книги из ГПНТБ / Ершов, А. П. Цвет и его применение в текстильной промышленности

Источник /1 соответствует освещению лампами накаливания, испускающими спектр, тождественный спектру абсолютно чер­ ного тела, нагретого до 2854 К (ТОСТ 7721-6!). Таким источ­ ником может являться электрическая лампа накаливания с вольфрамовой питью, нагретой до соответствующей темпера­ туры. Источник В соответствует «желтой фазе» дневного света, излучение которого тождественно излучению абсолютно черного тела, нагретого до 4800 К. Такой источник получают при помо­ щи источника А и голубого светофильтра, характеристика кото­ рого указана в ГОСТ 7721-61. Источник С имитирует рас­ сеянное излучение от северной части небосвода. Излучение его тождественно излучению абсолютно черного тела, нагретого до 6500 К- Источник воспроизводится при помощи источника А, перекрытого голубым светофильтром, описанным в ГОСТ 7721-61. Для расчетов характеристик цвета применяется также источник Е, соответствующий равноэнергетическому спектру.

На текстильных фабриках для визуального контроля цвета изделий используются лампы «дневного света». Это ртутные лампы, снабженные люминофором, светящимся под действием ультрафиолетового излучения паров ртути (185 и 254 нм). Лучше всего имитируют излучение солнца ксеноновые лампы сверхвысокого давления.

§ 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕЛ

Свойства тел (свет) воздействовать на поток излучений, вызывая его количественное, а часто и качественное изменение, носят название оптических свойств тел. Эти свойства характе­ ризуются величинами коэффициентов отражения (р), пропуска­ ния (т) и поглощения (а) потока излучения:

где Ро — падающий поток излучения; Р9 — отраженный поток излучения; Рх — пропущенный поток излучения; Р а — погло­ щенный поток излучения.

При избирательном поглощении рассматриваемые коэффи­ циенты являются функциями для волн и носят название спек­

необходимо знать значения абсолютной (Ро) или относитель­ ной (I) спектральной плотности потока излучения.

Поток излучения измеряется количеством энергии, приходя­ щейся на единицу времени:

р____

оо

Поток падающего сложного излучения Ро= j’ Р0(а)йД, а отра-

О

10

жениого Ре Po{X)pCk)df.. Подставив в уравнения (1) вмес-

' О

го абсолютного значения потока излучения Р относительную величину !, получим:

Показатель ослабления k включает в себя показатель погло­ щения (а) и показатель рассеивания р, поэтому равенство (2) можно переписать в следующем виде:

Р (\) = /эое-(*+Ю2.

Рассеивание происходит при неоднородности среды, через которую проходит излучение. В твердых телах неоднородность вызывается вкраплениями инородных тел или изменением плот­ ности тела в разных его участках. Например, текстильные волокна имеют разную плотность по толщине отдельных воло­ конец, что приводит к сильному рассеиванию ими излучений.

В жидкостях рассеивание вызывается взвешенными части­ цами, например коллоидными частицами красителей красиль­ ной ванны. Если величина частиц в растворе значительно мень­ ше длины волны излучения монохроматического осветителя, то рассеивания не наблюдается. При соизмеримости этих величин происходит рассеивание излучения и тем в большей степени, чем больше размер частиц приближается к длине волны. Рэлей показал, что в этом случае показатель рассеивания р обратно пропорционален четвертой степени длины волны и увеличи­ вается пропорционально квадрату объема частицы. Поэтому

И

длинноволновая часть спектра рассеивает свет значительно меньше, чем коротковолновая.

В газах рассеивание излучения происходит в результате флуктуации объема, происходящего от броуновского движения частиц. Это движение вызывает временные «сгущения» и «раз­ режения» в отдельных участках газа. Например, в атмосфере Земли флуктуация приводит к сильному рассеиванию коротко­ волнового излучения солнца, чем объясняется голубой цвет неба.

При прохождении излучений через оптические среды наблю­ дается поляризация, которую иногда также приходится учиты­ вать, выясняя причины цвета тела. Поляризация наблюдается как при зеркальном отражении, так и при прохождении излу­ чения через такие прозрачные среды, как текстильные волокна. Величина поляризации вдоль и поперек волокна различна и приводит к появлению дихроизма.

Из изложенного следует, что оптические свойства тел необ­ ходимо учитывать как при рассмотрении вопросов о цвете тел, так и при расчете количества излучений, попадающих на сет­ чатку глаза. Последняя величина определяет степень возбуж­ дения приемников КЗС сетчатки глаза, а следовательно, и цвет тел. При расчете этих величин следует учесть, что от точечного источника излучения рассеиваются во все стороны, но для рас­ четов нужно знать только ту часть излучения, которая направ­ лена в сторону наблюдателя. Распределение плотности потока излучения в пространстве носит название интенсивности излу­ чения (/х ):

сIP

Л = dm ’

где dm— элементарный телесный угол, выраженный в стеради­ анах.

Г Л А В А II

ПСИХОФИЗИЧЕСКИЙ ЭТАП ЗРИТЕЛЬНОГО

в о с п р и я т и я

Психофизический этап зрительного восприятия характери­ зуется преобразованием энергии излучения в энергию возбуж­ дения нервных клеток. Результат этих преобразований зависит не только от характера излучений, но и от физиологических процессов, протекающих в сетчатке глаза. Последние связаны с состоянием организма и зависят от возраста человека и ряда других факторов. Кроме того, между энергией излучения и воз­ буждением элемента сетчатки глаза нет прямой связи. Так, уве­ личение энергии фотона в области коротковолновой части спек-

12

гра приводит к уменьшению возбуждения вплоть до его исчез­ новения, одинаковые возбуждения приемников КЗС от разных объектов наблюдения укажут на тождество цветов. Чтобы пред­ ставить себе основы измерения цвета, необходимо изучить стро­ ение и работу сетчатки глаза, а также основы трехкомпонент­ ной теории цветового зрения. Для проведения расчетов необхо­ димо иметь представление о световых свойствах тел и о связи между избирательным поглощением и цветом. В заключение главы рассмотрены основные характеристики цвета, т. е. те величины, которые необходимо иметь для воспроизведения цвета.

§ 1. СТРОЕНИЕ И РАБОТА СЕТЧАТКИ ГЛАЗА

Сетчатка глаза располагается между стекловидным телом и сосудистой оболочкой глаза и представляет собой слой ней­ ронов толщиной в 0,2 мм, соединенный с головным мозгом зри­ тельным нервом. По образному выражению Рамона и Кахаля, это часть мозга, вынесенная на периферию. В сетчатке разли­ чают три слоя (рис. 3): пигментного эпителия, светочувствитель­ ный и мозговой.

Слой пигментного эпителия предназначен для регулирова­ ния количества излучения, попадающего на светочувствитель­

волоконце, заканчивающееся в больших полушариях головного мозга. Соединения колбочек и палочек с ганглиозными клетками весьма сложны, но для простоты их можно представить как связь каждой колбочки или нескольких палочек с одной гангли­ озной клеткой.

Колбочек в сетчатке глаза 6—7 млн. Они распределены неравномерно по сетчатке глаза: максимальное количество их находится в районе центральной ямки, где хрусталиком

13

фокусируется изображение, и число их резко убывает к перифе­ рии. Колбочкам мы обязаны цветным зрением. Чувствительность их к излучениям видимого спектра невелика, и в сумерках они не функционируют. Палочек в сетчатке глаза значительно боль­ ше: 100—130 млн. Максимальное количество их находится на периферии сетчатки, и число их резко падает к области цент­ ральной ямы. Палочки служат для сумеречного зрения, и чувст­ вительность их значительно выше, чем чувствительность колбо­ чек. При дневном освещении они «ослеплены» и не функциони­ руют.

Светочувствительность палочек и колбочек объясняется фотохимическими процессами, протекающими в них под дейст­ вием излучений. Эти процессы сравнивают с процессами, про­ текающими в фотографической эмульсии, но с той разницей, что в палочках и колбочках фотохимические процессы обратимы.

Доказано, что механизм образования нервных импульсов в волоконцах зрительного нерва тесно связан с распадом пиг­ ментов палочек и колбочек. Характер этой связи до сих пор не установлен. В соответствии с устаревшей, но наглядной теори­ ей П. П. Лазарева пигменты колбочек (несколько различно окрашенных тел) и палочек (родопсин) под действием излуче­ ний подвергаются фотодиссоциации. Отрицательный ион про­ дуктов диссоциации отдает свой заряд биполяру, и электриче­ ский импульс через ганглиозные клетки направляется в голов­ ной мозг. По Дж. Уолду, обратимые фотохимические процессы

в колбочках характеризуются соста­ вом смеси пигментов и продуктов их распада. Этот состав отображает вид падающего на пигмент излучения, по­ скольку разные пигменты реагируют с монохроматическим излучением с разной скоростью. Нервные импульсы образуются в волоконцах зрительного нерва только в момент «считывания» изображения сетчатки глаза центром зрения. При этом возникают электри­ ческие импульсы, информирующие мозг о спектральном составе излуче­ ния. В настоящее время убедительно доказано, что в волоконца зрительно­ го нерва протекают электрические

импульсы, имеющие одинаковую амплитуду, но разную часто­ ту, зависящую от состава излучения.

Для проведения цветовых расчетов по данным энергии моно­ хроматических излучений необходимо иметь зависимость чувст­ вительности глаза от монохроматических излучений равноэнер­ гетического спектра (источника А). Колбочки обладают макси­ мальной чувствительностью к излучению л = 556 нм, а палочки — к X= 510 нм. Приняв за единицу чувствительность к указанным

14

длинам, волн, можно получить кривые относительной чувстви­ тельности колбочек и палочек к монохроматическим излучениям видимого спектра. Средние величины чувствительности, приня­ тые ГОСТом, представлены на рис. 4 в виде так называемых кри­ вых видности. На оси абсцисс отложены длины волн, а па оси ординат— относительная чувствительность k\, носящая название коэффициента видности. При дневном зрении глаз обнаруживает излучения в диапазоне 390—670 нм, а в сумерки — 380—630 нм, т. е. кривая видности для сумеречного зрения сдвинута в сторо­ ну коротких волн спектра.

§ 2. ТРЕХКОМПОНЕНТНАЯ ТЕОРИЯ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ

Представления о трехкомпонентности цветового зрения впер­ вые были высказаны М. В. Ломоносовым, а затем развиты Тома­ сом Юнгом и Гельмгольцем в том виде, как это было описано во введении. В соответствии с этой теорией процесс цветового зрения рассматривается как воздействие излучения на три при­ емника сетчатки глаза. На рис. 5 представлены величины воз­ буждений каждого из приемников в отдельности монохроматиче-

ний.

сними излучениями видимого спектра. Как видно из рисунка, чувствительности приемников КЗС к монохроматическим излу­ чениям сильно отличаются друг от друга по величине.

Трехкомпонентная теория цветового зрения возникла на основании косвенных данных, полученных при изучении резуль­ татов смешения нескольких излучений, имеющих разные цвета. Так, Райт брал для работы три монохроматических излучения: 460, 530 и 650 нм. Изменяя яркости этих излучений, он опреде­ лял, в каких количествах их необходимо смешать, чтобы полу­ чить цвет, тождественный цвету монохроматического излучения равноэнергетического спектра. Полученные им для большого числа наблюдателей результаты мало отличались друг от друга. Средние значения их представлены на рис. 6 в виде так назы­ ваемых кривых сложения. Аналогичные данные получены

15

Гильдом, повторившим работы Райта, но с тремя смешанными излучениями.

Большую помощь при доказательстве трехкомпонентной тео­ рии цветового зрения оказали лица, обладающие аномалиями цветового зрения. Работа Кёнига и Детеричи с такими людьми показала, что у них отсутствует один из приемников КЗС либо два из них дают величины возбуждений. В результате такой аномалии наблюдаются красно-, зеленоили синеслепые. Рабо­ ты Кёнига и Детеричи полностью подтвердили применимость рассматриваемой теории для объяснения указанных выше ано­ малий. Более того, эти работы позволили рассчитать данные для построения кривых основных возбуждений (см. рис. 6).

В 1957 г. трехкомпонентная теория зрения была подтвержде­ на опытами Гранита над животными. Он оперативным путем обнажал сетчатку глаза и двумя тонкими электродами касался разных ее участков. При освещении сетчатки монохроматиче­ ским излучением на электродах возникали импульсы тока. Вели­ чина и характер этих импульсов зависели от длины волны и яр­ кости осветителя. Обработав результаты опытов, Гранит полу­ чил ряд кривых. Одна из них охватывает весь видимый спектр и имеет максимум при 550—560 нм (рис. 7, а). Эта кривая, на-

о яркости и подобна кривой видности. Три остальные кривые — модуляторы (см. рис. 7, б) накладываются друг на друга, пере­ крывая весь спектр. Максимумы кривых лежат при 400, 530 и 600 нм. Сумма ординат модуляторов для любой длины волны равна ординате доминатора для той же длины волны. Таким образом, модуляторы соответствуют кривым сложения. Изло­ женный метод исследования широко используется в настоящее время для выяснения отдельных деталей механизма цветового зрения.

Трехкомпонентная теория цветового зрения отвечает на боль­ шинство вопросов, связанных с цветом, но нуждается в длитель­ ной и кропотливой работе по уточнению основных ее положений. Многочисленные попытки опровергнуть эту теорию не поколеба­ ли ее основ, а только способствовали ее укреплению. В настоя­ щее время эта теория общепризнанна и лежит в основе совре­ менных представлений о цвете.

16

где фх— спектральное распределение энергии излучения; к{к) — коэффициент видности.

При зеркальном отражении световой поток изменяет свое направление, но остается в плоскости падения и не рассеивается. В общем случае отраженный световой поток рассеивается во всех направлениях, поэтому коэффициент отражения не дает представления об объективной яркости тел. Несамосветящиеся тела характеризуются коэффициентом яркости г. Чтобы полу­ чить представление об этой величине, введем понятие абсолютно белой поверхности. Это идеально матовая поверхность (одина­ ково яркая во всех направлениях), имеющая коэффициент отра­ жения, равный единице. Коэффициентом яркости называется отношение яркости несамосветящейся поверхности к яркости абсолютно белой поверхности, поставленной в аналогичные усло­ вия освещения и наблюдения:

В

Коэффициент яркости позволяет определить освещенность сет­ чатки глаза:

направленного потока пропускания Фг . Проходя через тело, све­ товой поток рассеивается на своем пути вверх, вниз и в сторо­ ны. Все рассмотренные световые потоки в теле могут также подвергаться избирательному поглощению и рассеиванию, осложняя описанную выше схему процесса.

18

Если тело рассматривать со стороны падения на него свето­ вого потока, в глаз наблюдателя попадает сумма зеркально и диффузно отраженных потоков излучения. Если рассматри­ вать его со стороны выхода светового потока из тела, то воспри­ нимаются световые потоки направленного пропускания и диф­ фузно отраженный вниз.

§ 4. ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ И ЦВЕТ

Световые характеристики ахроматических тел не зависят от длины волны падающего на них излучения. Поэтому цветность таких тел тождественна цветности излучения осветителя и отли­ чается от него только величиной яркости. Световой поток, на­ правленный после отражения в сторону наблюдателя, будет состоять из зеркально отраженной части (Ф3) и диффузно рас­ сеянной вверх (Ф„). Первая характеризуется коэффициентом

где Ф0 — падающий на тело световой поток.

Световые характеристики хроматических тел зависят от дли­ ны волны падающего на них излучения, поэтому цветность отра­ женного от тела излучения будет зависеть от величин избира­ тельного поглощения и зеркального отражения. Световой поток в сторону наблюдателя

©О

0

На рис. 9 показано, как проходит световой поток в равномер­ но окрашенном шелковом волокне при освещении его источни­ ком С. Часть светового потока зеркально отражается от поверх­ ности волокна (Ф3) и, не изменяя цветности, попадает в глаз на­ блюдателя. Оставшаяся часть излучения преломляется на грани­ це раздела фаз и проникает в глубь волокна. В толще волокна излучение частично рассеивается, причем этот процесс будет проходить избирательно, и цвет диффузно отраженного излуче­ ния будет уже отличаться от цвета излучения источника С. Чем больше зеркальное отражение, тем меньше чистота цвета,* и чем больше диффузное отражение, тем чистота цвета будет больше. Так, например, у материала типа атлас величина зеркального отражения большая, зато чистота цвета значительно меньше,

* См. следующий параграф.

19