Колориметрия

КОЛОРИМЕТРИЯ (цветовые измерения), методы измерения цвета и цветовых различий. Существуют визуальные и фотоэлектрические методы колориметрии. В визуальной колориметрии эквивалентность цветов устанавливается глазом человека, видящего цвет нормально; в фотоэлектрической колориметрии используются колориметры с фотоэлектрическими приёмниками. В колориметрии созданы стандартизованные шкалы измерения цвета - колориметрические системы.

Обычно цвет приписывается материальным объектам; например, говорят «лампа синего света», «красное платье», «бежевая краска», «рыжий кот» и т. п. Однако в действительности излучающие, отражающие и пропускающие свет (электромагнитное излучение) объекты имеют только спектральные характеристики излучения, отражения и пропускания, а цветовое ощущение возникает у человека при восприятии оптических изображений объектов на сетчатке глаза.

Цвета различаются, прежде всего, качественно (бессмысленно, например, утверждать, что красный цвет больше или меньше синего). Поэтому шкалы измерений цвета являются шкалами наименований, упорядоченными по признаку близости (сходства) цветов. Множество всевозможных цветов гораздо больше подмножеств спектральных цветов (соответствующих монохроматическому свету с различными длинами волн и наблюдаемых в радуге) и ахроматических цветов (серых, включая белый и чёрный).

Воспринимаемый цвет наблюдаемых объектов зависит от многих факторов: от спектрального распределения излучения источника света; от яркости источника или освещённости объекта; от формы, размеров объекта, расстояния до него и от зависимости его коэффициента отражения (пропускания) от длины волны; от цвета, яркости и размеров фона наблюдения (смотри Цветовой контраст), а также от предшествующей зрительной адаптации (смотри Цветовая адаптация), психологического состояния наблюдателя и его устойчивых представлений об определённом цвете объектов. Обычно при описании воспринимаемого цвета используют три субъективные взаимосвязанные характеристики: цветовой тон (оттенок цвета), насыщенность (уровень проявления цветового тона) и светлота (уровень яркости).

Любой цвет можно представить как смесь определённых количеств трёх линейно независимых цветов (каждый из которых не может быть получен смешением двух других цветов). Таких систем линейно независимых цветов существует много, но для построения колориметрических шкал используются лишь некоторые, стандартизованные на государственном или международном уровне. Три таких стандартных цвета, определяющих цветовую координатную систему, называются основными цветами. В этой системе каждому цвету соответствуют три числа (координаты), являющиеся количествами основных цветов в смеси, эквивалентной по цвету исследуемому. Цветовая координатная система, состоящая из трёх координат, определяет абстрактное цветовое пространство, в котором каждому цвету соответствует вектор, идущий из начала координат в точку с определёнными координатами. При смешении цветов соответствующие им векторы складываются. Цветовые координатные системы стандартизуются для среднего колориметрического наблюдателя в определённых неизменных условиях. Индивидуальные особенности цветочувствительности и изменения цветовосприятия при изменении условий наблюдения этими системами не учитываются.

За единичные основные цвета принимают такие их количества, которые в смеси дают некоторый заданный (опорный, чаще всего белый) цвет. Линии, соединяющие точки единичных основных цветов, образуют цветовой треугольник, а точки, лежащие в плоскости этого треугольника, определяют качественную характеристику цвета, называемую цветностью. Положение точки цветности в треугольнике определяется любыми двумя (из трёх) координатами цветности, т.к. каждая из них равна частному от деления одной из цветовых координат на сумму всех трёх цветовых координат. Таким образом, сумма трёх координат цветности всегда равна единице.

Координаты цветов монохроматических излучений одинаковой мощности в любой цветовой координатной системе называются ординатами кривых сложения (удельными координатами), а совокупность этих координат определяет три функции сложения цветов. Функции сложения взаимосвязаны с функциями спектральной чувствительности рецепторов сетчатки глаза человека.

Цвет несамосветящихся объектов зависит от условий освещения. Так, например, одни и те же объекты при освещении лампой накаливания могут быть одинакового цвета, а при дневном свете - разного. Поэтому для однозначного толкования результатов цветовых измерений пользуются источниками, стандартизованными по спектральному распределению излучения. Международная комиссия по освещению (МКО) рекомендует следующие стандартные излучения: А, В, С и D₆₅. Источник света А по спектральному распределению излучения соответствует излучению чёрного тела при термодинамической температуре 2856 К. Источник света В имитирует прямое солнечное излучение с коррелированной цветовой температурой около 4870 К, источник света С - дневной свет с коррелированной цветовой температурой около 6770 К, источник света D₆₅ - среднюю фазу дневного света с коррелированной цветовой температурой 6500 К. В качестве источника А используется газонаполненная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, источники В и С - такие же как А, но со специальными светофильтрами.

МКО стандартизовала несколько колориметрических систем. Первой стандартной колориметрической системой, принятой МКО в 1931 году, была система RGB, в которой за основные цвета взяты красный (red, R), зелёный (green, G) и синий (blue, В). В том же году МКО была принята ещё одна колориметрическая система - система XYZ, полученная искусственным путём пересчёта из цветовых координат RGB таким образом, чтобы в системе XYZ отсутствовали отрицательные координаты. Эта система является основной колориметрической системой, используемой и ныне.

В системе XYZ для полей зрения от 1° до 4° координаты цвета Х, Y, Z определяются для источников света формулами:

для несамосветящихся объектов - формулами:

Здесь Φ_е,λ(λ) - спектральная плотность потока излучения, ρ(λ) - спектральный коэффициент отражения [пропускания m(λ) для просвечивающих объектов], λ - длина волны, х̅(λ), у̅ (λ), z̅(λ) - стандартизованные функции сложения цветов (удельные координаты) (рис. 1). В этой системе функция сложения у̅ (λ) совпадает с функцией относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения, а координата Y соответствует яркости цвета. Координаты цветности определяются по формулам:

Координаты цветности не имеют какого-либо количественного смысла, они только указывают положение точки на модельном цветовом графике (рис. 2).

Координаты цвета и цветности измеряются с помощью колориметров, спектрофотометров и спектрорадиометров. Для обеспечения единства измерений в колориметрии существуют национальные эталоны координат цвета и координат цветности, построенные на основе спектроколориметров и наборов эталонных прозрачных мер цвета.

Существует также дополнительная стандартная колориметрическая система МКО 1964 для полей зрения с угловыми размерами более 4°, в которой координаты цвета обозначаются Х₁₀, Y₁₀, Z₁₀, стандартизованные функции сложения цветов, полученные для поля зрения 10°, - х₁₀(λ), у₁₀(Х), z₁₀(λ), координаты цветности - х₁₀, у₁₀, z₁₀. Эта система рекомендуется в случаях более точной корреляции с визуальным уравниванием по цвету полей с большими угловыми размерами.

Иногда используется более наглядная (для восприятия) колориметрическая система λ_d, р_с, L, основанная на представлении цвета как смеси монохроматического излучения со стандартным ахроматическим. Здесь λ_d - доминирующая длина волны - длина волны монохроматического излучения (с координатами цветности x_d, y_d), смешивание которого в определённых пропорциях со стандартным ахроматическим излучением (с координатами цветности х_а, у_а) даёт рассматриваемый цвет (с координатами цветности х, у);

- колориметрическая чистота цвета, характеризующая долю монохроматического излучения в смеси с ахроматическим; L - яркость смеси.

Для оценки различий между цветами используется равноконтрастная трёхмерная цветовая шкала. Строго равноконтрастную цветовую шкалу создать невозможно, однако МКО рекомендовала приближённо равноконтрастные системы. Равноконтрастный цветовой график (u, v) МКО 1960 образован в прямоугольной системе координат u, v, где

На основе этого графика образовано равноконтрастное цветовое пространство МКО 1964 в прямоугольной системе координат U*, V*, W*, определяемых соотношениями:

Здесь 1 ≤ Y ≤ 100, u₀ и v₀ - значения для ахроматического цвета. В этой системе воспринимаемая разница ΔЕ между цветами U₁*, V₁*, W₁* и U₂*, V₂*, W₂* определяется соотношением

Колориметрические характеристики непрозрачных образцов МКО рекомендует приводить при строго определённых условиях освещения и наблюдения.

Другой равноконтрастной системой, полученной специальным пересчётом из системы XYZ, является система L*а*b* (принята МКО в 1976). В этой системе L* - светлота, а* - величина красной - зелёной составляющей, b* - величина жёлтой - синей составляющей. Система L*а*b* широко используется в математических расчётах, производимых с помощью компьютеров при работе с цветом.

Источники света обычно характеризуются координатами цветности х и y. Однако существует несколько приближённых одномерных шкал оценки цвета источников света, основанных на сравнении с излучением чёрного тела при различных температурах. Температура распределения Т_р определяется как температура чёрного тела, при которой ординаты кривой спектрального распределения его энергетической яркости в видимой области спектра пропорциональны соответствующим ординатам спектрального распределения рассматриваемого излучения. Цветовая температура Т_цв - температура чёрного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение. Коррелированная цветовая температура Т_цв.к определяется на равноконтрастном цветовом графике как точка на линии чёрного тела, ближайшая к точке, представляющей собой цветность рассматриваемого источника света. Эти шкалы условных температур образованы отображениями на шкалу термодинамических температур. Значения Т_р, Т_цв, Т_цв.к выражаются в кельвинах, но их шкалы являются всего лишь шкалами порядка, а не отношений (смотри Шкалы измерении).

Существуют шкалы цветов, основанные на обозначениях их названиями или другими символами (сочетаниями букв и цифр). Чаще всего для образования таких шкал наименований используются 7 цветов радуги и пурпурный цвет. Комбинации этих и других названий составляют сотни и даже тысячи наименований цветов (человек может различать до 10 миллионов цветов). В таких шкалах цветовое пространство делится на ряд блоков, которые обозначаются в соответствии с общепринятой цветовой терминологией или комбинациями символов (кодом). Так, например, в системе Евроколор код цвета составляет семизначное число (первые три цифры соответствуют цветовому тону, четвёртая и пятая - светлоте, шестая и седьмая - насыщенности цвета). Общепринятой на мировом уровне системы названий и символических обозначений цветов нет.

Символические шкалы цветов реализуют в виде атласов цветов, состоящих из необходимого числа стандартизованных цветных образцов. Специализированный для полиграфии атлас цветов содержит более 1000 образцов цвета. Существует множество специальных цветовых шкал для контроля качества различной продукции (воды, нефтепродуктов, химических реактивов и растворов, жирных кислот и др.).

Колориметрия  применяется для определения цветовых характеристик источников света, сигнальных светофильтров и свечения экранов кинескопов; строительных отделочных материалов, текстильных материалов, воды, зерна, масел и др. В аналитической химии используются фотометрические методы количественного анализа (смотри Фотометрический анализ), основанные на определении концентрации вещества в окрашенном растворе путём измерения ослабления проходящего сквозь него света.

Измерения цвета широко применяются также в световой и цветовой сигнализации, в частности на транспорте для регулирования движения на дорогах, в навигации. На соответствующие методы цветовых измерений существуют национальные и международные стандарты.

Лит.: Юстова Е. Н. и др. Атлас из 1000 стандартных образцов цвета // Измерительная техника. 1972. № 7; Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М., 1978; Международный светотехнический словарь. М., 1979; Луизов А. В. Цвет и свет. Л., 1989; Давыдова И. Е., Цецорина В. А., Чистякова И. А. Полиграфический атлас цветов // Светотехника. 1991. № 2; Справочная книга по светотехнике / Под редакцией Ю. Б. Айзенберга. М., 1995.