Луизов А.В. Цвет и свет

Подождите немного. Документ загружается.

центрам фовеальных областей, и часть предмета, окружающая точку фиксации,

воспринимается особенно четко. Изображаются на сетчатках и другие предметы, попавшие в

поле зрения каждого из глаз. И здесь важно отметить, что изображения всей картины в

правом и, левом глазе не идентичны. Различие происходит от того, что зрачки глаз

разведены на некоторое расстояние, о котором мы уже упоминали, как о базе, и которое

равно в среднем 62 мм.

От каждого элемента изображения на сетчатке в мозг посылаются нервные импульсы,

сложным образом кодирующие сведения об этом элементе. В мозгу происходит

декодирование импульсов и воссоздаются картины, соответствующие изображениям в

каждом из глаз. Эти две картины сливаются в одну трехмерную картину, позволяющую

непосредственно ощущать, какие предметы находятся дальше фиксируемого, какие ближе и

как эти предметы отличаются друг от друга по удаленности. У отдельного предмета виден

его рельеф, т. е. различие по удаленности его частей. А теперь уточним вопрос о

локализации наблюдаемой картины. По законам геометрической оптики на сетчатках

получаются обратные, т. е. перевернутые, изображения наблюдаемой картины. Издавна

ученых волновал вопрос: почему мы видим все не вверх ногами? Но разве трудно в процессе

сложной передачи по нервным волокнам, в процессе кодирования и декодирования

перевернуть изображение? Телевизионная техника, например, легко решает эту задачу. И

уже И. Кеплер не удивлялся тому, что изображение в глазу перевернуто. «Опыт и активное

вмешательство души – вот что выправляет изображение», – писал Кеплер.

Именно опыт и действие сознания не только выправляют изображение, но приводят к

гораздо более удивительному и чудесному результату: исторгают изображение из недр

наших глаз и возвращают его на место предметов, расположение которых .вокруг нас мы

непосредственно ощущаем.

Впрочем, И. М. Сеченов (52) считал, что не только выправление (поворот)

изображения, но и вынесение его в пространство предметов (Сеченов называл это

соотнесенностью) не требуют жизненного опыта. Соотнесенность – врожденное свойство

зрения, закрепленное наследственностью в силу его огромного биологического значения.

Проведенные в последнее время опыты по изучению зрения грудных младенцев говорят в

пользу этого провидения великого русского физиолога.

Итак, зрение дает нам рельефную картину реального мира, в которой положение

предметов достаточно точно совпадает с их истинным положением в пространстве, причем

они отличаются друг от друга по форме и цвету.

Глава 3. Основы фотометрии.

3.1. Свет.

В своей замечательной книге «Глаз и Солнце: (4) С. И. Вавилов пишет:

«Существующий матеральный мир – движущаяся материя – представляется нам в двух

основных формах – как вещество и свет» Обе формы материи обладают массой и энергией,

но вещество обладает массой покоя, а свет массы покоя не имеет.

В таком самом широком (и далеко не общепринятом) толковании свет – это все

электромагнитные колебания любых частот, т. е. фотоны любых энергий.

Количество вещества измеряют массой. Количество света принципиально можно

определять тоже его массой. Но практически это неудобно. Достаточно сказать, что на всю

Землю от Солнца за одну секунду падает всего около двух килограммов света. Удобнее

количество света измерять его энергией в джоулях (Дж) или мощностью в ваттах (Вт).

Мощность света Р получила название потока излучения (или лучистого потока). Мы, однако,

будем называть ее просто мощностью, чтобы ясней была физическая сущность этой

величины.

В обычном, общепринятом понимании свет – это только видимый свет, видимая часть

электромагнитного спектра. В ГОСТ 7601–78 прямо сказано: «Светом следует называть

только видимое излучение в пределах диапазона длин волн от 380–400 нм до 760–780 нм».

Нужно, однако, сказать, что сейчас приводятся веские доводы за расширение границ

менимости термина «свет» (1).

Слово «фотометрия» происходит от греческих слов φωξ – свет, μετρεω – измерять.

Таким образом, задача фотометрии – световые измерения.

3.2. Световые единицы.

Практическое значение освещения привело к тому, что световые измерения начали

производить еще в XVII веке (15), когда представления об энергии еще не были освоены

наукой. Поэтому в основу фотометрии были положены свои, произвольно выбранные

величины. Все измерения проводились при довольно высоких уровнях яркости, при которых

хорошо различаются цвета, т. е, свет воспринимается колбочками, и, следовательно,

величины устанавлизались, как и теперь, для колбочкового, дневного зрения. За основу была

принята единица силы света – свеча. Эталоном служила обычная свечка. Правда, уже давно

ученые поняли, что свечи бывают очень разные, и пытались стандартизировать эталон,

например, указывая, что это такая свеча, которых на фунт идет столько-то, или

обусловливали материал и диаметр свечи. В XIX веке был создан эталон свечи в виде

пламенной лампы с опрёделенными конструктивными параметрами и обусловленным

горючим – свеча Гефнера. В двадцатом веке эталон воспроизводили в виде лампы

накаливания. Во второй половине нашего столетия в основу эталона силы света было

положено излучение черного тела при температуре затвердевания платины. Сила света

одного квадратного сантиметра черного тела при температуре 2042К принята равной 60

свечам, или по современной терминологии канделам (кд).

От канделы были образованы другие фотометрические величины и единицы. Приняли,

что точечный источник, излучающий равномерно во все стороны и имеющий силу света,

создает в телесном угле 4π световой поток Ф, который вычисляется по формуле

Ф = 4πI, (3.1)

а в любом другом телесном угле dω

dФ = Idω. (3.2)

Едиицу светового потока назвали люмен (лм);

1 лм=1 кд•ср (кандела × стерадиан). (3.3)

Значит, 1 лм – это поток, который равномерный источник света, сила света которого

1 кд, создаег внутри телесного угла 1 ср. Удобно за основную величину принимать не

канделу, а люмен. Тогда сила света становится произволыюй величиной,

= (3.4)

размерность которой кд = лм·ср

-1

Пусть светящаяся поверхность наблюдается в направлении l составляющем угол γ с

нормалью к поверхности. Обозначим dA площадь элемента поверхности, сила света которого

dI. Проекция элемента с площадью dA на плоскость, перпендикулярную l, будет иметь

площадь dA сosγ. Это – размер элемента dА, видимого в направлении l. Яркостью

поверхности L в направлении l называют отношение dI к dAсоsγ:

cosdA

L =

. (3.5)

Единицу яркости в соответствии с ее размерностью называют кандела на квадратный

метр (кд-м-

). Освещенность определяется формулой

= , (3.6)

где dσ – элемент поверхности, на которую падает поток dФ.

Единица освещенности – люкс, размерность лм×м

-2

. Если свет падает на поверхность

∆σ по нормали, ∆σ = r

∆ω, где r – расстояние от источника света до освещаемой

поверхности. Вместе с тем по формуле (3.2) ∆Ф = I∆ω. Подставив оба выражения в (3.6),

после сокращения получим

Е = I/r

. (3.7)

Формула (3.7) имеет простой физический смысл: освещенность поверхности,

поставленной перпендикулярно к лучам света, равна силе света источника, деленной на

квадрат расстояния от него.

Освещенные предметы отражают или рассеивают часть упавшего на них света и

приобретают некоторую яркость L, сами становясь вторичными источниками света. Белый

экран, обладающий равномерно–диффузным отражением с коэффициентом отражения ρ, при

освещенности Е приобретает яркость L:

= . (3.8)

3.3. Световые измерения.

Рассеиваемый предметами свет попадает в глаз человека и создает на сетчатке

изображение наблюдаемой картины. Освещенность изображения предмета на сетчатке

пропорциональна яркости предмета. Яркость – это та фотометрическая величина, которую

мы непосредственно ощущаем. Приближаясь к предмету или удаляясь от него, мы не

замечаем изменения его яркости. При удалении, например, световой поток, попадающий от

предмета в наш зрачок, уменьшается, но и изображение предмета уменьшается так, что

освещенность изображения остается постоянной. Отсюда – постоянство ощущения яркости

предмета, непосредственная правильная оценка ее глазом.

Глаз с большой точностью устанавливает равенство двух яркостей, при благоприятных

условиях с погрешностью 1% и даже меныие (40). Поэтому на сравнении двух яркостей

основана почти вся визуальная фотометрия. (Исключение составляет только звездный

фотометр, в котором сравниваются два точечных источника света, воспринимаемые как рав-

нояркие, если они создают одинаковые освещенности на зрачке.)

Рис. 3.1 Схема простейшего фотометра.

На рис. 3.1 изображена схема простейшего фотометра, позволяющего измерить силу

света лампы. На схеме Л

– лампа, сила света которой I

известна; П – белая рассеивающая

призма, левая грань которой освещается лампой Л

, находящейся от нее на расстоянии r

Правая грань освещается лампой Л

силу света которой I

требуется измерить. Человек,

производящий измерение, смотря со стороны ребра призмы, в котором обе грани сходятся,

видит их одновременно. Если правая грань ярче левой, он отодвигает лампу Л

, если темнее

– придвигает ее, пока не будет найдено расстояние r

, при котором яркости окажутся

равными. Так как коэффициент диффузного отражения ρ обеих граней призмы одинаков, то

согласио формуле (3.8) равенство яркостей означает равенство освещенностей Е

и Е

откуда

по формуле (3.7) следует

I = . (3.9)

Современные фотометры устроены сложнее. Призма в них обычно заменена

фотометрическим кубиком, который состоит из двух стеклянных призм, посаженных на

оптический контакт диагональными плоскостями. В этих плоскостях вытравлены особой

формы углубления, нарушающие оптический контакт. Когда два пучка света направляются

на диагональную плоскость кубика под углом 45° и перпендикулярно друг другу, часть

каждого пучка в одних местах отражается (там, где контакт между стеклами нарушен,

происходит полное внутреннее отражение), а в других проходит сквозь кубик. Наблюдатель,

смотрящий на кубик с определенной стороны его, видит сложное переплетение полей,

причем яркости частей, обозначенных буквой Э (рис. 3.2), созданы источником, сила света

которого известна, а частей Л – измеряемым источником. При таком переплетении яркостей

равенство их можно установить особенно точно. Ослабление потока от одного из источников

теперь достигается не только удалеыием его, но и другими способами: введением

нейтральных фильтров и клиньев, поляризационными устройствами.

Рис. 3.2. Картина, видимая наблюдателем при фотометрировании с помощью кубака.

3.4. Спектральная чувствительность.

Установить связь между энергетическими и световыми величинами можно, только

изучив спектральную чувствительность глаза. Из всего спектра электромагнитных излучений

глаз воспринимает как свет лишь небольшую область, примерно одну октаву, от 380 до 760

нм. Но и в этом узком интервале чувствительность к разным длинам волн весьма различна.

Как же ее измерить?

Для наглядности представим сначала грубую схему возможного эксперимента. Рядом

поставлены два белых экрана. На один из них направляется излучение монохроматического

источника с длиной волны λ

, мощностью Р

, а на другой – излучение с длиной волны λ

мощность которого варьируют до тех пор, пока не установят равенство яркостей обоих

экранов; пусть это случится при мощности Р

. Яркости равны, визуальный эффект одинаков,

а мощности различны. Ясно, что чувствительность V(λ) тем больше, чем меньше

затрачиваемая мощность. Отсюда

(

)

()

. (3.10)

Получив такие выражения для многих излучений с длинами волн λ

,λ

2,…

,λ

и т. д.,

нашли ту длину волны, для которой чувствительность максимальна, и эту чувствительность

приняли за единицу. Остальные чувствительности выразили в этих единицах и получили для

каждой длины волны λ величину, которая обозначается V(λ) и называется относительной

спектральной световой эффективностью. Фактически измерение V(λ) – весьма сложная

задача, так как очень трудно уравнивать яркости двух полей разного цвета. Тут применялось

в основном два метода: метод малых ступеней и метод мигающего фотометра. По первому

методу каждый раз сравнивались излучения, мало отличающиеся по длине волны и,

следовательно, по цвету. Недостаток этого метода в том, что при переходе от одного цвета к

другому через большое число ступеней ошибка может накапливаться.

При втором методе излучения с длинами волн λ

и λ

подавались на экран попеременно

с частотой смены V. Оказалось, что глаз при некоторой частоте сливает ощущение цвета в

один промежуточный цвет, но если яркости различны, ощущает мелькание яркости этого

цвета. На этом уровне частоты и добиваются выравнивания яркостей, т. е. исчезновения

мельканий.

Вторая трудность заключалась в больших индивидуальных отличиях в

чувствительности. Пришлось проводить много измерений с разными испытуемыми и

усреднять их результаты. На основе анализа ряда исследований (16) Международная

комиссия по освещению (МКО) утвердила значения относительной спектральной световой

эффективности для стандартного фотометрического наблюдателя (39): см. табл. 3.1 и

рис. 3.3.

Таблица 3.1. Относительная спектральная световая эффективность излучения для

стандартного фотометрического наблюдателя (МКО)

λ, нм Дневное

зрение V (λ)

Ночное

зрение V (λ)

λ, нм Дневное

зрение V (λ)

Ночное

зрение V (λ)

380

390

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

560

570

580

0,000 0

0,000 1

0,000 4

0,001 2

0,004 0

0,011 6

0,023

0,038

0,060

0,091

0,139

0,208

0,323

0,503

0,710

0,862

0,954

0,995

0,952

0,870

0,000 589

0,002 209

0,009 29

0,034 84

0,096 6

0,199 8

0,328 1

0,455

0,567

0,676

0,793

0,904

0,982

0,997

0,935

0,811

0,650

0,481

0,328 8

0,207 6

0,121 2

590

600

610

620

630

640

650

660

670

680

690

700

710

720

730

740

750

760

770

780

0,757

0,631

0,503

0,381

0,265

0,175

0,107

0,061

0,032

0,017

0,008 2

0,004 1

0,002 1

0,001 05

0.000 52

0,000 25

0,000 12

0,000 06

0,000 03

0,000 015

0,065 5

0,033 15

0,015 93

0,007 37

0,003 335

0,001 497

0,000 677

0,000 312 9

0,000 148 0

0,000 071 5

0,000 035 33

0,000 017 80

0,000 009 14

0,000 004 78

0,000 002 546

0,000 001 379

0,000 000 760

0,000 000 425

0,000 000 241

0,000 000 139

Рис 3.3. График относительной спектральной световой эффективности: V(λ) – для

дневного, V′(λ) – для ночного зрения.

Теперь переход от мощности к световому потоку для монохроматического излучения с

длиной волны λ, в узком интервале длин волн dλ можно провести по формуле

dФ=K

V(λ)P

d λ , (3.11)

где Р

, – спектральная плотность мощности излучения;

P =

, (3.12)

а К

– максимальная спектральная световая эффективность, т. е. световой поток,

создаваемый одним ваттом излучения с длиной волны, для которой V(λ) = 1.

Значению V(λ)=1 соответствует λ = 555 нм. Экспериментально найдено, что

= 683 лм/Вт.

Для определения светового потока Ф сложного излучения нужно взять интеграл от

выражения (3.11):

λλ

dVPK

∫

=Φ )(. (3.13)

Теоретически следовало бы написать пределы интегрирования от λ = 0 до λ = ∞.

Интеграл всегда сходится, так как вне узкого предела между λ = 380 нм и λ = 760 нм

практически V(λ) равно нулю. Мы нигде не будем писать пределов интегрирования,

подразумевая, что интеграл берется в пределах видимой области спектра.

От светового потрка легко перейти к силе света, яркости, освещенности, т. е. связать и

другие световые единицы с энергетическими по формулам (3.1) – (3.8).

Установление связи между мощностью излучения Р и световым потоком Ф позволило

дать новое определение единице силы света канделе. В 1977 году Международный комитет

мер и весов принял, что 1 Вт излучения частоты 540·10

Гц (λ = 555 нм), обладающего

наиболыяей световой зффективностью, эквивалентен 683 лм светового потока. В 1979 г. на

16-й Генеральной конференции по мерам и весам принята такая формулировка: «Кандела

есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое

Относительная спектральная световая эффективность излучения

для фотометрического наблюдателя по данным МКО

0,2

0,4

0,6

0,8

350 400 450 500 550 600 650 700 750

Длина волны излучения, нм

дневное зрение

ночное зрение

излучение частоты 540·10

Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении

составляет 1/683 (Вт/ср)» (15).

Остается сказать, что V(λ), о которой мы до сих пор говорили, характеризует дневное,

фотопическое зрение, когда работают только колбочки. Чувствительность палочек иная. Она

характеризует ночное, скотопическое зрение, для которого максимум эффективности

приходится на V'(λ) = 507 нм. На рис. 3.3 кривая для скотопического зрения проведена

штрихами и обозначена V′(λ), а кривая для фотопического зрения V(λ) сплошная линия. При

некоторых средних яркостях работают и колбочки и палочки, чему соответствуют

промежуточные значения эффективности.

3.5. Физический смысл световых величин.

По стандарту ГОСТ 7601–78 световой поток Ф определяется так: «Величина,

пропорциональная потоку излучения, оцененному с учетом относительной спектральной

световой эффективности монохроматического излучения», т. е. с учетом V(λ).

Но V(λ) характеризует чувствительность глаза к излучениям, т. е. наше восприятие

света, наше ощущение. И поскольку в определении светового потока присутствует ссылка на

V(λ), возникает вопрос: что же такое световой поток – физический стимул или субъективное

ощущение? А если световой поток только ощущение, то и все производные от него

величины: сила света, освещенность, яркость – должны лишиться физической опоры и

отойти в область физиологии и психологии. Так ли это? Большая заслуга в области

поетроения самого фундамента фотометрии и смежных с нею наук – колориметрии,

светотехники – принадлежит советским ученым. Это С. О. Майзель, А. А. Гершун, М. М.

Гуревич, Н. Т. Федоров, Г. Н. Раутиан, Л. И. Демкина, Е. Н. Юстова, Н. Д. Нюберг, В. В.

Мешков и др.

Именно С. O. Майзель в 1929г. опубликовал статью (35), в которой убедительно

доказал физическую сущность световых величин. В сильно сокращенном и несколько

упрощенном виде рассуждения С. О. Майзеля сводятся к следующему. Энергию излучеиия

можно измерить по нагреванию поглощающего излучения тела. Если за время ∆t

температура тела Θ увеличилась на ∆Θ, зная теплоемкость тела, легко найти количество

поглощенной энергии ∆Q, а следовательно, и поток излучения Р, падавший на тело:

= . (3.14)

Но трудно достигнуть того, чтоб тело полностью поглощало падающую на него

энергию. Кроме того, часть полученной теплоты будет неизбежио уходить с излучением

самого нагревающегося тела. Таким образом, найденный по формуле (3.14) поток Р не будет

равен падающему потоку Р

Однако вряд ли есть основания сомневаться в том, что Р –

физическая величина.

Можно пойти дальше, например, измерять поток излучения не по тепловому, а по

фотоэлектрическому действию. На воздействие потока Р

фотоэлемент будет отвечать током,

сила которого i будет пропорциональна мощности Р

: так, если мы вдвое уменьшим

расстояние до источника излучения, сила тока I возрастет в четыре раза, см. формулу (3.7).

Однако, если мощность падающего на фотоэлемент излучения увеличить в четыре раза

не приближением излучателя к фотоэлементу, а каким-нибудь другим способом, например

повыщением температуры, сила тока фотоэлемента возрастет отнюдь не в четыре раза.

Дело в том, что реакция фотоэлемента селектявна: излучения разных длин волн

дейетвуют на него в различной степени. Повышение температуры изменяет не только

интегральную мощность излучения, но и его спектральный состав. А сила тока в

фотоэлементе зависит не только от мощности излучения, но и от его спектрального состава.

И все же показания фотоэлемента отражают определенные физические явления, т. е. эти

явления поддаются обычным физическим измерениям.

Здесь уже один шаг до глаза. Глаз – тоже селективный приемник, и поток излучения,

оцененный таким приемником, мы называем световым потоком. Но здесь возможно

последнее сомнение: спектральная чувствительность у разных людей различна, значит,

одному и тому же потоку излучения могут соответствовать разные световые потоки. На это

можно возразить, что поток излучения должен оцениваться не любым человеком, а с

помощью официально принятой функции V(λ).

Новое, международно принятое определение (39) подчеркивает это: «Световой поток –

величина, образующаяся от лучистого потока при оценке излучения по его действию на

селективный приемник, спектральная чувствительность которого определяется

нормализованной функцией относительной световой эффективности излучения».

Итак, световой поток – это материальный физический стимул, и единица его люмен –

такая же единица физической величины, как ватт, вольт, ньютон.

По формуле (3.13) поток излучения, выраженный в ваттах, совершенно однозначно

пересчитывается в световой поток с помощью официально принятых значений V(λ).

Вместе со световым потоком приобретают физический смысл и производные от него

величины: сила света, освещенность, яркость.

Глава 4. Трехмерность цвета

4.1. Шкала яркостей.

Представим себе такой опыт. Испытуемому дают два десятка карточек. Одна из них

черная, другая белая, остальные в разной степени серые: от почти черной до почти белой.

Поверхности этих карточек обладают различным коэффициентом диффузного отражения ρ:

черная – наименьшим, белая – наибольшим. От черной к белой ρ возрастает ступенями.

Важно подчеркнуть, что у всех карточек коэффициент ρ не селективен, т. е. излучения всех

длин волн видимого света отражаются практически одинаково. Относительный

спектральный состав света при отражении от такой карточки не изменяется. И если она

освещена белым светом, что и обеспечивается в описываемом эксперименте, отраженный

свет остается белым, только его интенсивность меняется. При равномерном освещении всего

стола яркость каждой карточки согласно формуле (3.8) оказывается пропорциональной ее

коэффициенту ρ. Для дальнейшего нам будет полезно знать, что такой ряд называется

набором ахроматических цветов. Испытуемому предлагают разложить карточки на столе в

какой-то разумной по его мнению последовательности. Почти каждый легко справится с

такой задачей: положит сначала черную, потом более светлую, потом еще более светлую и т.

д. до белой. Быть может, он начнет с белой и дойдет до черной, но логика будет та же.

Карточки лягут в один ряд в порядке возрастающей (или убывающей) яркости их.

Яркость – величина скалярная, что и обусловливает возможность и удобство

расположить карточки по возрастающей яркости в одну линию.

4.2. Цветные карточки.

Проведем теперь второй опыт. Испытуемому дают несколько десятков карточек, на

этот раз цветных. Физически это означает, что коэффициенты спектрального отражения ρ(λ)

у них сильно селектнвны н очень отличаются друг от друга у разных карточек, что и

обусловливает значительные отличия в их цвете. Испытуемому снова предлагают

расположить карточки в рациональном порядке. На этот раз испытуемый обязательно

задумается. Если он знает о зависимости цвета от длины волны или просто помнит, как

расположены семь цветов радуги, он положит сначала фиолетовую карточку, затем синюю,

голубую, зеленую, желтую, оранжевую и красную. Но что делать с множеством оставшихся

карточек? Всмотревшись, он обнаружит кроме основных семи цветов еще много оттенков.

Будут, найример зеленые, приближающиеся к желтому или голубому. Испытуемый

раздвинет уже положенные карточки и найдет место промежуточным тонам. Он получит

довольно длинный ряд карточек, отличающихся по цветовому тону.

И все же много карточек остается непристроенными. Вот, например, зеленая карточка с

таким же цветовым тоном, как одна из уже положенных. Но она бледнее, зеленый цвет у нее

менее насыщен, менее чист. Она не то что зеленая, а зеленоватая. Пожалуй, ее стоит

положить не справа или слева, а ниже основной зеденой. Еще более бледную можно

положить еще ниже. Выход найден! Карточки, отличающиеся по чистоте цвета, образуют

вертикальные ряды. Итак, карточки по горизонтальным направлениям отличаются по

цветовому тону, а по вертикальным – по чистоте цвета. Цвет занял некоторую плоскость.

Но и это еще не все. Остаются карточки, не отличающиеся от уже положенных ни по

цветовому тону, ни по чистоте и все же не такие, к-ак положенные; они темнее или светлее

их. Ведь есть цвет темно– и светло–зеленый и между очень темным и очень светлым еще ряд

ступеней. Хотелось бы поместить более светлые карточки выше уже лежащих на столе, а

более темные – ниже. Таким образом, цвета, отличающиеся по яркости, займут вертикальные

столбцы, перпендикулярные к плоскости стола. Для размещения всех градаций цвета мало

линии, мало и плоскости, необходимо еще и третье измерейие. Цвет занимает объем в

пространстве, цвет – трехмерен. И мы уже нашли один из способов численного выражения

цвета, три координаты, его определяющие: цветовой тон, или доминирующая длина волны λ;

чистота цвета ρ; яркость L.

Доминирующая длина волны – это длина волнй того чисто спектрального излучения, к

которой ближе всего измеряемый цвет. Любой цвет можно считать смесью чисто

спектрального цвета с белым. Чем меньше примесь белого, тем чище цвет. У чисто спект-

рального ρ = 1, у белого ρ = 0. У любого реального цвета ρ лежит в пределах от 0 до

единицы. Если ρ = 0, цвет называют ахроматическим, если ρ>0 – хроматическим (39).

4.3. Коэффициент диффузного отражения.

Поскольку L – яркость, она может неограниченно возрастать от 0 до очень больших

значений. Однако для несамосветящихся объектов вместо яркости обычно указывают

другую характеристику.

У несамосветящегося объекта самого по себе, собственно, нет определенного цвета. У

него есть только присущий ему спектральный коэффйциент диффузного отражения ρ(λ).

Цвет появится только после того, как объект будет освещен излучением того или иного

спектрального состава.

Спектральный состав излучения, как мы уже знаем, характеризуется спектральной

плотностью его мощности P

Интегральный коэффициент диффузного отражения ρ для

данного объекта и данного. излучения можно найти по формуле

(

)

(

)

()

∫

πλ

λλλρ

dVP

. (4.1)

Здесь в знаменателе стоит световой поток, падающий на тело а в числителе –

отраженный; ρ – это и есть та характеристика, которой для несамосветящегося тела обычно

заменяют яркость. Преимуществр коэффициента отражения перед яркостью заключается в

том, что он не может превышать единицу и ни одна из координат цвета (λ, p, ρ) теперь не

уходит в бесконечность.

Итак, цвет несамосветящегося объекта может быть характеризован тремя

координатами: доминирующей длиной волны λ, чистотой цвета ρ и интегральным

коэффициентом диффузного отражения ρ. Неопределенность, связанная с зависимостью

цвета от спектральной плотности мощности Р

освещающего света, может быть снята

указанием на одн из стандартных источников (о них см. главу 13), для которого дается ρ.

Вместе с тем замена координаты L координатой ρ позволяет снять зависимость цвета объекта

от.его освещенности Е. Однако при любом уровне освещенности, если она одинакова для

рассматриваемых объектов, яркости их будут пропорциональны р каждого из них.

Система координат λ, ρ и ρ очень наглядна, так как такие свойства объекта, как его

цветовой тон, чистота цвета и яркость (пропорциональная ρ) мы ощущаем непосредственно.

Однако ее большой недостаток состоит в том, что по осям координат отложены различные

физические величины, различной размерности. Производить расчеты в такой системе

координат чрезвычайно сложно. Скоро мы познакомимся с другими системами, но сначала

нужно получить более глубокие сведения о механизме восприятия цвета органом зрения.

Глава 5. Цветовое зрение

5.1. Зарождение трехкомпонентной теории цветового зрения.

Сколько-нибудь обоснованные представления о механизме цветового зрения могли

возникнуть не раньше, чем стало хоть что-либо известно о природе света. Поэтому

классические опыты Ньютона по разложению белого света на его составляющие и

получению снова составного излучения из его частей следует считать первыми шагами к

решению проблемы о восприятии цвета глазом. Столь же важны были и опыты Ньютона по

интерференции (кольца Ньютона), по существу, позволившие ему впервые измерить длину

световой волны и связать с длиной волны цвет излучения.

Этому великому открытию не помешало даже то, что Ньютон был противником теории

волновой природы света. Не исключено, что гениальный ученый чувствовал неполноту

волновой теории и интуитивно приближался к познанию двойственной природы света.

Рис. 5.1. Цветовой круг Ньютона.

Модель сложения цветов Ньютон изобразил в виде круга (рис. 5.1). Чтобы сложить два

цвета, нужно к местам их расположения на периферии привесить грузы, пропорциональные

интенсивностям каждого из цветов. Суммарный цвет будет лежать в той точке круга, к

которой будет приложена равнодействующая обеих сил. По тому же правилу можно

складывать и несколько цветов. Центр круга соответствует белому цвету. Чем ближе к

периферии, тем больше чистота получаемого цвета. Эта модель цвета, как мы увидим

дальше, не потеряла своего значения и сейчас.

М. В. Ломоносов (30) первым высказал мысль, что в глазе находятся три вещества,

возбуждаемые тремя разными участками видимого спектра: «Я приметил и через многие

годы многими прежде догадками, а после доказательными опытами с довольною

вероятностью утвердился, что три рода ефирных частиц имеют совмещение с тремя родами

действующих первоначальных частиц, чувствительные тела составляющих, а именно: первой

величины ефир с соляною, второй величины со ртутною, третьей величины с серною или

горючею первоначальной материею... Наконец нахожу, что от первого рода ефира

происходит цвет красной, от второго желтый, от третьего голубой. Протчие цветы

рождаются от смешения первых». Конечно, представление о природе светочувствительных

веществ сетчатки у Ломоносова слишком конкретизировано (в соответствии с химическими

понятиями восемнадцатого века), но утверждение, что их три и что им соответствуют три

цвета, смешение которых дает все остальные цвета, – это уже основа трехкомпонентной

теории зрения (30),