1. КОЛІР
1.1. поняття кольору
Колір - це життя, і світ без фарб представляється нам мертвим.
Колір - це дитя світла, і світло - його мати.
Світло, як перший крок у створенні світу, відкриває нам через колір його живу душу.
Йоганнес Іттен
Світ, в якому ми живемо, надзвичайно різноманітний і багатий, і представляється людині в двох головних формах - як речовина і світло. Основне сприйняття речових предметів відбувається при впливі світла на орган зору - око, який дозволяє людині за допомогою світла оцінити два найважливіших якості предметів: форму і колір.
Так що ж таке колір? За ті роки, що існує наука про колір давалися численні оцінки феномена кольору і колірного бачення, проте все з них можна звести до одного простого визначення: колір - це відчуття (психофізіологічна реакція), що виникає в головному мозку у відповідь на світло, що потрапляє в око людини. Світло, наприклад, білий сонячний, падаючи на пофарбовані предмети, змінюється (модифікується) і, впливаючи на око спостерігача, викликає відчуття того чи іншого кольору. Таким чином, людина має можливість бачити навколишні його предмети і сприймати їх кольоровими за рахунок світла - поняття фізичного світу, але сам колір вже не є поняттям фізики, оскільки це є суб'єктивне відчуття, яке народжується в нашій свідомості під дією світла. Отже, колір є результатом взаємодії світла, об'єкта і спостерігача.
У цьому розділі розповідається про причини відмінностей в сприйнятті кольору, про те, які чинники впливають на наше кольоровідчуття, і що відбувається в процесі зміни цих факторів. Пояснюється внесок кожного з них в походження такого комплексного і багатогранного явища як «колір».
Але перш, ніж ми зможемо перейти до розгляду факторів впливу на колір, ми повинні встановити операційне визначення видимого світла.
Випромінювання, світло і колір
Видиме світло - це енергія, яка перебуває в формі випромінювання. Це електромагнітне випромінювання має хвильову природу, тобто поширюється в просторі у вигляді періодичних коливань (хвиль), скоєних ним з певною амплітудою і частотою. Якщо уявити таку хвилю у вигляді кривої, то вийде синусоїда. Відстань між двома послідовними піками цієї синусоїди називається довжиною хвилі і вимірюється в нанометрів (нм). Разом з видимим світлом існують також інші форми енергонасиченого випромінювання: космічні промені, рентгенівське і теплове випромінювання, мікрохвилі, радіохвилі і т. Д. Помістивши довжини хвиль в графік поруч з відповідними типами випромінювань, ми отримаємо зображення електромагнітного спектра (Рис. 1).
Електромагнітний спектр показує всі довжини хвиль, що характеризують тип електромагнітного випромінювання, від коротких гамма-променів до довгих, таких як радіохвилі. Серед інших, в електромагнітному діапазоні присутня невелика частина, відповідна мабуть випромінювання. Таким чином, видиме світло - це одна з форм електромагнітного випромінювання, що займає невелику частину спектру електромагнітних випромінювань.
На малюнку 2 довжини хвиль позначені в нанометрах. Один нанометр - це одна мільярдна частина метра. Діапазон від 400 до 700 нанометрів охоплює всю гаму сприймаються людським оком квітів. Сукупність цих квітів в результаті формує сприйняття білого світла. Випромінювання до 380 і вище 760 нм ми не бачимо, але вони можуть сприйматися нами за допомогою інших механізмів дотику (як наприклад, інфрачервоне випромінювання) або реєструватися спеціальними приладами.
Спектр видимого випромінювання
Видимий спектр можна отримати, розклавши промінь білого сонячного світла в скляній призмі на кольорові монохроматические складові (Рис. 3). Заломлення світла в призмі (зміна напрямку поширення) тим більше, чим менше його довжина хвилі. Найбільш сильно відхиляються сині і фіолетові промені. Цей експеримент вперше правильно пояснив Ньютон, підкресливши, що промені світла різної довжини хвилі тільки інтерпретуються нами як кольорові. При невисокій яскравості ми впевнено виділяємо в видимому безперервному спектрі сонячного світла, наприклад у веселці дощу, сім кольорів (за умови, що кожен з них є фоном для інших): червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. Їх легко запам'ятати за першими літерами слів в мнемонічною фразі - Кожен Мисливець Бажає Знати, Де Сидить Фазан. Насправді помітних кольорів видимого спектру значно більше, і при достатній яскравості людина шляхом порівняння виділяє близько ста тридцяти спектральних квітів.
В діапазоні довжин хвиль від 700 до 660 нм ми сприймаємо відтінки червоного кольору, від 540 до 500 нм відтінки зеленого кольору, від 450 до 470 нм відтінки синього кольору і так далі. При цьому кількість відтінків кожного кольору розрізняється. Наприклад, в синьому діапазоні найбільшу кількість відтінків - близько 23, в червоному діапазоні найменшу кількість відтінків - близько 6 (Рис. 4). 
Більш точну відповідність довжини хвилі і сприймаються нами відтінками того чи іншого кольору представлено в даній таблиці:
Весь спектр можна розділити на дві частини: на теплі кольори - червоний, оранжевий, жовтий, жовто-зелений, які асоціюються у нас з кольором вогню, і холодні кольори - зелений, блакитний, синій, фіолетовий, які ми пов'язуємо з кольором льоду і води .
1.2. Фактори, що впливають на колір
Так як колір є результатом взаємодії трьох факторів - джерела світла, об'єкта і спостерігача - слід розповісти про них детальніше.
Перший фактор, що впливає на колір, - це джерело освітлення. Один і той же предмет, що розглядається при різному освітленні, виглядає по-різному. Наприклад, жовтий предмет в світлі лампи розжарювання буде виглядати
Причина відмінностей в тому, що два джерела світла мають різний спектр випромінювання: в спектрі денного світла пік випромінювання доводиться на синю область; в спектрі лампи розжарювання максимальне значення - в червоному і жовтому діапазонах спектру, а мінімальне - в синьому і фіолетовому.
Електромагнітне випромінювання, яке виробляється джерелом освітлення, також можна представити у вигляді кривої випромінювання. У такій діаграмі вісь Y буде позначати випромінюється енергію в значеннях від 0 до 100%. При розгляді джерел освітлення відсоток випромінювання (емісії) по даній довжині хвилі береться від загальної інтенсивності випромінюваного світла.
При порівнянні різних джерел освітлення дуже важливо звертати увагу на розподіл енергії по всьому випромінюється спектру, іншими словами, на форму спектральної кривої випромінювання (Рис. 6). Загальна кількість випромінюваної різними джерелами освітлення енергії може сильно відрізнятися. Розглянемо кілька прикладів, вивчивши спектри поширених джерел освітлення.
Безпосереднім джерелом денного світла є Сонце, випромінювання якого за межами атмосфери дуже близько до випромінювання абсолютного чорного тіла з температурою 6560 К. Проходячи через атмосферу, сонячне світло зазнає значних змін в спектральному складі через вибіркове поглинання і розсіювання. Світло, що освітлює земну поверхню, складається з прямого сонячного світла і світла, розсіяного небокраєм.
На малюнку 7 - крива випромінювання сонячного світла. Ми бачимо, що крива має виражений пік у синій частині спектра. Це вказує на те, що сонячне світло кілька синювата.
лампи розжарювання
У лампах розжарювання світиться тілом є розпечена нитка з вольфраму. За колірною температурою випромінювання вольфраму близько до випромінювання абсолютного чорного тіла. Колірна температура випромінювання цих ламп дорівнює 2850 К. До лампам розжарювання відносяться звичайні освітлювальні лампи, лампи-спалахи, призначені для фотографування, кінопроекційні і т.д. Короткий термін експлуатації цих ламп пояснюється тим, що розпечений вольфрам випаровується, відбувається розрив нитки, і лампа перегорає.
Порівняємо сонячне світло з випромінюванням лампи розжарювання (Рис. 8). Очевидно, що спектр випромінювання лампи розжарювання має пік в червоній зоні спектра. Це логічно, тому що лампа розжарювання випромінює світло, вироблений розпеченій спіраллю. Найбільша ж частина енергії випромінюється в інфрачервоному діапазоні, що сприймається нами як тепло.
Флуоресцентні лампи (світло)
Зайшовши в будь-яке виробниче приміщення, ми помічаємо, що наша шкіра і одяг набувають зеленуватий відтінок. Це результат флуоресцентного освітлення. Флуоресцентна лампа поглинає випромінювання певної довжини хвилі електромагнітного спектра і переводить його на іншу довжину хвилі вже у видимій частині спектру, де і відбувається випромінювання. Більшість флуоресцентних ламп наповнені газом, який іонізується завдяки подачі напруги електропотенціалу на її електроди. Велика частина енергії випромінюється в ультрафіолетовій частині спектру, але, як показано на малюнку 9, присутні також піки на деяких довжинах хвиль видимого спектру.
Ультрафіолетові хвилі, які випромінює газом, уловлюються флуоресцентним покриттям на колбі лампи і знову випромінюються вже в межах видимого спектру. Це добре видно на діаграмі випромінювання, коли кожному піку передує провал.
Тип використаного флуоресцентного покриття визначає форму кривої випромінювання. Холодні білі лампи випромінюють більше енергії в блакитній частині видимого спектру. Лампи теплих кольорів мають пік в його червоною області. При порівнянні ламп одного типу, але різних виробників, помітна різниця в товщині і хімічний склад флуоресцентного шару, що призводить до появи добре помітної різниці кривих випромінювання. Тому для роботи з кольором необхідно вказувати не тільки тип, а й виробника флуоресцентних ламп.
натрієві лампи
Широко поширені також натрієві газорозрядні лампи. Вони часто використовуються для освітлення вулиць, паркінгів, заводів та інших великих територій завдяки їх економічності. Об'єкти, освітлені такими лампами, набувають помаранчевий відтінок.
На малюнку 10 видно, що спектр натрієвої лампи має два різких піку в жовто-помаранчевої частини спектру видимого світла. Об'єкти виходять помаранчевими тому, що таке джерело освітлення випромінює енергію в червоно-жовтому діапазоні.
Оскільки різні джерела світла випромінюють унікальні поєднання довжин хвиль (спектр), то колір предметів залежить і від типу освітлювача. У зв'язку з цим колірні вимірювання слід проводити при певних умовах. Для цього в 1931 році були встановлені три стандартних джерела білого світла: А, В і С. Спектральний склад їх випромінювання точно відомий і характеризується через спектр випромінювання Абсолютно Чорного Тіла (АЧТ).
АЧТ - це тіло, що поглинає будь-яке випромінювання, яке впало на нього. Як АЧТ може служити теплоізольована порожнину (кульова, циліндрична або конічна) з матеріалу добре поглинає випромінювання. Ця порожнина має невеликий отвір для виходу випромінювання.
Випромінювальна здатність АЧТ по довжинах хвиль (його спектр випромінювання), як еталонного джерела точно визначається тільки його абсолютною температурою в градусах за шкалою Кельвіна (К) (Рис. 11).
Стандартне джерело світла типу А відтворює умови освітлення сонячним вечірнім світлом за допомогою вольфрамової лампи розжарювання. Джерело А має спектр випромінювання АЧТ, нагрітого до 2856 К. Ця температура називається колірною температурою джерела світла А.
Таким чином, колірна температура джерела світла - це температура АЧТ, при якій АЧТ випромінює світло того ж кольору, що і джерело світла. Джерело світла типу B з колірною температурою близько 4874 К відтворює пряме сонячне світло. Джерело світла типу C з колірною температурою близько 6774 К відтворює розсіяне сонячне світло.
Надалі були додані ще два типи стандартних джерел світла D і Е. Два таких джерела D50 і D65 відтворюють певні фази світла після сходу сонця і відповідають колірній температурі 5000 К і 6500 К відповідно. Джерело типу Е - це гіпотетичний джерело з рівномірним розподілом енергії по спектру.
Основне застосування джерел світла - створення правильної освітленості робочого місця для адекватної оцінки кольорів і відтінків фарб, незалежно від часу доби, погоди, наявності вікон і т.д.
«Лампи колориста» забезпечують більш продуктивну і швидку роботу при підборі кольору. Джерела D50 або D65 застосовуються в якості базових ламп для роботи з аналізу зразків.
Ультрафіолетова лампа необхідна для наближення спектрального складу ламп до природного денного світла, тому рекомендується використовувати її одночасно з базовим світлом. Крім того, ця лампа необхідна для порівняльного аналізу світлих зразків на вміст білих пігментів. Практичний ефект заснований на виникненні люмінесценції (світіння) білих барвників під впливом ультрафіолетового випромінювання.
Для використання в лампах обрані п'ять джерел для максимально точного відтворення денного спектру:
Тип А-30: одна година до (або після) сходу (заходу) сонця (прим. 6 або 2 021 ч.). Джерело: вольфрамова галогенна лампа 2950 До або люмінесцентна лампа Extra High Color2800 К.
Тип CW40: ранковий або вечірній світло (прим. 8-9 або 18-19 год.). Джерело: вольфрамова галогенна лампа зі спеціальним фільтровим склом 4200 К або люмінесцентна лампа Extra High Color 4000 К Cool White Fluorescent.
Тип Daylight D50: пряме сонячне полуденне світло - стандарт «Noon Sky Daylight» (12-14ч.). Джерело: вольфрамова галогенна лампа зі спеціальним фільтровим склом 5300 К або люмінесцентна лампа Extra High Color 5400 К.
Тип Daylight D65: полуденну денне світло в тіні - стандарт «Average North Sky» (ASTM). Джерела: люмінесцентні лампи Extra High Color 6500 К, відповідні тіпуD65 або типу С, або галогенні лампи зі спеціальним склом.
Ультрафіолетова лампа ближнього діапазону UV-A - тип BLB.
Об'єкт є другим фактором, що впливає на сприйняття кольорів. Світло, потрапляючи на поверхню предмета, відбивається, пропускається і поглинається. Відбите світло «відскакує» від об'єкта; пропускається світло змінюється, заломлюється під час свого проходження через товщину поверхні, а поглинений світло більш не виходить за межі поверхні об'єкта (Рис. 13).
Здатність тіла відображати і поглинати світло характеризується коефіцієнтом відображення. Колір поверхні залежить від того, промені якої довжини від неї відображаються. Ставлення світлового потоку, відбитого поверхнею, до світлового потоку, що падає на нього, носить назву спектрального коефіцієнта відбиття (виражається у відсотках) і є кількісним виразом кольору.
Якщо по осі абсцис відкласти довжини хвиль, а по осі ординат - коефіцієнти відображення, то отримаємо криві, які називаються кривими спектрального відображення і характеризують здатність тіла відображати і поглинати світло різних довжин хвиль, тобто його колір.
На малюнку 14 наведено криві спектрального відбиття поверхонь, пофарбованих у білий (1), чорний (2), жовтий (3), зелений (4), червоний (5) і синій (6) кольору. Видно, що зелена поверхня добре відбиває зелені промені (довжина хвилі яких лежить в межах 510-550 нм), гірше - блакитні (480-510 нм) і жовті (575585 нм), і майже не відображає інші. Синя поверхня добре відбиває сині і фіолетові промені, дещо гірше - блакитні і червоні і зовсім не відображає інші. Для червоних поверхонь максимум відображення доводиться на червону і фіолетову області, а для жовтих - на жовту і помаранчеву. Інакше кажучи, кольорові поверхні мають виборчої здатністю, що відображає.
Віддзеркалення світла білою поверхнею, як видно з малюнка, являє собою пряму. Білі поверхні в рівній мірі відображають хвилі всіх довжин, тобто мають невибіркову відображає. Всі поверхні, що не змінюють спектральний склад падаючого на них світла і мають коефіцієнт відображення більше 60%, називаються білими.
Чорна поверхня поглинає всі падаючі на неї промені. Так само як біла, чорна поверхня має невибіркову поглинанням і на графіку спектрального відображення може бути представлена у вигляді прямої, паралельної осі абсцис. Поверхня тим чорніше, ніж ближче ця пряма буде розташована до осі абсцис. До чорних відносяться всі поверхні, що мають коефіцієнт відображення менше 10%.
Колір поверхні предмета визначається спектральним складом відбитого від нього світлового потоку, що реєструється будь-яким приладом. Прилад, застосовуваний для виміру коефіцієнта спектрального відбиття, називається спектрофотометр. Найбільш чутливим з усіх відомих в даний час оптичних «приладів», здатних розрізняти безліч квітів, є людське око. В даному розділі мова піде про оглядачі - людині.
людське око
Інструментом зорового сприйняття людини є очей (Рис. 15). Нервові закінчення людського ока, розташовані в сітківці, вловлюють відбитий об'єктом світло. Сітківка має два типи сенсорів: палички і колбочки.
Палички и колбочки розрізняються между собою вмістом в них світлочутлівіх Речовини. Речовини палічок - родопсин (зоровий пурпур). Максімальноесветопоглощеніе родопсина відповідає довжіні Хвилі примерно 500 нм (зелене світло). Значить, палички мають максимальну чутливість до випромінювання з довжиною хвилі 500 нм (Рис. 16).
Припускають, що світлочутливі речовина колб (йодопсин) складається з суміші трьох речовин, кожне з яких має своє максимальне поглинання, а, отже, і максимальну світлочутливість в коротко-, середньо- і довгохвильової зонах спектра. Найдовша частина спектра стимулює червоно-чутливі колбочки (всі відтінки від пурпурного до жовтогарячого), середня - зе-леночувствітельние (від смарагдового до жовтого), коротка - синьочутливими (від блакитного до ультрамаринового). Коли всі три види клітин отримують роздратування однакової сили, людина бачить білий колір. При хорошому освітленні очі можуть чітко розрізнити до 10 млн. Відтінків, які виходять при змішуванні трьох основних кольорів.
Під дією світла молекули світлочутливих речовин діссоцііруют1 на позитивно і негативно заряджені іони. Це створює в нервовому волокні імпульс, який поширюється у напрямку до мозку зі швидкістю до 100 м / с. Він передається в кору головного мозку і викликає сприйняття кольору. Реакції світлового розпаду родопсину і йодопсіна оборотні, тобто через деякий час після того, як під дією світла вони були розкладені на іони, відбувається їх відновлення у своїй первісній чутливої до світла формі. Таким чином, в оці встановлюється безперервний цикл руйнування і подальшого відновлення світлочутливих речовин. Це забезпечує нормальну роботу очі протягом тривалого часу.
Залежність кольору від інтенсивності світла
Одним з найбільш примітних властивостей зору є здатність очі адаптуватися до темряви. Коли з яскраво освітленій кімнати ми входимо в темну, то деякий час нічого не бачимо, але потім починаємо розрізняти предмети, які в перші миті не бачили. Це в роботу включаються палички. При дуже слабкому освітленні предмети здаються позбавленими забарвлення, наприклад, сильно пофарбована папір здається безбарвною, червоний лист - чорним, а блакитний і фіолетовий - сірими. У слабо освітленому приміщенні людина стає цветослепим. Через те, що зір в умовах темнової адаптації здійснюється за допомогою паличок, а в умовах яскравого світла - за допомогою колб, виникають цікаві наслідки: знебарвлення предметів в слабкому світлі, а також відмінність у відносності яскравості двох предметів, забарвлених в різні кольори.
Пояснити ці слідства можна за допомогою кривих спектральної чутливості паличок і колбочок. Максимальна чутливість паличок (пунктирна крива) лежить в області зеленого спектра, а колб (суцільна крива) - в області жовтої (Рис. 17).
Палички реагують на синій ділянку спектра краще, ніж колбочки. Але в той же час колбочки краще сприймають червоний діапазон спектра. Тому червоний предмет, добре видимий при яскравому світлі, непомітний в темряві. З кривих спектральної чутливості паличок і колбочок слід, що при хорошому освітленні червоний предмет набагато яскравіше синього, а в напівтемряві синій здається яскравіше червоного. Це явище називається ефектом Пуркіньє. Наприклад, вдень червоні квіти на клумбі здаються яскравіше темно-зеленого листя. В сутінки і пізно ввечері цей контраст абсолютно протилежний: квіти здаються тепер трохи темніше листя.
Якщо червоний і блакитний кольори днем представляються однаково яскравими, то в сутінках можна виявити, що блакитний колір стає яскравішим до такої міри, що здається, ніби фарба світиться.
Так що ж таке колір?