое окно – видимый участок в электромагнитном спектре, проходящая сквозь атмосферный слой.
• Спектральный цвет – создается одной длиной волны света в видимом спектре или относительно узкой полосой длин волн.
• Видимый свет – часть электромагнитного спектра (между ИК и УФ), доступная человеческому глазу.

Основные пункты

• Видимый свет формируется из-за вибраций и вращений атомов и молекул, а также электронных транспортировок внутри них.
• Цвета отвечают за конкретные чистые длины волн. Красный – наиболее низкие частоты и самые длинные волны, а фиолетовый – самые высокие частоты и кратчайшие длины.
• Цвета, созданные в видимом свете узкой полосы длин волн, именуют чистыми спектральными цветами: фиолетовый (380-450 нм), синий (450-495 нм), зеленый (495-570 нм), желтый (570-590 нм), оранжевый (590-620 нм) и красный (620-750 нм).
• Видимый свет прорывается сквозь оптическое стекло, поэтому атмосферный слой не оказывает значительного сопротивления.
• Часть электромагнитного спектра, используемая в фотосинтезирующих организмах, именуется фотосинтетически активной областью (400-700 нм).

Узнайте определение и характеристику видимого света : длина волны, диапазон электромагнитного излучения, частота, диаграмма спектров цвета, восприятие цвета.

Видимый свет

Видимый свет – часть электромагнитного спектра, доступная человеческому глазу. Электромагнитное излучение этого диапазона просто именуют светом. Глаза реагируют на длины волн видимого света 390-750 нм. По частоте это соответствует полосе в 400-790 ТГц. Адаптированный глаз обычно достигает максимальной чувствительности в 555 нм (540 ТГц) при зеленой области оптического спектра. Но сам спектр не вмещает все цвета, улавливаемые глазами и мозгом. Например, такие красочные, как розовый и пурпурный, создаются при сочетании нескольких длин волн.

Перед вами главные категории электромагнитных волн. Разделительные линии в некоторых местах отличается, а другие категории могут перекрываться. Микроволны занимают высокочастотный участок радиосекции электромагнитного спектра

Видимый свет формирует вибрации и вращения атомов и молекул, а также электронные транспортировки внутри них. Этими транспортировками пользуются приемники и детекторы.

Небольшая часть электромагнитного спектра вместе с видимым светом. Разделение между инфракрасным, видимым и ультрафиолетовым не выступает на 100% отличительным

На верхнем рисунке отображена часть спектра с цветами, которые отвечают за конкретные чистые длины волн. Красный – наиболее низкие частоты и самые длинные волны, а фиолетовый – наибольшие частоты и кратчайшие длины волн. Излучение солнечного черного тела достигает максимума в видимой части спектра, но наиболее интенсивно в красном, чем в фиолетовом, поэтому звезда кажется нам желтой.

Цвета, добытые светом узкой полосы длин волн, именуют чистыми спектральными. Не забывайте, что у каждого много оттенков, потому что спектр непрерывный. Любые снимки, предоставляющие данные с длин волн, отличаются от тех, что присутствуют в видимой части спектра.

Видимый свет и земная атмосфера

Видимый свет пробивается сквозь оптическое окно. Это «место» в электромагнитном спектре, пропускающее волны без сопротивления. В качестве примера можно вспомнить, что воздушный слой рассеивает голубой лучше красного, поэтому небеса кажутся нам синими.

Оптическое окно также именуют видимым, потому что оно перекрывает спектр, доступный человеку. Это не случайно. Наши предки развили видение, способное использовать огромное многообразие длин волн.

Благодаря наличию оптического окна мы можем наслаждаться относительно мягкими температурными условиями. Функция солнечной яркости достигает максимума в видимом диапазоне, который перемещается, не завися от оптического окна. Именно поэтому поверхность нагревается.

Фотосинтез

Эволюция сказалась не только на людях и животных, но и на растениях, которые приучились правильно реагировать на части электромагнитного спектра. Так, растительность трансформирует световую энергию в химическую. Фотосинтез использует газ и воду, создавая кислород. Это важный процесс для всей аэробной жизни на планете.

Эту часть спектра именуют фотосинтетически активной областью (400-700 нм), перекрывающейся с диапазоном человеческого зрения.

Свет и цвет. Природа цвета и его физические основы

Ежедневно человек сталкивается с множеством факторов внешней среды, воздействующих на него. Одним из таких факторов, оказывающих сильное влияние, является цвет. Известно, что цвет может быть виден человеком лишь при свете, в темноте мы не видим никаких цветов. Световые волны воспринимаются человеческим глазом. Мы видим предметы потому, что они отражают свет и потому, что наш глаз способен воспринять эти отраженные лучи. Лучи солнечного или электрического света – световые волны в зрительном аппарате человека преобразуется в ощущение. Это преобразование происходит в три этапа: физический , физиологический , психологический .

Физический – излучение света; физиологический – воздействие цвета на глаз и преобразование его в нервные импульсы, идущие в мозг человека; психологический – восприятие цвета.

Физический этап формирования зрительного восприятия заключается в преобразовании энергии видимого излучения различными средами в энергию измененного потока излучения и изучается физикой.

Видимое излучение называют светом. Свет – видимая часть электромагнитного спектра, это частный случай электромагнитного излучения . Физики шутят, что свет – самое темное место в физике. Свет имеет двойственную природу: при распространении он ведет себя как волна, а при поглощении и излучении – как поток частиц. Итак, свет принадлежит пространству, а цвет – предмету. Цвет – это ощущение, которое возникает в органе зрения человека при воздействии на него света .

В цветоведении принято рассматривать свет как электромагнитное волновое движение. В области видимого излучения каждой длине волны соответствует ощущение какого-либо цвета.

В спектре белого солнечного света различают семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Глаз среднего наблюдателя способен различить в спектре белого света около 120 цветов. Для удобства обозначения цветов принято деление спектра оптического излучения на три зоны:

Длинноволновую – от красного до оранжевого;

Средневолновую – от оранжевого до голубого;

Коротковолновую – от голубого до фиолетового.

Это деление оправдывается качественными различиями между цветами, входящими в различные области спектра. Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны (таблица 1), т.е. он может быть точно задан длиной волны или частотой колебаний. Самые короткие волны – фиолетовые, самые длинные – красные. Световые волны сами по себе не имеют цвета. Цвет возникает лишь при восприятии этих волн зрительным аппаратом человека.

Глаз способен воспринимать волны длиной от 400 до 700 нанометров (нанометр – одна миллиардная метра, единица измерения длины световых волн).

Таблица 1. Соответствие диапазонов длин волн ощущениям цветов

С двух сторон от видимой части спектра находятся ультрафиолетовые и инфракрасные области, которые не воспринимаются человеческим глазом, но могут улавливаться специальным оборудованием (таблица 2). С помощью инфракрасного излучения работают камеры ночного видения, а ультрафиолетовое излучение хоть и невидимо человеческому глазу, но может нанести зрению значительный вред. Скорость распространения всех видов волн электромагнитных колебаний равна приближенно 300 000 км/с.

Таблица 2. Разновидности электромагнитных излучений

Световые волны попадают на сетчатку глаза, где воспринимаются светочувствительными рецепторами, передающими сигналы в мозг, и уже там складывается ощущение цвета. Это ощущение зависит от длины волн и интенсивности излучения. А все предметы, которые нас окружают, могут или излучать свет (цвет), или отражать или пропускать падающий на них свет частично или полностью.

Например, если трава зеленая, это значит, что из всего диапазона волн она отражает в основном волны зеленой части спектра, а остальные поглощает. Когда мы говорим «эта чашка красная», то мы на самом деле имеем в виду, что она поглощает все световые лучи, кроме красных. Чашка сама по себе не имеет никакого цвета, цвет создается при ее освещении . Таким образом, красная чашка отражает в основном волны красной части спектра. Если мы говорим, что какой-либо объект имеет какой-либо цвет, это значит, что на самом деле этот объект (или его поверхность) имеет свойство отражать волны определенной длины, и отраженный свет воспринимается как цвет предмета. Если предмет полностью задерживает падающий свет, он будет казаться нам черным, а если отражает все падающие лучи – белым. Правда, последнее утверждение будет верным лишь в том случае, если свет будет белым, неокрашенным. Если же свет приобретает какой-либо оттенок, то и отражающая поверхность будет иметь такой же оттенок. Это можно наблюдать на закате солнца, которое окрашивает все вокруг багряными тонами, или в сумеречный зимний вечер, когда снег кажется синим. Эксперимент с использованием окрашенного цвета довольно любопытно описывает И. Иттен в своей книге «Искусство цвета» .

Каким образом зрительный аппарат распознает эти волны, до настоящего времени еще полностью не известно. Мы знаем только то, что различные цвета возникают в результате количественных различий светочувствительности.

В данном контексте логично было бы напомнить еще одно определение цвета. Цвет – это различное число колебаний световых волн данного источника света, воспринимаемых нашим глазом в виде определенных ощущений, которые мы называем цветовыми .

Ощущение цвета создается при условии преобладания в цвете волн определенной длины. Но если интенсивность всех волн одинаковая, то цвет воспринимается как белый или серый. Не излучающий волн предмет воспринимается как черный. В связи с этим все зрительные ощущения цвета разделяются на две группы: хроматические и ахроматические.

Ахроматическими называют белый, черный цвета и все серые цвета . В их спектр входят лучи всех длин волн в равной степени. Если же возникает преобладание какой-то одной длины волны, то такой цвет становится хроматическим. К хроматическим цветам относятся все спектральные и другие природные цвета .

2.2. Основные характеристики цвета

Для однозначности определения (спецификации) цвета часто используется система психофизических характеристик. К ним относятся следующие характеристики:

Цветовой тон,

Светлота;

Насыщенность.

Цветовой тон – качество цвета, позволяющее дать ему название (например, красный, синий и т.д.) . Интересно, что нетренированный глаз при ярком дневном освещении различает до 180 цветовых тонов, а развитый человеческий глаз способен различать около 360 оттенков цвета. Ахроматические цвета не имеют цветового тона.

Светлота – это степень отличия данного цвета от черного . В спектральных цветах самым светлым является желтый цвет, самым темным – фиолетовый. В пределах одного цветового тона степень светлоты зависит от применения белого. Светлота – степень, присущая как хроматическим, так и ахроматическим цветам . Оттенки одного цвета различной светлоты называют монохромными.

Насыщенность – это степень отличия хроматического цвета от равного по светлоте ахроматического. Так, если чистый спектральный цвет, например красный, принять за 100%, то при смешении 70% красного и 30% белого насыщенность полученной смеси будет равна 70%. От насыщенности зависит степень восприятия цвета.

Наиболее насыщены цвета спектра, причем самый насыщенный из них фиолетовый, а менее всего насыщен желтый.

Ахроматические цвета можно назвать цветами нулевой насыщенности.

Натренированный человеческий глаз может различить около 25 оттенков цвета по насыщенности, от 65 оттенков – по светлоте при высокой освещенности и до 20 – при пониженной.

Собственные и несобственные качества цвета. Цвет, тон, светлота, насыщенность называют собственнымикачествами цвета. Собственные качества – это те качества, которые ему объективно присущи.

Несобственные качества цветам объективно не присущи, а возникают вследствие эмоциональной реакции при их восприятии . Мы говорим, что цвета бывают теплые и холодные, легкие и тяжелые, глухие и звонкие, выступающие и отступающие, мягкие и жесткие. Эти характеристики важны для художника, так как посредством их усиливается выразительность и эмоциональный настрой произведения .

Изменение объемности изображения зависит от насыщенности цвета (рис. 1) Активно насыщенные цвета делают изображение более объемным, нежели цвета слабо насыщенные или затемненные. Разбел и затемнение не только снижают активность цвета, но и ослабляют цветовые контрасты между пятнами. Монохромное изображение, так же как и насыщенное, способно активно передать объем, приближенный к ахроматическому варианту .

Рис. 1. Изменение объемности изображения в зависимости от насыщенности цвета:

а – оптимально насыщенные цвета; б – слабонасыщенные (высветленные) цвета; в – ахроматический вариант; г – слабонасыщенные (затемненные) цвета; д – монохромное изображение объекта, рельефность, объем и эмоциональный настрой композиции. При использовании слабонасыщенных цветов (высветленных или затемненных) объем будет чувствоваться меньше, чем при использовании насыщенных.

Электромагнитный спектр представляет диапазон всех частот или длин волн электромагнитного излучения от очень низких энергетических частот как радиоволны до очень высоких частот, таких как гамма-лучи. Свет это часть электромагнитного излучения, которая является видимой для человеческого глаза и называется видимый свет.

Солнечные лучи гораздо шире видимого спектра света и описываются как полный спектр, включающий диапазон длин волн, необходимых для поддержания жизни на земле и : инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (УФ).

Человеческий глаз реагирует только на видимый свет, который лежит между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением имеющий крошечные длины волн. Длина волны видимого света составляет всего от 400 до 700 Нм (нанометр миллиардная метра).

Видимый спектр света включает семь цветных полос, когда солнечные лучи преломляются через призму: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Первым человеком, открывшим что белый состоит из цветов радуги был Исаак Ньютон который в 1666 году направил солнечный луч через узкую щель и затем через призму на стену – получив все видимые цвета.

Видимый свет применение

За годы светотехническая промышленность стремительно развивала электрические и искусственные источники, которые копировали свойства солнечного излучения.

В 1960-х годов ученые придумали термин «полный спектр освещения» для описания источников, испускающих подобие полного естественного освещения, который включал ультрафиолетовый и видимый спектр необходимый для здоровья организма человека, животных и растений.

Искусственное освещение для дома или офиса подразумевает естественное освещение в непрерывном распределении спектральной мощности который представляет мощность источника в зависимости от длины волны с равномерным уровнем лучистой энергии связанный с и галогенновыми лампами.

Видимый свет — это часть электромагнитного излучения (ЭМ), как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и микроволны. Как правило, видимый свет определяется как визуально определяемый для большинства человеческих глаз

ЭМ излучение передает волны или частицы на различных величинах волн и частотах. Такой широкий диапазон длин волн называется электромагнитным спектром .

Спектр, как правило, делится на семь диапазонов в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общее обозначение представляет радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Длина волны видимого света находится в диапазоне электромагнитного спектра между инфракрасным (ИК) и ультрафиолетовым (УФ).

Она имеет частоту от 4 × 10 14 до 8 × 10 14 циклов в секунду, или герц (Гц) и длина колебаний от 740 нанометров (нм) или 7,4 × 10 -5 см до 380 нм или 3,8 × 10 -5 см.

Что такое цвет

Пожалуй, наиболее важной характеристикой видимого света является пояснение что такое цвет . Цвет является неотъемлемым свойством и артефактом человеческого глаза. Как ни странно, но объекты «не имеют» цвета – он существует только в голове смотрящего. Наши глаза содержат специализированные клетки, образующие сетчатку глаза, которая действует как приемники, настроенные на длины волн в этой узкой полосе частот.

Излучение в нижней части видимого спектра, имеющей большую длину волны (около 740 нм) воспринимается как красный, в середине, как зеленый, и на верхнем конце спектра, с длиной волны около 380 нм, считается синий. Все остальные цвета, которые мы воспринимаем, являются смесью этих цветов.

Например, желтый цвет содержит красный и зеленый; голубой — смесь зеленого и синего, пурпурный — смесь красного и синего . Белый содержит все цвета в сочетании. Черный — это полное отсутствие видимого излучения.

Цвет и температура

Излучение энергии воспринимается как изменение цвета. Например, пламя паяльной лампы меняется от красноватого до синего и можно отрегулировать, чтобы жарче горела. Этот процесс превращения тепловой энергии в видимую энергию называется накаливание.

Лампа накаливания высвобождает часть своей тепловой энергии в виде фотонов. Около 800 градусов по Цельсию энергия, излучаемая объектом, достигает инфракрасного излучения. При увеличении температуры, энергия переходит в видимый спектр и у объекта появляется красноватое свечение. Когда объект становится жарче, цвет меняется до «белого каления» и в итоге превращается в синий.

Видимое излучение в астрономии

Видимый свет горячих объектов, таких как звезды, может быть использован для оценки их температуры.

Например, температура поверхности Солнца составляет примерно 5800 0 по Кельвину или 5527 0 по Цельсию.

Излучаемая энергия имеет пиковую длину колебаний около 550 нм, которые мы воспринимаем как видимый белый (или слегка желтоватый).

Если бы температура поверхности Солнца была прохладнее, около 3000 0 С, это бы выглядело как красноватый цвет, как звезда Бетельгейзе. Если бы это было жарче, около 12000 0 С, это будет выглядеть голубым, как звезда Ригель.

Звезда Бетельгейзе

Звезда Ригель

Астрономы также могут определить, какие объекты из чего состоят, так как каждый элемент поглощает свет в определенных длинах волн, называемых спектром поглощения. Зная спектры поглощения элементов, астрономы могут использовать спектроскопы для определения химического состава звезд, газопылевых облаков и других удаленных объектов.

Что такое цвет. Прежде всего, необходимо определить, что такое цвет. За те годы, что существует наука о цвете давались многочисленные оценки феномена цвета и цветового видения, однако все из них можно свести к одному простому определению: цвет есть совокупность психо-физиологических реакций человека на световое излучение, исходящее от различных самосветящихся предметов (источников света) либо отраженное от поверхности несамосветящихся предметов, а также (в случае прозрачных сред) прошедшее через них. Таким образом, человек имеет возможность видеть окружающие его предметы и воспринимать их цветными за счет света - понятия физического мира, но сам цвет уже не является понятием физики, поскольку это есть субъективное ощущение, которое рождается в нашем сознании под действием света.

Очень точное и емкое определение цвета дали Джадд и Вышецки: « . . . сам по себе цвет не сводится к чисто физическим или чисто психологическим явлениям. Он представляет собой характеристику световой энергии (физика) через посредство зрительного восприятия (психология)».

С точки зрения физики свет представляет собой один из видов электромагнитного излучения, испускаемого светящимися телами, а также возникающего в результате ряда химических реакций. Это электромагнитное излучение имеет волновую природу, т.е. распространяется в пространстве в виде периодических колебаний (волн), совершаемых им с определенной амплитудой и частотой. Если представить такую волну в виде графика, то получится синусоида. Расстояние между двумя соседними вершинами этой синусоиды называется длиной волны и измеряется в нанометрах (нм) и представляет собой расстояние, на которое распространяется свет за период одного колебания.

Человеческий глаз способен воспринимать (видеть) электромагнитное излучение только в узком диапазоне длин волн, ограниченного участком от 380 до 760 нм, который называется участком видимых длин волн, собственно и составляющих свет. Излучения до 380 и выше 760 нм мы не видим, но они могут восприниматься нами другими механизмами осязания (как, например, инфракрасное излучение) либо регистрироваться специальными приборами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Спектр электромагнитных излучений и спектр видимого света

В зависимости от длины волны, световое излучение воспринимается человеческим глазом окрашенным в тот или иной цвет (правильнее сказать, вызывает у человека ощущение того или иного цвета) от фиолетового до красного (табл. 1.1). Эта способность определяет возможность цветового видения человека.

Спектр как характеристика 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. Примеры цветовых спектров различных источников света и материалов приведены на рис. 1.2 и рис. 1.3.

Рис. 1.2. Кривые спектра отражения различных красок: изумрудной зелени, красной киновари, ультрамарина

Рис. 1.3. Примеры спектральных распределений интенсивностей излучения различных источников света: свет от ясного голубого неба, среднедневной солнечный свет, свет лампы накаливания

По форме спектральной кривой можно судить о цвете излучения, отраженного от поверхности предмета или испущенного самосветящимся источником света. Чем более будет стремиться эта кривая к прямой линии, тем более цвет излучения будет казаться серым. Чем меньше либо больше будет амплитуда спектра, тем цвет излучения предмета будет менее или более ярким. Если спектр излучения равен нулю на всем диапазоне за исключением определенной узкой его части, мы будем наблюдать так называемый чистый спектральный цвет , соответствующий монохроматическому излучению, испускаемому в очень узком диапазоне длин волн.

В результате сложных процессов взаимодействия светового потока с атмосферой, окружающими предметами и другими световыми потоками энергетический спектр излучения реальных предметов, как правило, приобретает гораздо более сложную форму. В природе фактически нельзя встретить чистых цветов. К примеру, даже если принять излучение солнца в полдень за эталон белого цвета, то и он на самом деле окажется не белым, а имеющим ту или иную окраску, возникающую в следствие изменения спектрального состава солнечного излучения в процессе его прохождения сквозь толщу земной атмосферы: молекулы воздуха, а также находящиеся в атмосфере частички пыли и воды взаимодействуют с потоком солнечного излучения, причем в зависимости от длины волны этот процесс происходит менее или более интенсивно. Поэтому в вечерние и утренние часы, когда солнце находится низко над горизонтом и солнечные лучи должны проходить большее расстояние в атмосфере, чем в полдень, солнечный свет кажется нам не белым, а желтоватым, а освещенные им предметы - окрашенными в различные оттенки желтого, оранжевого, розового и красного. Это происходит из-за того, что атмосфера поглощает коротковолновую (условно синюю) и свободно пропускает длинноволновую (условно красную) составляющую излучения солнца. Таким образом, получается, что цвет предметов напрямую зависит от источника света, освещающего поверхность данного предмета. Точнее, световое излучение, отраженное от поверхности предмета либо прошедшее через нее и формирующее в зрительном аппарате ощущение цвета этого предмета, определяется как свойствами самого предмета отражать либо поглощать свет в зависимости от длины волны, так и свойствами источника света, используемого для освещения этого предмета, изменять интенсивность излучения в зависимости от длины волны (рис. 1.4). Поэтому при проведении цветовых измерений необходимо всегда учитывать используемое при этом освещение и по возможности пользоваться только стандартными источниками света, причем не использовать сразу несколько разнотипных источников. То же самое касается любых работ с цветными изображениями, когда необходимо обеспечить высокую точность цветопередачи.

Феномен цветового видения. При проведении своего знаменитого опыта по разложению солнечного света в спектр Ньютон сделал очень важное наблюдение: несмотря на то, что спектральные цвета плавно переходилили друг в друга, пробегая целую массу всевозможных цветовых оттенков, фактически все это многообразие цветов оказалось возможным свести к семи цветам, которые были названы им первичными: красному, желтому, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и фиолетовому. Впоследствии различными исследователями было показано, что число этих цветов можно сократить до трех, а именно до красного, зеленого и синего. Действительно, желтый и оранжевый есть комбинация зеленого и красного, голубой - зеленого и синего. Тоже самое касается всех остальных цветовых тонов, которые могут быть получены комбинацией красного, зеленого и синего цветов, названных поэтому основными цветами .

Юнг и Гемгольц, занимавшиеся исследованиями цветового зрения, предположили, что подобные явления объясняются наличием в аппарате человеческого зрения трех цветочувствительных анализаторов, каждый из которых ответственен за восприятие красного, зеленого и синего световых излучений, попадающих в глаз. Позже это предположение получило достаточно веские научные подтверждения и легло в основу трехкомпонентной теории цветового зрения, которая объясняет феномен видения цвета существованием в глазу человека трех типов цветоощущающих клеток, чувствительных к свету различного спектрального состава.

Эти клетки действительно удалось увидеть в сетчатке глаза и поскольку под микроскопом они предстали в виде округлых продолговатых тел несколько неправильной формы, они были названы колбочками. Колбочки подразделяются на три типа в зависимости от того, к излучению какого спектрального состава они чувствительны, и обозначаются греческими буквами β (бета), γ (гамма) и ρ (ро). Первый тип (β) имеет максимум чувствительности к световым волнам с длиной от 400 до 500 нм (условно «синяя» составляющая спектра), второй (γ) - к световым волнам от 500 до 600 нм (условно «зеленая» составляющая спектра) и третий (ρ) - к световым волнам от 600 до 700 нм (условно «красная» составляющая спектра) (рис. 1.5 б). В зависимости от того, световые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре света, те или иные группы колбочек возбуждаются сильнее или слабее.

	а)
	б)

Рис. 1.5. Кривая относительной световой эффективности палочек (пунктирная линия) и колбочек (а) и кривые спектральной чувствительности колбочек, нормированные к единице (б)

Также было установлено наличие других клеток, которые не имеют чувствительности к строго определенным спектральным излучениям и реагируют на весь поток светового излучения. Поскольку под микроскопом эти клетки видны как удлиненные тела, их назвали палочками.

У взрослого человека насчитывается около 110-125 млн. палочек и около 6-7 млн. колбочек (соотношение 1:18). Условно говоря, видимое нами изображение, также как и изображение цифровое, дискретно. Но поскольку число элементов изображения очень большое, мы этого просто не ощущаем.

Интересно отметить и другую особенность. Световая чувствительность палочек намного выше чувствительности колбочек и потому в сумерках или ночью, когда интенсивность попадающего в глаз излучения становится очень низкой, колбочки перестают работать и человек видит только за счет палочек. Потому в это время суток, а также в условиях низкого освещения, человек перестает различать цвета и мир предстает перед ним в черно-белых (сумрачных) тонах. Причем световая чувствительность человеческого глаза настолько высока, что намного превосходит возможности большинства существующих систем регистрации изображения. Человеческий глаз способен реагировать на поток светового излучения порядка 10 –16 Вт/см.кв. Если бы мы захотели использовать эту энергию для нагревания воды, то для того, чтобы нагреть один кубический сантиметр воды на 1°, на это потребовался бы 1 млн. лет. Если выразить чувствительность человеческого глаза в единицах чувствительности фотопленки, то она будет эквивалентна фотопленке с чувствительностью 15 млн. единиц ASA.

Чувствительность палочек и колбочек к световому потоку в зависимости от длины волны описывается кривыми спектральной чувствительности человеческого глаза (рис. 1.5 б). Для характеристики общей спектральной чувствительности человеческого глаза к потоку светового излучения используется относительная кривая световой эффективности, либо, как ее еще называют, кривая видности, глаза, определяющая соответственно общую чувствительность человеческого глаза к свету с учетом цветового (колбочки) или светового (палочки) зрения (рис. 1.5 а). Эти зависимости представляют большой интерес для специалистов, поскольку позволяют объяснить ряд известных феноменов человеческого зрения.

Так, по этим кривым можно видеть, что человек очень хорошо способен воспринимать зеленые и зелено-желтые цвета, в то время как его чувствительность к синим цветам заметно ниже.

Ситуация несколько меняется в сумерках, когда чувствительные к яркому световому излучению колбочки начинают терять свою эффективность и соотношение между палочками и колбочками изменяется - максимум спектральной световой эффективности смещается в сторону синих излучений (палочковое зрение).

Другая интересная особенность заключается в том, что глазному хрусталику труднее фокусироваться на предметы, если они окрашены в сине-фиолетовые тона. Это объясняется падением спектральной чувствительности глаза в этих областях спектра. Поэтому очки иногда делают не нейтрально-прозрачными, а из окрашенных в желтый либо коричневый цвет стекол, которые фильтруют сине-фиолетовую составляющую спектра.

Из-за того, что кривые спектральной чувствительности частично перекрываются, человек может сталкиваться с определенными сложностями при различении некоторых чистых цветов. Так, из-за того что кривая спектральной чувствительности колбочек типа r (условно чувствительных к красной части спектра) сохраняет некоторую чувствительность в области сине-фиолетовых цветов, нам кажется, что синие и фиолетовые цвета имеют примесь красного.

Влияет на восприятие цвета и общая световая чувствительность глаза. Поскольку кривая относительной световой эффективности представляет собой гауссиану с максимумом в точке 550 нм (для дневного зрения), то цвета по краям спектра (синие и красные) воспринимаются нами менее яркими, чем цвета, занимающие центральное положение в спектре (зеленый, желтый, голубой).

Поскольку спектральная чувствительность человеческого глаза неравномерна по всей области спектра, при ощущении цвета могут возникать явления, когда два разных цвета, имеющих разные спектральные распределения, будут нам казаться одинаковыми за счет того, что вызывают одинаковое возбуждение глазных рецепторов. Такие цвета называются метамерными , а описанное явление - метамерией . Оно часто наблюдается, когда та или иная окрашенная поверхность рассматривается нами при разных источниках освещения, свет которых взаимодействуя с поверхностью, изменяет спектр ее цвета. В этом случае, например, белая ткань может при дневном свете выглядеть белой, а при искусственном освещении менять свой оттенок. Либо два предмета, имеющие разные спектры отражения, и, соответственно, которые должны иметь разный цвет, на самом деле воспринимается нами одинаковыми, поскольку вызывают однозначное возбуждение трех цветоощущающих центров глаза. Причем, если мы попытаемся воспроизвести цвет этих предметов, скажем, на фотопленке, использующей отличный от зрительного аппарата человека механизм регистрации изображения, эти два предмета скорее всего окажутся имеющими различную окраску.

Рис. 1.6. Иллюстрация явления метамерии

Три цветовых образца имеющих разный спектральный коэффициент отражения кажутся при освещении их дневным светом одинаковыми. При воспроизведении этих образцов на фотопленке, спектральная чувствительность которой отлична от спектральной чувствительности зрительного аппарата человека, либо при изменении освещения они меняют свой цвет и становятся разноокрашенными.

На использовании явления метамерии основана вся современная технология воспроизведения цветного изображения: не имея возможности в цветной репродукции в точности повторить спектр того или иного цвета, наблюдаемый в естественных условиях, он заменяется цветом, синтезированным с помощью определенного набора красок или излучателей и имеющим отличное спектральное распределение, но вызывающим у зрителя те же самые цветовые ощущения.

Знание особенностей человеческого зрения очень важно при проектировании систем регистрации и обработки изображения. Именно для того, чтобы в максимальной степени учесть особенности человеческого зрения, производители фотоматериалов добавляют дополнительные цветочувствительные слои, производители принтеров - дополнительные печатные краски и т.д. Однако никакие усовершенствования современных технологий все же не позволяют создать систему воспроизведения изображения, которая бы могла сравниться с аппаратом человеческого зрения.

Классификация цветов. Как уже было указано, в зависимости от длины волны излучения свет воспринимается человеческим глазом окрашенным в тот или иной цвет от фиолетового до красного. Воспринимаемые при этом цвета принято называть чистыми спектральными цветами , а определяющая их цвет характеристика называется в колориметрии цветовым тоном . Цветовой тон однозначно связан с длиной волны и потому часто выражается в нанометрах.

Принято считать, что человеческий глаз способен различить до 150 различных цветовых тонов чистых спектральных цветов. К этому числу следует прибавить еще 30 пурпурных цветов, которые отсутствуют в спектре, но могут быть получены путем смешения синего и красного спектральных излучений.

Помимо чистых спектральных и чистых пурпурных цветов также существует ряд цветов, которые называются ахроматическими или нейтральными цветами , т. е. цветами, лишенным окраски. Сюда относится черный, белый и лежащие между ними различные оттенки серого. Ощущение этих цветов возникает тогда, когда на человеческий глаз не действует поток светового излучения (черный цвет) либо наоборот, действует поток максимальной интенсивности (белый цвет). Ощущение серого цвета возникает тогда, когда воздействующий на глаз световой поток возбуждает цветочувствительные анализаторы (колбочки) в равной степени. Причем спектр излучения этого цвета не обязательно должен быть равномерным (равноэнергетическим), достаточно только, чтобы он вызывал одинаковое возбуждение трех цветоощущающих цвентров глаза, а сам спектр излучения может при этом быть очень неравномерным (рис. 1.6).

Если смешивать чистый спектральный цвет с белым либо серым, то будет происходить явление, когда цвет начнет терять свою чистоту и постепенно переходить в белый или серый цвет. В этой связи для характеристики цвета помимо цветового тона используют также характеристику, называемую насыщенностью или же чистотой цвета . На самом деле, чистых спектральных цветов в природе можно встретить не так уж много, и вместо них мы гораздо чаще наблюдаем цвета в той или иной степени лишенные насыщенности. Считается, что для каждого цветового тона человеческий глаз способен различить до 200 ступеней насыщенности.

Характеристики цветового тона и насыщенности часто объединяются вместе и называются цветностью , которая может служить качественной характеристикой восприятия цвета.

Два одинаковых цветовых тона могут отличаться друг от друга не только насыщенностью, но и яркостью (силой) их излучений, что при характеристике свойств несамосветящихся объектов принято характеризовать понятием светлоты цвета . Если насыщенность цвета можно интерпретировать как соотношение чистого цвета и добавленного к нему белого, то светлоту можно интерпретировать как соотношение чистого цвета и добавленного к нему черного. По мере увеличения силы (яркости) светового излучения цвет принимает различные цветовые оттенки от черного до белого. Светлота напрямую связана с насыщенностью цвета, поскольку изменение яркости цвета часто ведет к изменению его насыщенности.

Если цветность может использоваться как качественная характеристика цвета, то светлота может использоваться как количественная оценка цвета.

Три рассмотренные нами характеристики цвета, а именно цветовой тон, насыщенность и светлоту, часто располагают в виде трехмерного графика на котором значение светлоты служит опорной осью, вдоль которой цвета располагаются от черного до белого, насыщенность изменяется по радиальной координате по мере удаления цвета от центра графика, а цветовой тон характеризуется угловой координатой, как это показано на рис. 1.7. Теоретически такой график должен представлять собой цилиндр, но его чаще располагают в виде перевернутого конуса, вершина которого соответствует точке черного, а основание - максимальному значению светлоты. Это хорошо согласуется с тем фактом, что при малых значениях яркости излучения человек начинает хуже различать цвета, а при минимальном значении яркости не различает их вообще.

Если использовать вычертить этот график на плоскости убрав координату светлоты и оставив только цветовой тон либо цветовой тон и насыщенность (цветность), то получим построение, которое принято именовать цветовым кругом (рис. 1.8), представляющим собой окружность, вдоль которой располагаются цветовые тона от красного до пурпурного. Каждый цвет в цветовом круге имеет численную координату, выраженную в градусах от 0° до 360°. Красный цвет начинает и замыкает цветовой круг, соответствуя точке 0° (360°). Оранжевому соответствует координата 40°, желтому - 60°, зеленому - 120°, голубому - 180°, синему - 240°, пурпурному - 300°. Все эти цвета, за исключением оранжевого, который является смесью красного и желтого, оказывается расположенными на цветовом круге на равном интервале друг от друга 60°.

Рис. 1.8. Цветовой круг

Цвета, находящиеся в цветовом круге друг напротив друга, называются дополнительными цветами . Например, красный и голубой, зеленый и пурпурный, синий и желтый и т.д. Эти цветовые пары имеют ряд интересных свойств, которые используются в технологии воспроизведения изображения и о которых будет подробно рассказано ниже.

Характеристики цветового тона, насыщенности и светлоты являются наиболее употребимыми визуальными либо, как их еще называют, психофизическими характеристиками цвета и используются, когда цвет необходимо определить не прибегая при этом к сложному математическому аппарату.

Другими средствами определения цвета могут служить атласы цветов, в которых приводятся образцы выкрасок цветов на различных поверхностях и материалах, сгруппированные по определенному признаку. Такие атласы широко используются в полиграфии, текстильной промышленности и архитектуре. Например, каталоги печатных цветов Pantone, образцы строительных колеров и т.п. Каждый цвет в цветовом атласе имеет свой индекс, по которому может быть определено его положение в атласе, а также рецептуру красок, необходимых для его получения

В колориметрии широко используется цветовой атлас Манселла, составленный в начале 20 столетия американским художником Альбертом Манселлом. Манселл сгруппировал цвета по трем координатам цветового тона (Hue ), насыщенности (Chroma ) и светлоты (Value ).

Манселл разделил цветовые тона (Hues) на 10 основных тонов, которые он обозначил соответствующими буквенными индексами: R (красный), YR (желто-красный), Y (желтый), GY (желто-зеленый), G (зеленый), BG (сине-зеленый), B (синий), PB (пурпурно-синий) и RP (красно-пурпурный). В каждом из них он выделил 10 оттенков, получив таким образом 100 чистых цветовых тонов. Их он расположил по кругу, создав геометрическое построение, аналогичное уже известному нам цветовому кругу. Значения тонов были выбраны Манселлом таким образом, чтобы соседние друг с другом образцы имели одинаковое цветовое отличие на глаз обычного наблюдателя при нормальных условиях освещения (под таким освещением Манселл понимал полуденный свет неба в северных широтах). Используя центр полученной окружности как точку ахроматических цветов, Манселл расположил цветовые образцы от центра окружности к ее краю в соответствии с увеличением насыщенности (Chroma) цвета. Наконец, из центра окружности он построил ось, вдоль которой цвета группировались по мере увеличения их светлоты (Value). По степени увеличения светлоты цвета разбивались на 10 групп от 0 (черный) до 9 (белый), причем шкала яркости была выбрана не линейная, а логарифмическая, что более соответствует тому, как изменение яркости воспринимается человеком. А вот по степени увеличения насыщенности цвета не имели четкого и одинакового разделения, поскольку спектральная чувствительность человеческого глаза в разных областях спектра не одинакова, и потому различия насыщенности для разных цветовых тонов человек может видеть менее или более точно. Так для 5Y при Value = 2 Манселл выделил только 3 степени насыщенности, а для 5PB при той же светлоте - 28 . При этом для разных значений светлоты возможное число цветовых образцов, имеющих разную насыщенность, было также неодинаковым, что согласуется с тем фактом, что человек не способен хорошо различать цвета при слишком низких и слишком высоких яркостях. Если сгруппировать цветовые образцы в пространственное тело, то полученное таким образом геометрическое построение будет несколько асимметричным, напоминая немного яблоко слегка неправильной формы либо деформированный шар. Кстати говоря, именно таким образом в виде своеобразного цветового глобуса цветовой атлас Манселла часто и представлялся потребителю (рис. 1.10).

Для точного задания того или иного цвета Манселл использовал специальную систему координат, которая обозначается Hue (цветовой тон), Value (светлота) / Chroma (насыщенность). Например, красно-пурпурный цвет обозначается в атласе как 6RP4/8 , где 6RP - координата цвета, имеющего светлоту 4 с насыщенностью 8 .

Помимо Манселла разработкой подобных цветовых атласов занимались и ряд других исследователей. В Германии аналогичный цветовой атлас, причем практически в тоже самое время, что и Манселл, разработал Оствальд. Аналогичные работы были предприняты в Канаде, США и ряде других стран, причем часто создавалось сразу несколько национальных цветовых стандартов для различных областей промышленности. В Советском Союзе был разработан и использовался цветовой атлас Рабкина и атлас ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.

Помимо цветовых атласов были также разработаны многочисленные системы классификации цветов по их названию. Хотя эти системы нельзя назвать до конца научно достоверными (под одним и тем же названием разные наблюдатели могут понимать разные цвета), но в качестве дополнения к уже имеющимся системам классификации цветов они могут сослужить хорошую службу.

В качестве самого простого примера можно привести семь названий цветов, описывающих участки видимого спектра и слагающиеся во всем известную формулу про охотника и фазана: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Термины, которыми привыкли оперировать художники, представятся уже намного более сложными и, естественно, многочисленными. Если мы возьмем наборы красок, продающихся в магазинах для художников, то обнаружим среди названий красок такие, как охра, кобальт, киноварь и т.д., которые являются общепринятыми терминами, которые у любого профессионального художника будут ассоциироваться с определенными цветами, хотя, безусловно, в том, какие именно цвета подразумевает под тем или иным наименованием конкретный человек будут неизбежно существовать различия.

Предпринимались и многочисленные попытки разработки более строгих в научном отношении систем именования цветов. Так Мэрц и Пауль создали цветовой словарь, содержащий почти 4000 названий, из которых около 36 представлены собственными названиями, 300 представляют собой сложные слова, состоящие из названия цвета и соответствующего прилагательного. В 1931 году Межведомственный комитет по цвету (ISCC) США по заказу Фармакологического комитета разработал систему именованных цветов для описания цвета окрашенных поверхностей. Эта система охватывала 319 обозначений, в основу которых были положены названия цветов, предложенных Манселлом. Сюда входили названия основных тонов - «красный» (R) , «желтый» (Y) , «зеленый» (G) , «синий» (B) , «пурпурный» (P) , «оливковый» (Ol) , «коричневый» (Br) и «розовый» (Pk) , - к которым для обозначения дополнительных цветов добавлялись прилагательные «слабый», «сильный», «светлый», «темный», а также термины «бледный», «блестящий», «глубокий», «сумеречный», «живой».

Все остальные системы, разработанные другими исследователями, строятся по сходному способу и обычно насчитывают до нескольких сотен названий. В качестве примера такой системы, широко используемой в настоящее время в интернет-приложениях, можно привести систему из 216 цветов, рекомендованных Интернет-консорциумом W3C (World Wide Web Consortium) в качестве стандартных цветов, которые можно использовать для спецификации цвета в рамках языка HTML.

Характеристика источников света. Поскольку излучение от окружающих нас предметов и материалов, попадающее в наши глаза и вызывающее ощущение цвета, определяющий ется Среди многообразия светового излучения, которое в состоянии воспринимать человеческий глаз, особо выделяют излучение, собственно излучаемое тем или иным самосветящимся источником, таким как солнце, лампа накаливания, фотографическая лампа-вспышка и т.д. Поскольку источники света играют очень важную роль при определении цвета предметов и материалов, они были подробно изучены и была разработана специальная система их классификации, в основе которой положено понятие цветовой температуры .

Как известно, если нагревать металлический предмет до высокой температуры, он начнет испускать световое излучение. Чем выше температура накала, тем более интенсивным будет это свечение. При этом, в зависимости от температуры накала, будет также меняться и его цвет. Вначале оно будет темно-красным, затем красным, затем оранжевым, затем белым. Как оказывается, это явление свойственно не только металлу, но наблюдается при нагревании многих твердых тел с высокой температурой плавления. Именно на его использовании построены электрические лампы накаливания: по тонкой вольфрамовой проволоке пропускается электрический ток, в результате чего проволока нагревается и испускает свет. Причем цвет свечения предмета может быть довольно точно оценен в зависимости от температуры нагрева вольфрама: при нагревании до температуры в несколько сотен градусов он имеет красноватый оттенок, при нагревании до температуры 1000K - оранжевый, 2000K - желтый; свечение тела нагретого до нескольких тысяч градусов воспринимаются нами уже как белое. Свет солнца также обусловлен излучением, возникающим в результате реакций протекающих на его поверхности, нагретой до температуры около 6500K. Поверхность некоторых звезд имеет температуру свыше 10000K и потому цветность их излучения является голубой (табл. 1.5). По мере изменения температуры соответствующим образом изменяется и спектральный состав излучения (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Нормированные спектральные распределения излучения абсолютно черного тела при разных цветовых температурах

Поскольку характер излучения для большинства самосветящихся источников подчиняется одним и тем же законам, было предложено использовать температуру в качестве характеристики цветности излучения. Поскольку для разных тел в зависимости от их химического состава и физических свойств нагревание до заданной температуры дает несколько разный спектр излучения, в качестве эталона цветовой температуры используется гипотетическое абсолютно черное тело, которое представляет собой полный излучатель, излучение которого зависит только от его температуры и не зависит ни от каких других его свойств.

Спектр свечения абсолютно черного тела в зависимости от температуры его нагревания можно определить по закону Планка. Несмотря на существующие различия все другие тела ведут себя при нагревании довольно схожим с идеальным черным телом образом и потому использование цветовой температура как характеристики цветности излучения самосветящихся источников, как природных, так и искусственных, оказывается оправданным для очень большого числа случаев. Поскольку спектральное распределение излучения, и, соответственно его цветность, даваемые реальным телом редко когда точно совпадает со спектральным распределением и цветностью идеально черного тела при данной цветовой температуре, при характеристике излучения реально существующих тел используют понятие коррелированной цветовой температуры , что означает ту цветовую температуру идеального черного тела, при которой цветность его излучения совпадает с цветностью излучения данного тела. При этом спектральный состав излучения и физическая температура этих тел как правило оказываются различными, что вполне логично следует из различия физических свойств реального и идеального черного тела.

Соответственно, сколько существует в мире источников света эксплуатируемых при разных условиях, столько существует и спектральных распределений их излучения. Так фазы солнечного света и их коррелированные цветовые температуры меняется в очень широких пределах в зависимости от географического положения, времени суток и состояния атмосферы (рис. 1.12, табл. 1.6). Тоже самое касается и искусственных источников света, например ламп накаливания, цветовая температура которых меняется в зависимости от их конструкции, рабочего напряжения и режима эксплуатации (табл. 1.6).

Рис. 1.12. Нормированные спектральные распределения различных фаз дневного света: 1) свет неба в зените, 2) свет неба полностью покрытого облаками 3) прямой солнечный свет в полдень; 4) прямой солнечный свет за 1 час до захода

Однако, несмотря на существующие разнообразие различных источников света большинство используемых в промышленности и технологии источников света могут быть стандартизированы. Такая стандартизация была предложена Международной комиссией по освещению (МКО), в соответствии с которой было выделено несколько так называемых стандартных колориметрических излучателей, которые были обозначены латинскими буквами A , B , C , D , E и F (табл. 1.7). В отличие от реальных источников света стандартные излучатели МКО описывают классы источников света в целом, основываясь на усредненных значениях их спектральных распределений. Подобная стандартизация показала свою достаточную эффективность, поскольку, как оказывается, несмотря на имеющиеся различия большинство реальных источников света могут быть довольно точно сопоставлены с соответствующими стандартными излучателями.

Табл. 1.7.
Стандартные колориметрические излучатели МКО

Ст. излу- чатель	Характеристика
A	Под этим источником МКО обозначила полный световой излучатель (идеальное черное тело) при температуре 2856К. Для его воспроизведения используется лампа накаливания с вольфрамовой нитью с коррелированной цветовой температурой 2856К, а для более точного воспроизведения всего спектра источника А рекомендуется использовать лапы с колбой из плавленого кварца
B, C	Воспроизводят дневной солнечный свет: B - прямой солнечный свет с коррелированной цветовой температурой 4870К, C - непрямой солнечный свет с коррелированной цветовой температурой 6770К. При расчете этих излучателей были допущен целый ряд неточностей и потому в колориметрических расчетах они практически не используются, заменяясь стандартным излучателем D . По этой причине в спецификации стандартных излучателей МКО они часто вообще не указываются
D	Является стандартным источником света, под который калибруется большинство имиджингового оборудования. Воспроизводит различные фазы среднедневного света в диапазоне коррелированных цветовых температур от 4000К до 7500К. Данные спектрального распределения излучения D были определены путем усреднения данных многочисленных измерений спектра дневного света выполненных в различных районах Великобритании, Канады и США. Для различных целей было определено несколько спектральных распределений источника D для различных значений цветовой температуры: D50 , D55 , D60 , D65 , D70 , D75 с коррелированными цветовыми температурами соответственно 5000K, 5500K, 6000K, 6500K, 7000K, 7500K, соответствующим определенным фазам дневного света. Источник D65 следует считать наиболее универсальным, поскольку он наиболее точно аппроксимирует среднедневной свет. Источник D50 принят в качестве стандартного в полиграфии, поскольку лучше всего подходит для характеристики изображения, напечатанного стандартными типографскими красками на бумаге. Источник D55 принят в качестве стандартного в фотографии: именно лампы с цветовой температурой 5500К используются в просмотровом оборудовании для слайдов и эту цветовую температуру имеет свет лампы-вспышки. В отличие от других стандартных источников, в точности воспроизвести стандартные источники D довольно сложно, поскольку искусственных источников света с таким спектральным распределением излучения не существует. В качестве наиболее употребимых решений, удовлетворяющих потребителя как качественно, так и экономически, можно назвать использование люминесцентных ламп с соответствующей коррелированной цветовой температурой, спектр излучения которых дополнительно откорректирован с помощью специальных светофильтров
E	Гипотетический источник излучения имеющий равноэнергетический (не меняющийся с изменением длины волны) спектр с цветовой температурой 5460К. Реально не существует в природе и используется в колориметрии в только расчетных целях
F	Стандартный излучатель, описывающий спектральное распределение излучения различных люминесцентных ламп. F1 - излучение теплой люминесцентной лампы с коррелированной цветовой температурой 3000К, F2 - люминесцентной лампы холодного дневного света с коррелированной цветовой температурой 4230К, F7 - люминесцентной лампы дневного света с коррелированной цветовой температурой 6500К

Наряду с цветовой температурой иногда используется ее обратная величина, именуемая миред (обозначается μrd) либо обратный микрокельвин.

Использование μrd вместо шкалы Кельвина имеет два преимущества: во-первых одна единица μrd примерно соответствует заметному на глаз единичному порогу изменения цветности светового потока и потому характеризовать цветность излучения в этих единицах удобнее; во-вторых μrd удобно использовать для характеристики цветных конверсионных и цветобалансирующих светофильтров: изменение цветовой температуры, обеспечиваемое фильтром, выраженное в μrd не изменится при работе с излучением с одной цветовой температуры к другому

К примеру, оранжевый конверсионный фильтр 85-й серии понижает цветовую температуру среднедневного цвета с 5500K до 3400K на 2100К (112 μrd). Однако если его использовать для понижения цветовой температуры светового потока с цветовой температурой 4000K, изменение цветовой температуры выраженное в К будет не 2100K, а 7246K, а выраженное в μrd не измениться.

Сложение цветов. Получение нового цвета путем смешивания нескольких основных цветов определяет возможность получения цветного изображения в фотографии, кино, телевидении, полиграфии и компьютерной технологии. Оно основано на явлении смешения спектров излучения, образованных окрашенными поверхностями либо световыми излучателями. В результате получается новый цвет, имеющий свой собственный спектр (рис. 1.13).

Если, к примеру, взять три световых излучателя снабженных красным, зеленым и синим светофильтрами и спроецировать их излучения в одной точке на белом экране, то мы получим белое пятно. Если один из излучателей выключить и смешивать только излучение красного излучателя с зеленым, синего с зеленым и зеленого с красным то на экране мы получим вначале желтый, затем пурпурный и затем голубой цвет. Если же взять все три излучателя и смешивать их излучения в разной пропорции то мы сможем таким образом получить довольно большое число цветов и их оттенков. Чем меньше будет различие интенсивности трех излучателей, тем меньшей будет насыщенность цвета и тем более он будет стремиться к нейтральному. Если не изменяя пропорции трех излучений уменьшить их интенсивность, то мы получим тот же самый цвет но имеющий меньшую яркость. В предельном случае, когда интенсивность всех трех излучателей уменьшена до нуля, мы получим черный цвет.

Для случая, когда берутся только два основных цвета:

На самом деле вместо красного, зеленого и синего мы могли бы взять какие угодно цвета, но просто путем смешения красного, зеленого и синего можно получить наибольшую комбинацию цветов. Очевидным объяснением этого факта являются особенности человеческого зрения и наличие в зрительном аппарате человека трех цветоощущающих рецепторов, каждый из которых является чувствительным к красным, зеленым и синим лучам. Таким образом, образование цвета с помощью трех излучателей синего, зеленого и красного цветов можно рассматривать как направленное возбуждение трех цветовых рецепторов глаза, в результате чего получается возможность вызывать у зрителя ощущение того или иного цвета.

По подобной схеме происходит образование цветного изображения на экране видео- и компьютерного монитора, телевизора, ЖКИ-проектора и в других устройствах, которые для синтеза цвета используют излучения трех основных цветов либо (для устройств ввода изображения) разлагают изображение на основные цвета.

Поскольку для получения цвета излучения трех основных цветовсмешиваются (складываются), этот способ цветосинтеза получил наименование аддитивного (от глагола add - складывать).

Рис. 1.13. Аддитивное смешение цветов

Рисунок иллюстрирует получение аддитивной цветовой смеси на примере цветного монитора Sony Trinitron. Излучения от трех люминофоров красного (R) , зеленого (G) и синего цветов (B) , спектральные излучения которых показаны на рисунке, суммируются для каждой длины волны, что позволяет получить цветовую смесь, воспроизводящую в зависимости от интенсивности свечения каждого люминофора большое число различных цветов и их оттенков. Обратите внимание, что свечение красного люминофора имеет практически линейчатый спектр, что обусловлено присутствием в его составе редкоземельных элементов

В большинстве случаев, однако, складывать световые потоки трех излучателей для образования цвета не представляется технологически возможным, например, в кино, фотографии, полиграфии, текстильной и лакокрасочной промышленности.

В фотографии световой поток белого света проходит через три красочных слоя фотоматериала, сформированных желтым, пурпурным и голубым красителем. В полиграфии световой поток проходит через слой желтой, пурпурной и голубой краски и отражаясь от поверхности бумаги проходит в обратном направлении, формируя цветное изображение.

В результате прохождения светового потока белого света через слой красителя либо пигмента происходит избирательное поглощение части энергии спектра излучения, в результате чего световой поток приобретает ту или иную окраску.

Таким образом получается возможным используя в качестве модулятора цветового излучения желтый, пурпурный и голубой красители, освещаемые световым потоком белого света, получать все те же потоки красного, зеленого и синего излучений, с помощью которых можно управлять возбуждением трех цветоощущающих центров глаза.

Рис. 1.14. Субтрактивное смешение цветов

Рисунок иллюстрирует получение субтрактивной цветовой смеси на примере цветной обращаемой фотопленки путем последовательного поглощения голубым (C) , пурпурным (M) и желтым (Y) красителями с плотностями C = 100%, M = 60%, Y = 20% излучения от светового источника дневного света (D65) в каждом интервале длин волн. Получаемый в результате их смешения цвет является одним из оттенков синего. Излучение, полученное в результате частичного поглощения светового потока субтрактивными красителями, может в этом случае рассматриваться как произведение спектра излучения источника света и спектров отражения красителей

В печати и полиграфии к трем желтой, пурпурной и голубой краскам еще добавляется черная. Это продиктовано, во первых, экономическими соображениями, поскольку позволяет уменьшить расход более дорогих цветных красок, а во вторых, позволяет решить некоторые принципиальные проблемы, возникающие в процессе трехцветной типографской печати в следствие несовершенства используемых печатных красок, спектр отражения которых на практике не ограничивается только желтым, только пурпурным и только голубым.

Поскольку для получения цвета световые потоки не складываются, а световой поток белого света частично поглощается в результате взаимодействия с красителем, такой способ цветосинтеза получил наименование субтрактивного (от глагола subtract - вычитать).