Восприятие цвета в зависимости от условий освещения

Лабораторная работа № 5.

ЦВЕТ ОБЪЕКТА

В зависимости от того, попадает в глаз излучение от источников света или от несамосветящихся объектов, даже при одинаковом относительном спектральном составе потоков излучения, восприятия цвета различаются. Однако обычно для обозначения цвета этих двух разных типов объектов используют одни и те же термины. К самосветящимся объектам относят солнце и различные источники света.

В излучении нагретых тел (например, нить лампы накаливания) длины волн непрерывно заполняют весь диапазон видимого света. Такое излучение называется белым светом. Свет, испускаемый газоразрядными лампами и многими другими источниками, содержит в своем составе отдельные монохроматические составляющие с некоторыми выделенными значениями длин волн. Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром. Белый свет имеет непрерывный спектр, излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеет дискретный спектр.

ИЛЛЮСТРАЦИЯ 1.

Основные составляющие, приводящие к цветовому ощущению.

Основную часть объектов, вызывающих цветовые ощущения, составляют несамосветящиеся объекты, которые лишь отражают или пропускают свет, излучаемый источниками. И для получения цветового ощущения в этом случае необходимы: источник света, цветной объект и наблюдатель (ИЛЛ.1).

Цвет объекта определяется спектральным распределением энергии отраженного им света. Свет источника попадает на объект, который влияет на него – отражает, пропускает, поглощает. Причин, вызывающих различные цветовые явления, много, например, по К. Нассау, их – 15. В своей работе он рассматривает фундаментальные вопросы взаимодействия света с веществом и цветовые явления (биологических систем, атмосферы, жидких кристаллов, эмалей, стекла, глазури, драгоценных камней), обусловленные преломлением, поляризацией, интерференцией, дифракцией, рассеянием света объектами, нелинейными эффектами колорантов различных типов .

Одной из самых важных характеристик объекта является коэффициент отражения(ρ) для непрозрачных и пропускания (τ)для прозрачных веществ. Определяются как отношение интенсивности отраженного (пропущенного) объектом света к интенсивности падающего на него света.

Спектр окрашенных поверхностей 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. Спектр отражения – основная характеристика объекта, от которой зависят его цветовые характеристики. Представляется в табличном виде или в виде графика, где по оси абсцисс откладывается длина волны, а по оси ординат – интенсивность отраженного света. У большинства объектов довольно сложный спектральный состав, т.е. в нем присутствуют излучения самых различных длин волн. По форме спектральной кривой можно судить о цвете излучения, отраженного от поверхности предмета или испускаемого самосветящимся источником света. Чем более эта кривая будет стремиться к прямой линии, тем более цвет излучения будет казаться ахроматическим. Чем больше будет амплитуда спектра, тем цвет излучения или предмета будет более ярким. Если спектр излучения равен нулю во всем диапазоне за исключением определенной узкой его части, мы будем наблюдать чистый спектральный цвет, соответствующий излучению, испускаемому в очень узком диапазоне длин волн. Такое излучение называется монохроматическим. Примеры спектров отражения некоторых красок приведены на (ИЛЛ.2).

ИЛЛЮСТРАЦИЯ 2.

Спектры отражения различных цветных красок: изумрудной зелени, красной киновари, ультрамарина

ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Влияние освещения на восприятие окружающего мира чрезвычайно важно и дизайнерам необходимо знание основ светотехники. Существует два вида источников света – это Солнце (естественное освещение) и искусственные источники, созданные человеком.

Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света приведены на ИЛЛ.3

ИЛЛЮСТРАЦИЯ 3.

Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света: свет от ясного голу­бого неба, среднеднев­ной усредненный солнечный свет, свет лампы накаливания

ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ОСВЕЩЕНИЯ

Для искусственного освещения применяют электрические лампы двух типов – лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГЛ).

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение (свет) в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити.

В газоразрядных лампах видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов или паров металлов, которыми заполняется колба лампы. Газоразрядные лампы называют люминесцентными, так как изнутри колбы покрыты люминофором, который под действием ультрафиолетового излучения, излучаемого электрическим разрядом, светится, преобразуя тем самым невидимое ультрафиолетовое излучение в свет.

Лампы накаливания наиболее широко распространены в быту из-за своей простоты, надежности и удобства эксплуатации. Находят они применение и на производстве, в организациях и учреждениях, но в значительно меньшей степени. Это связано с их низкой светоотдачей 20 лм/Вт (светоотдача или световая эффективность лампы – это отношение светового потока лампы к ее электрической мощности), небольшим сроком службы – до 2500 ч, преобладанием в спектре желтых и красных лучей, что сильно отличает спектральный состав света от солнечного света. В маркировке ламп накаливания буква В обозначает вакуумные лампы, Г – газонаполненные, К – лампы с криптоновым наполнением, Б – биспиральные лампы. Газоразрядные лампы получили наибольшее распространение на производстве, в организациях и учреждениях прежде всего из-за значительно большей светоотдачи (40...110 лм/Вт) и срока службы (8000...12000 ч). Газоразрядные лампы в основном применяются для освещения улиц, иллюминации, световой рекламы. Подбирая сочетание инертных газов, паров металла, заполняющих колбы ламп, и люминофора, можно получить свет практически любого спектрального диапазона – красный, зеленый, желтый и т. д. Для освещения в помещениях наибольшее распространение получили люминесцентные лампы дневного света, колба которых заполнена парами ртути. Свет, излучаемый такими лампами, близок по своему спектру к солнечному свету.

Газоразрядные люминесцентные лампы бывают низкого давления, с разным распределением светового потока по спектру: лампы белого света (ЛБ); лампы холодно-белого света (ЛХБ); лампы с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ); лампы теплого-белого света (ЛТБ); лампы, близкие по спектру к солнечному свету (ЛЕ); лампы холодно-белого света улучшенной цветопередачи (ЛХБЦ). Лампы ЛЕ, ЛДЦ применяются в случаях, когда предъявляются высокие требования к определению цвета, в остальных случаях – лампы ЛБ, как наиболее экономичные.

К газоразрядным лампам высокого давления относятся: дуговые ртутные лампы с исправленной цветностью (ДРЛ); ксеноновые (ДКсТ), основанные на излучении дугового разряда в тяжелых инертных газах; натриевые высокого давления (ДНаТ); металлогалогенные (ДРИ) с добавкой йодидов металлов. Лампы ДРЛ рекомендуются для производственных помещений, если работа не связана с различением цветов (в высоких цехах машиностроительных предприятий и т. п.), и наружного освещения. Лампы ДРИ имеют высокую световую отдачу и улучшенную цветность, применяются для освещения помещений большой высоты и площади.

Однако газоразрядные лампы наряду с преимуществами перед лампами накаливания обладают и существенными недостатками, которые пока ограничивают их распространение в быту. Основной недостаток – пульсация светового потока, которая искажает зрительное восприятие и отрицательно воздействует на зрение. При освещении газоразрядными лампами может возникнуть стробоскопический эффект, заключающийся в неправильном восприятии скорости движения предметов.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСКУССТВЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОСВЕЩЕНИЯ

Психологическое и физиологическое воздействие на человека цветности излучения источников света в значительной степени связано с теми световыми условиями, к которым человечество приспособилось за время своего существования. Световой режим, к которому приспособились люди – это голубое небо, создающее в течение большей части светового дня высокие освещенности, вечерами и ночами – желто-красный костер, а затем, пришедшие ему на смену, создающие низкие освещенности лампы, аналогичные по цветности. У человека наблюдается более работоспособное состояние днем при свете преимущественно холодных оттенков, а вечером, при теплом красноватом свете низкой освещенности, ему лучше отдыхать. Лампы накаливания дают теплый красновато-желтый цвет и способствуют успокоению и отдыху, люминесцентные лампы, наоборот, создают холодный белый свет, который возбуждает и настраивает на работу.

Таким образом, цветность является важной характеристикой светового излучения. Цветность света того или другого источника зависит от спектрального состава излучаемого им светового потока.Излучение большинства самосветя­щихся источников подчиняется одним и тем же законам, однако для разных тел, в зависимости от их химического состава и физических свойств, нагревание до заданной температуры дает несколько раз­личающиеся спектры излучения. В связи с этим, в качестве эта­лона цветовой температуры использу­ется гипотетическое абсолютно черное тело или излучатель Планка. Это источник, излучение которого зависит только от его температуры, а не от каких–либо других его свойств. Несмотря на существующие различия, все другие тела ведут себя при на­грева­нии подобно идеальному черному телу.

Именно поэтому использование цветовой температуры в качестве характеристики цветности излучения само­светящихся источников, как природных, так и искусственных, оправдано для боль­шого числа источников.

Для характеристики цвета излучений введено понятие цветовой температуры.Цветовая температу­ра–это температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение (ИЛЛ 4).

ИЛЛЮСТРАЦИЯ 4.

Спектральное распределение излучения черного тела в видимом диапазоне в зависимости от температуры (над кривой указана цветовая температура источника). Лучистый поток-количество испускаемой энергии (света).

В зависимости от температуры на­гревания, спектр излучения абсолютно чер­ного тела имеет разную цветность.

Действительно, при нагревании черного тела его цвет изменяется от теплых оранжево-красных до холодных белых тонов. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина (К). Связь между градусами по шкале Цельсия (С) и по шкале Кельвина следующая: К=С+273. Цветовая температура для искусственных ис­точни­ков света составляет от 2000 до 10000 градусов. Количество лучистого потока на той или иной длине волны определяет то, как мы характеризуем источник по тону. Если лучистый поток максимален на 700 нм – мы видим источник как «теплый», если на 400 нм – то как «холодный».