Как с точки зрения ньютона частички заставляют нас видеть цвет

Все о работе с видео

Форма подписки

для получения видеоуроков
и полезных материалов
по работе с видео

Форма подписки

для получения видеоуроков
и полезных материалов
по работе с видео

Подпишитесь на почтовую рассылку по созданию видеороликов.

В любой момент вы cможете отказаться от подписки, если она вас не устроит.

Популярные статьи

Свежие статьи

Из истории. Уже в течение нескольких сотен лет до Ньютона поэты, художники и философы много рассуждали о природе цвета, и большинство из них было убеждено, что они знают все, что можно было узнать относительно этого.

Но в 1666 году Ньютон выполнил эксперимент, противоречащий практически всем теориям цвета, существовавшим в это время. Известие об его открытии быстро распространилось, но было встречено очень резкой оппозицией и обвинениями против Ньютона.

Ради краткости и ясности процитируем собственное описание Ньютоном его знаменитого эксперимента.

«В 1666 году (когда я стал шлифовать оптические стекла несферической формы) я раздобыл себе треугольную стеклянную призму для того, чтобы с помощью ее попробовать проверить известные» явления цвета. Для этой цели я затемнил мою комнату и сделал очень маленькое отверстие в ставне для пропуска соответствующего количества солнечного света. Я поместил мою призму у этого отверстия таким образом, чтобы она преломляла свет на противоположную стенку. Мне доставляло большое удовольствие рассматривать живые и интенсивные цвета, получающиеся таким образом».

Вы и сами можете очень легко сделать этот эксперимент. Если выполнить его с прямым солнечным светом не очень удобно, можете воспользоваться светом от угольной дуги или электрической лампочки накаливания.

Для получения лучших результатов необходимо иметь параллельный пучок лучей. Ньютон пользовался пучком такого света круглого сечения.

К большому его удивлению, этот пучок выходил из его призмы в виде продолговатого пучка, состоявшего из цветной полосы, содержащей фиолетовый, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный цвета.

Полоса, состоящая из различных цветов, получающаяся в результате прохождения света от источника сквозь призму, называется спектром этого источника.

Ньютон был озадачен двумя особенностями этого эксперимента. Почему белый свет, входящий в призму, выходил из призмы в виде разноцветной полосы? И почему падающий круглый пучок оказывался продолговатым после преломления? Сравнив длину пучка с его шириной, он нашел, что длина в 5 раз больше.

Сначала Ньютон пытался объяснить продолговатость как результат преломления, но отказался от этой мысли, так как считал, что «свет отклонялся для этого слишком сильно».

Отбросив ряд других теорий, которые могли бы объяснить продолговатость сечения пучка, Ньютон, в конце концов, выделил каждый отдельный цвет солнечного спектра из всех других и заставил его преломляться через вторую призму.

В результате он обнаружил, что оранжевый цвет, взятый отдельно, преломлялся больше красного, желтый — больше оранжевого, зеленый — больше желтого, голубой — больше зеленого и, наконец, фиолетовый цвет преломлялся сильнее всех других.

Почему это было так, Ньютон не знал, но это объясняло, почему сечение преломленного пучка было длиннее в одном направлении, чем в другом.

Кроме того, этот эксперимент показывал, что белый цвет в действительности состоит из шести (по современным данным — из семи) различных цветов. Именно против этого вывода и возражало большинство.

Критическая проверка такого заключения была проста. Дадут ли эти шесть различных цветов света при их смешении вновь белый свет?

Когда Ньютон сложил эти цвета, поместив вторую призму за первой, он убедился, что вновь получается белый свет.

Ньютону было достаточно этого эксперимента для доказательства его теории. Однако его противники не были удовлетворены и в течение более 100 лет возражали против этой теории.

Цветовые опыты Ньютона

Если в качестве экрана 1 взять плотный лист белого картона, то после прохождения солнечного луча через призму на экране отразится обычный линейный цветовой спектр. Для проверки гипотезы, где возникают цветные лучи — в свете или призме,— Ньютон убрал экран 1 и пропустил спектральные лучи на линзу, тсоторая снова собрала их в пучок на экране 2, и этот пучок был такой же бесцветный, как исходный свет.

Таким образом, Ньютон показал, что цвета образуются не призмой, а. И вот здесь необходимо на минуту остановиться, потому что до сих пор были физические опыты со светом и только здесь начинаются опыты по смешению цветов. Итак, семь цветных лучей, смешанных вместе, дают белый луч, а значит, именно состав света был причиной появления цвета, но куда же они деваются после смешения? Почему, как ни разглядываешь белый свет, в нем нет никакого намека на цветные лучи, из которых он состоит?

Именно этот феномен, который даст возможность сформулировать один из законов смешения цветов, и привел Ньютона к разработке метода смешения цветов. Обратимся снова к рис. 1.1. Поставим вместо сплошного экрана 1 другой экран 1, в котором вырезаны отверстия так, чтобы только часть лучей (два, три или четыре из семи) проходила, а остальные загораживались светонепроницаемыми перегородками. И здесь начинаются чудеса. На экране 2 появляются цвета неизвестно откуда и неизвестно каким образом. Например, мы закрыли путь лучам фиолетовому, голубому, синему, желтому и оранжевому и пропустили зеленый и красный лучи. Однако, пройдя через линзу и дойдя до экрана 2, эти лучи исчезли, но вместо них появился желтый. Если посмотреть на экран 1, мы убеждаемся, что желтый луч задержан этим экраном и не может попасть на экран 2, но тем не менее на экране 2 точно такой же желтый цвет. Откуда он взялся?

Такие же чудеса происходят, если задержать все лучи, кроме голубого и оранжевого. Опять исчезнут исходные лучи, а появится белый свет, такой же, как если бы он состоял не из двух лучей, а из семи. Но самое удивительное явление возникает, если пропустить только крайние лучи спектра — фиолетовый и красный. На экране 2 появляется совершенно новый цвет, которого не было ни среди исходных семи цветов, ни среди их остальных комбинаций,— пурпурный.

Эти поразительные феномены заставили Ньютона внимательно рассмотреть лучи спектра и их разные смеси. Если и мы вглядимся в спектральный ряд, то увидим, что отдельные составляющие спектра не отделяются друг от друга резкой границей, а постепенно переходят друг в друга так, что соседние в спектре лучи кажутся более похожими друг на друга, чем дальние. И здесь Ньютон открыл еще один феномен.

Оказывается, для крайнего фиолетового луча спектра наиболее близкими по цвету являются не только синий, но и неспектральный пурпурный. И этот же пурпурный вместе с оранжевым составляет пару соседних цветов для крайнего красного луча спектра. То есть если расположить цвета спектра и смеси в соответствии с их воспринимаемым сходством, то они образуют не линию, как спектр, а замкнутый круг (рис. 1.2), так что наиболее разные по положению в спектре излучения, т. е. наиболее различающиеся физически лучи, окажутся очень близкими по цвету.

Это означало, что физическая структура спектра и цветовая структура ощущений совершенно разные явления. И это был главный вывод, который Ньютон сделал из своих опытов в «Оптике»

«Когда я говорю о свете и лучах как о цветных или вызывающих цвета, следует понимать, что я говорю не в философском смысле, а так, как говорят об этих понятиях простые люди. По-существу же лучи не являются цветными; в них нет ничего, кроме определенной способности и предрасположения вызывать ощущение того или иного цвета. Так же как звук . в любом звучащем теле есть не что иное, как движение, которое органами чувств воспринимается в виде звука, так и цвет предмета есть не что иное, как предрасположение отражать тот или иной вид лучей в большей степени, чем остальные, цвет лучей — это их предрасположение тем или иным способом воздействовать на органы чувств, а их ощущение принимает форму цветов» (Ньютон, 1704).

Рассматривая взаимоотношение между разными по физическому составу лучами света и вызываемыми ими цветовыми ощущениями, Ньютон первый понял, что цвет есть атрибут восприятия, для которого нужен наблюдатель, способный воспринять лучи света и интерпретировать их как цвета. Сам свет окрашен не больше, чем радиоволны или рентгеновские лучи.

Поскольку Ньютон был сторонником корпускулярной теории света, он полагал, что преобразование электромагнитных излучений в цвета осуществляется путем вибрации нервных волокон, так, что» определенное сочетание вибраций различных волокон вызывает в мозге определенное ощущение цвета.

Сейчас мы знаем, что Ньютон ошибся, предположив резонансный механизм генерации цвета (в отличие от слуха, где первый этап преобразования механических колебаний в звук осуществляется именно резонансным механизмом, цветовое зрение устроено принципиально иначе), на для нас более важно другое, то, что Ньютон впервые выделил специфическую триаду: физическое излучение — физиологический механизм — психический феномен, в которой цвет определяется взаимодействием физиологического и психологического уровней. Поэтому мы можем назвать точку зрения Ньютона идеей о психофизиологической природе цвета.

История появления понятия цвета и первые исследования

технические науки

• Сорокина Вероника Андреевна , студент
• Санкт-Петербургский государственный университет

• ЦВЕТ
• ЦВЕТОВОЕ ВОСПРИЯТИЕ
• СПЕКТР
• КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
• ФОТОН
• ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
• ЦВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ

Похожие материалы

История появления понятия цвета и первые исследования

Неотъемлемым свойством каждого объекта, видимого человеком, является цвет. Следует заметить, что в силу субъективности восприятия цвета его изучение изначально во многом было затруднено, что не умаляло интерес многих исследователей.

Широкую известность приобрела теория Исаака Ньютона, ставшая первым заметным рывком к пониманию сущности цвета. До нее в науке господствовало утопическое представление о свете и цвете, восходящее к древнегреческому философу Аристотелю: цвет — это видимое качество предмета, невидимое — темнота; свет же — не тело, а противоположность тьме и условие видения цветов, то есть разные цвета — результат смешения света и тьмы в разных пропорциях. Имела место также теория французского ученого Р. Декарта о том, что разные цвета создаются при вращении световых частиц с разной скоростью.

То, что цвет — это электромагнитная волна, воспринимаемая человеческим глазом, участок спектра, И. Ньютон обнаружил и интерпретировал в работе «Оптика». Несмотря на то, что задолго до этого английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон также наблюдал оптический спектр в стакане с водой, первое объяснение видимого излучения дал именно И. Ньютон. Подобные попытки исследования цвета были проведены Иоганном Гете в труде «Теория цветов».

Опыты И. Ньютона и корпускулярная теория цвета

Как уже было замечено, первый значительный рывок в изучении цвета совершил И. Ньютон. Главной предпосылкой ученого к открытию спектра стало стремление усовершенствовать линзы для телескопов: основным недостатком телескопических изображений являлось наличие окрашенных в радужные цвета краев.

В 1666 году он произвел в Кембридже опыт разложения белого цвета призмой: через маленькое круглое отверстие в ставне окна в затемненную комнату проникал луч света, а на его пути оказывалась стеклянная трехгранная призма, пучок света в которой преломлялся. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, позднее названная спектром.

Ньютон разделил свет (спектр) на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий (индиго) и фиолетовый в соответствии с убеждением древнегреческих софистов о взаимосвязи между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели. Более того, отношение частот красного и фиолетового цвета приблизительно равно 1:2, то есть такое же, как в музыкальной октаве. Интересно, что человеческий глаз слабо воспринимает частоты синего, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. В связи с этим иногда говорят о пяти цветах, предполагая голубой и фиолетовый цвета оттенками синего. Вообще говоря, разделение спектра на семь (или пять) цветовых зон условно и потому, что человеческий глаз различает в спектре множество промежуточных оттенков, поскольку последовательность цветов спектра непрерывна.

Ученый также определил показатель преломления лучей различного цвета. Для этой цели в экране прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивался в полосу: ему соответствует определенный показатель

преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Зависимость показателя преломления от цвета получила название «дисперсия цвета» (от лат. dispergo — разбрасываю).

И. Ньютон установил также, что можно наоборот, смешав семь цветов спектра, вновь получить белый цвет. Для этого он поместил на пути разложенного призмой цветного пучка (спектра) двояковыпуклую линзу, которая снова налагает различные цвета один на другой; сходясь, они образуют на экране белое пятно. Если же поместить перед линзой (на пути цветных лучей) узкую непрозрачную полоску, чтобы задержать какую-либо часть спектра, то пятно на экране станет цветным.

Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только очень грубо охарактеризовать одним каким-то значением. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не различающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие собой совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, белый солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается на спектральные (простые).

Все это, несомненно, крупная заслуга И. Ньютона. Но эти важные исследования привели к необходимости ответа на вопрос: в чем же состоит основное различие между цветами спектра? Ученый предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что они движутся с различной скоростью в прозрачной среде. По его предположению, красный свет двигался быстрее фиолетового, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов. Эта теория получила название корпускулярной теории света.

Необходимо сказать, что, несмотря на дальнейшие изыскания, данную теорию считать неверной нельзя, потому что цвет действительно можно рассматривать как поток фотонов — элементарных безмассовых частиц, двигающихся со скоростью света, и имеющих электрический заряд, равный нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, то есть проявление одновременно свойств частицы и волны. Назвать И. Ньютона противником волновой теории не представляется

возможным: он не отвергал эту идею. С другой стороны в трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но также он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. Таким образом, И. Ньютон являлся скорее сторонником корпускулярно-волновой теории света.

Исследования И. Гёте

Несмотря на то, что работа И. Гёте во многом является реакцией на исследования И. Ньютона, коснуться ее представляется интересным: в ней ученый описывает свое проведение аналогичного опыта с призмой, в результате которого он увидел не просто спектр. При преломлении свет не сразу разлагается на спектральные цвета, а сначала остается прежним (Рис.1), затем на незначительном расстоянии от призмы по обе стороны от луча белого света наблюдаются теплые (от желтого до красного) и холодные (от зеленого до синего) цвета. Только после этого (на определенном расстоянии) можно наблюдать полный видимый спектр. На этом «несоответствии» во многом и строится теория И. Гёте: спектр, по его предположению, возникает при наложении разных составных частей света.

Опыт Т. Юнга и волновая теория цвета

Оппоненты корпускулярной теории времен И. Ньютона (Р. Гук, Х. Гюйгенс) придерживались волной теории: свет представляет собой волну в невидимом эфире. Но они предполагали, что волна — не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были менее правдоподобны.

Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века. В это время волновая теория света, рассматривавшая свет как волны в эфире, одержала решительную победу над корпускулярной (эмиссионной) теорией. Первый удар по эмиссионной теории нанес английский ученый Т. Юнг, в 1800 году разработавший волновую теорию интерференции на основе сформулированного им принципа суперпозиции волн. По результатам своих опытов он довольно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах.

Согласно принципу интерференции (нелинейное сложение интенсивностей нескольких световых волн) темноту можно получить, сложив свет со светом, то есть взаимно погасить свет. Юнг исследовал различные приложения принципа интерференции и пришел к заключению, что свет должен распространяться волновым движением. Объяснить полосы интерференции с точки зрения истечения оказалось совершенно невозможным. Он вычислил также среднюю длину волны света различных цветов. Томас Юнг предполагал, что цвета соответствуют волнам различной длины, при чем в красных лучах волны самые длинные, в фиолетовых — самые короткие.

Вначале теория Т. Юнга была встречена враждебно, так как глубоко изученные явления двойного лучепреломления и поляризации света являлись доказательствами в пользу эмиссионной теории. Однако одновременно с Т. Юнгом в поддержку волновой модели выступил О. Френель, рядом опытов продемонстрировавший волновые эффекты. Когда С. Пуассон выступил против теории О. Френеля, утверждая, что из нее следует, что при определенных условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещенный участок, О. Френель продемонстрировал этот эффект, чем подтвердил свою теорию окончательно. Отныне это яркое пятно, возникающее за освещенным направленным пучком света непрозрачным телом в его области геометрической тени называется пятном Пуассона и считается важным доказательством волновой природы света.

Полный спектр и спектр видимого излучения

Для полного понимания сущности цвета обратимся к понятию электромагнитного излучения, то есть к распространяющемуся в пространстве возмущению электромагнитного поля. Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам, между которыми нет резких переходов — границы условны. На Рис.2 представлен полный спектр электромагнитного излучения, отградуированный по уменьшению частоты: радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Рис. 2 Полный спектр электромагнитного излучения

Отсюда видно, что цвет — это всего лишь малая часть спектра, та, что воспринимается человеческим глазом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета представлены в следующей таблице:

Диапазон длин волн, нм

Диапазон частот, ТГц

Диапазон энергии фотонов, эВ

Цветовые схемы

Русский ученый М.В. Ломоносов в 1856 году впервые высказал мысль о том, что в нашем глазу есть три рода светочувствительных элементов, которые по-разному реагируют на свет разного спектрального состава. Первые чувствительны преимущественно к красному, вторые — к зеленому, третьи — к синему цветам. Если же в глаз попадает сложный световой поток, состоящий из ряда составляющих световых потоков разного цвета, то на него реагируют все три рода светочувствительных элементов. В зависимости от соотношения их реакции мы ощущаем результирующий цвет, соответствующий спектральному составу света, попадающему в глаз.

Эта трехцветная теория цветового зрения, которая после М.В. Ломоносова была значительно развита Т. Юнгом и Г. Гельмгольцем, полностью подтвердилась фактами оптического смешения цветов. В самом деле, все возможные цвета могут быть получены смешением в разных пропорциях трех взаимно независимых цветов — красного (700 нм), зеленого (546,1 нм) и синего (435,8 нм). Однако глаз человека не способен анализировать состав цвета, то есть определять без приборов, из каких частей этот свет состоит.

Цвет, таким образом, не является объективной физической величиной, существующей независимо от органа зрения. Независимо от человека существует излучение, имеющее свойство, называемое цветом. Это свойство возникает только при воздействии излучения на глаз.

Цветовосприятие

В силу сказанного выше, обратимся к процессу восприятия цвета. Это процесс издавна интересовал многих ученых. Кратко рассмотрим эволюцию основных идей. Важную роль в раннем понимании проблемы занимает теория древнегреческого философа Демокрита, объяснявшего зрительное ощущение воздействием попадающих в глаз атомов, испускаемых светящимся телом. Первое описание строения человеческого глаза, вероятно, дано в работах античного медика Галена, в котором уже упоминается зрительный нерв, сетчатка, хрусталик. Через девять столетий арабский ученый Альхазен попытался осмыслить механизм формирования зрительного образа. До Альхазена считали, что зрительный образ возникает целиком как некий единый процесс. Альхазен высказал догадку: каждой точке на видимой поверхности объекта должна соответствовать своя точка внутри глаза, и, следовательно, процесс формирования изображения объекта в глазу складывается из множества элементарных процессов формирования изображений отдельных точек объекта.

Позже великий итальянский естествоиспытатель Леонардо да Винчи, описывая камеру-обскуру (простейшую фотокамеру), указал, что то же самое происходит и внутри глаза: хрусталик имеет форму шара и находится в середине глазного яблока. Ученый считал, что в отличие от камеры-обскуры на сетчатке глаза должно получаться не перевернутое, а прямое изображение. Шаровидный хрусталик внутри глаза, по его мнению, и служил для повторного оборачивания изображения. Мысль о том, что формируемое на сетчатке глаза изображение является перевернутым, была впервые высказана И. Кеплером в начале XVII в. И. Кеплер понял также, что хрусталик необходим для аккомодации глаза (процессу адаптации глаза к ясному видению предметов, удаленных на разные расстояния). Однако он считал, что аккомодация осуществляется путем изменения расстояния между хрусталиком и сетчаткой. Лишь в начале XIX в. Т. Юнг доказал, что механизм аккомодации состоит в изменении кривизны поверхностей хрусталика, то есть его рефракции.

Сейчас известно, что цвет воспринимается фоторецепторами, расположенными в задней части зрачка. Эти рецепторы преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы. Рецепторы сконцентрированы большей частью в ограниченной области сетчатки или ретины (ямка). Эта часть сетчатки способна воспринимать детали изображения и цвет гораздо лучше, чем остальная ее часть. С помощью глазных мускул ямка смещается так, чтобы воспринимать разные участки окружающей среды. Обзорное поле, в котором хорошо различаются детали и цвет ограничено приблизительно 2-мя градусами.

Существует два типа рецепторов: палочки и колбочки. Палочки активны только при крайне низкой освещенности (ночное зрение) и не имеют практического значения при восприятии цветных изображений; они сконцентрированы по периферии обзорного поля. Колбочки ответственны за восприятие цвета, они сконцентрированы в ямке. Существует три типа колбочек, которые воспринимают длинные, средние и короткие длины волн светового излучения.

Каждый тип колбочек обладает собственной спектральной чувствительностью. Считается, что первый тип воспринимает световые волны с длиной от 400 до 500 нм (синий), второй — от 500 до 600 нм (зеленый) и третий — от 600 до 700 нм (красный). Цвет ощущается в зависимости от того, волны какой длины и интенсивности присутствуют в свете.

Глаз наиболее чувствителен к зеленым лучам, наименее — к синим. Экспериментально установлено, что среди излучений равной мощности наибольшее световое ощущение вызывает монохроматическое желто-зеленое излучение с длиной волны 555 нм. Спектральная чувствительность глаза зависит от внешней освещенности. В сумерках максимум спектральной световой

эффективности сдвигается в сторону синих излучений, что вызвано разной спектральной чувствительностью палочек и колбочек. В темноте синий цвет оказывает большее влияние, чем красный, при равной мощности излучения, а на свету — наоборот. На Рис. 3 отображены средние нормализованные спектральные характеристики чувствительности цветовых рецепторов человека — колбочек (штриховая линия — чувствительность палочек (рецепторов сумеречного зрения)).

Важно, что вследствие зависимости цветовосприятия от физиологических особенностей конкретного человека, люди воспринимают один и тот же цвет по-разному. Восприятие цветов изменяется с возрастом, зависит от остроты зрения и других факторов, например, от спектрального состава, цветового и яркостного контрастом с окружающими источниками

света и несветящимися объектами. Однако такие различия относятся в основном к оттенкам цвета, поэтому можно утверждать, что большинство людей воспринимает основные цвета одинаково.

Цветовые модели

Трехцветная теория цветового зрения, таким образом, позволила не только выявить основные цвета, но и способствовала формированию двух основных цветовых моделей: аддитивной и субстрактивной. Цветовая модель — это абстрактная модель описания представления цветов в виде кортежей чисел, определяющих цветовое пространство.

Перед рассмотрением отдельных цветовых моделей приведем небольшую историческую справку. Долгое время в Англии основными цветами считали красный, желтый и синий, так как смешение желтого и синего красителя зеленый цвет давало, а желтый никакими смешениями получить не удавалось. Лишь в 1860 году великий ученый Дж. Максвелл ввел аддитивную систему RGB. В своих экспериментах по смешиванию цветов, во многом независимо повторявших опыты Г. Гельмгольца, он разработал оптическую систему, позволявшую смешивать эталонные цвета. Подобные устройства использовались и раньше, однако лишь Дж. Максвелл начал получать с их помощью количественные результаты и довольно точно предсказывать возникающие в результате смешения цвета. Кстати, так он продемонстрировал, что смешение синего и желтого цветов дает не чистый зеленый, а розоватый оттенок. Опыты Дж. Максвелла также показали, что белый цвет не может быть получен смешением синего, красного и желтого; итогом стало признание красного, зеленого и синего основными цветами.

Дж. Максвелл в своем докладе «О цветовом зрении» сравнивает определение цвета с определением координат точки в трехмерном пространстве, которое можно осуществить с помощью треугольника Юнга, в

том числе не только с использованием основных цветов в вершинах треугольника. Таким образом он описывает наряду с RGB «нормальную цветовую систему» XYZ.

Аддитивная цветовая модель

Для аддитивной цветовой модели RGB (англ. Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий) выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. Аддитивность данной системы заключается в том, что цвета в ней получаются путем добавления к черному цвету. Иначе говоря, если цвет экрана, освещенного цветным прожектором, обозначается (г_ь gi, bi), а цвет того же экрана, освещенного другим прожектором — (r₂, g₂, b₂), то при освещении двумя прожекторами цвет экрана будет обозначаться как (r₁+r₂, g₁+g₂, b₁+b₂).

Изображение в данной цветовой модели состоит из трех каналов. При смешении основных цветов (красного, зеленого и синего), например, синего (B) и красного (R), получается пурпурный (M — magenta), при смешении зеленого (G) и красного (R) — желтый (Y — yellow), при смешении зеленого (G) и синего (B) — голубой (С — cyan). При смешении всех трех цветовых компонентов мы получаем белый цвет (W — white). Цветовая модель RGB нашла широкое применение в технике, например, в телевизорах и мониторах.

Цветовая модель RGB имеет по многим тонам цвета более широкий цветовой охват (может представить более насыщенные цвета), чем типичный охват цветов CMYK. Также RGB может использовать разные оттенки основных цветов, разную цветовую температуру (задание «белой точки»), и разный показатель гамма-коррекции.

Как уж было отмечено, к системе RGB близка другая, принятая с ней почти одновременно система — XYZ, основные цвета в которой являются воображаемыми, более насыщенными, чем спектральные. Именно потому, что цветов этих не существует, их обозначили символами неизвестных величин. Введение таких сверхнасыщенных цветов позволяет избавиться в колориметричеких системах от отрицательных цветовых координат, неизбежных в случае реальных цветов. Основные цвета записываются уравнениями

Субстрактивная цветовая модель

Четырехцветная автотипия (англ. Cyan, Magenta, Yellow, Key color — голубой, пурпурный, желтый, черный) — субтрактивная схема формирования цвета, используемая, прежде всего, в полиграфии для цветной печати. Схема CMYK, как правило, обладает (сравнительно с RGB) небольшим цветовым охватом.

Так как модель CMYK применяют в основном в полиграфии, а бумага и прочие печатные материалы являются поверхностями, отражающими свет, удобнее считать, какое количество света отразилось от той или иной поверхности, нежели сколько поглотилось. Таким образом, если вычесть из белого три основных цвета, RGB, мы получим тройку дополнительных

цветов CMY. Именно поэтому данная модель называется субтрактивной, то есть «вычитаемой». Несмотря на то, что черный цвет можно получать смешением в равной пропорции пурпурного, голубого и желтого красителей, по ряду причин (например, чистота цвета, переувлажнение бумаги) используют отдельно черный пигмент.

Характеристики цвета

Цвет имеет множество различных характеристик, о многих из которых было упомянуто выше.

Некоторые классификации цветов:

1. По возможности ощущения соответствующего видимого света
   • Спектральные (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый)
   • Неспектральные (оттенки серого, любой цвет, полученный путем смешивания цвета с оттенками серого, пурпурный)
2. По уникакльности
   • Основные (смешивая которые можно получить все остальные цвета и оттенки — красный, желтый/зеленый, синий)
   • Дополнительные — пары цветов, оптическое смешение которых приводит к формированию ахроматического (голубой — дополнительный к красному, пурпурный — к зеленому, желтый — к синему)
3. По ощущению
   • Теплые (от красного до желто-зеленого в спектре)
   • Холодные (от зеленого до фиолетового в спектре)
4. По хроматичности
   • Хроматические (воспринимаемые с цветным оттенком)
   • Ахроматические (серый в диапазоне от белого до черного)

Яркость — это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле

(1)

где dQ — заполненный излучением телесный угол, dA — площадь участка, испускающего или принимающего излучение, 0 — угол между

перпендикуляром к этому участку и направлением излучения. Любой цвет при максимальном снижении яркости становится черным.

Насыщенность — это интенсивность определенного тона, то есть степень визуального отличия хроматического цвета от равного по светлоте ахроматического цвета. В физическом плане насыщенность цвета определяется характером распределения излучения в спектре видимого света. Наиболее насыщенный цвет образуется при существовании пика излучения на одной длине волны, в то время как более равномерное по спектру излучение будет восприниматься как менее насыщенный цвет. В субтрактивной модели формирования цвета, например, при смешении красок на бумаге, снижение насыщенности будет наблюдаться при добавлении белых, серых, черных красок, а также при добавлении краски дополнительного цвета. Полностью ненасыщенный цвет будет оттенком серого.

Светлота — степень близости цвета к белому. Это субъективная яркость участка изображения, отнесенная к субъективной яркости поверхности, воспринимаемой человеком как белая. Любой оттенок при максимальном увеличении светлоты становится белым.

Цветовой тон (доминирующая длины волны) — длина волны спектрального цвета, который при разбавлении белым светом дает данный цвет. Обозначается A_d и выражается в нанометрах. Тон определяется характером распределения излучения в спектре видимого света, главным образом положением пика излучения, а не его интенсивностью и характером распределения излучения в других областях спектра. Это также совокупность цветовых оттенков, сходных с одним и тем же цветом спектра. Любой хроматический цвет может быть отнесен к какому-либо определенному спектральному цвету. Оттенки, сходные с одним и тем же цветом спектра (но различающиеся, например, насыщенностью и яркостью), принадлежат к одному и тому же тону.

Чистота цвета — степень разбавления спектрального цвета белым. Чистота цвета выражается в долях единицы или процентах. Спектральные цвета имеют чистоту цвета, равную 100%. Все ахроматические цвета имеют чистоту цвета, равную нулю.

Цветовая температура (в кельвинах) — характеристика хода интенсивности излучения источника света как функции длины волны в оптическом диапазоне. Цвет теплового излучения при повышении температуры проходит от красного через желтый к белому, но максимальную цветовую температуру имеет голубой цвет. Цветовая температура определяется (по формуле Планка) как температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Говоря о цвете, стоит упомянуть об идеализированной модели, широко применяемой в физике — абсолютно черному телу. Это такое абстрактное тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно черное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно черного тела определяется только его температурой. В природе таких тел не существует. Наиболее черные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди тел солнечной системы свойствами абсолютно черного тела в наибольшей степени обладает Солнце.

Закон Грассмана

В оптике существует правило, описывающее восприятие цвета. Оно именуется законом Грассмана и имеет следующую формулировку: восприятие хроматической составляющей цвета описывается линейным законом. Этот эмпирический закон был открыт Германом Грассманом в 1853 году.

Иначе закон можно описать так: если выбранный цвет есть комбинация двух монохроматических цветов, тогда значение каждого основного цвета у наблюдателя будет составлять сумму значений основных цветов для каждого из монохроматических цветов, рассматриваемых отдельно друг от друга.

Другими словами, если луч 1 и 2 монохроматичны, и наблюдатель ставит в соответствие значения основных цветов (R₁,G₁,B₁) для луча 1, и (R₂,G₂,B₂) для луча 2, то если два луча смешиваются и наблюдается результирующий цвет, то этому будут соответствовать значения равные сумме основных цветов по каждой компоненте. То есть смешанные (R,G,B) обоих лучей будут равны: R=Rj+R₂, G=Gj+G₂, B=Bj+B₂.

Закон Грассмана может быть выражен в более общей форме через функции спектрального распределения энергии I(k) для RGB компонент:

(2)

где , , — функции цветового соответствия по отношению к основным цветам R, G и B.

Способы измерения цвета

Важным вопросом в теории цвета является его измерение. Для измерения трех координат цвета в колориметрических системах используют колориметры. Это справедливо для систем, в которых предполагается, что любой цвет может быть представлен как результат оптического сложения определенных количеств цветов, принимаемых за основные. Колориметры бывают визуальные и фотоэлектрические (объективные).

В визуальных колориметрах цвет измеряется уравниванием цвета двух половин поля зрения, на одной из которых наблюдается измеряемый цвет, а на другой — цвет смеси трех основных цветов прибора (например, красного, зеленого и синего). Регулируя количества основных цветов, можно добиться зрительного тождества цвета смеси с измеряемым цветом. Уравненные цвета являются метамерными, то есть не обязательно спектрально тождественными. Определение цвета производится по измерению цветовых координат смеси, которые представляют собой количества основных цветов колориметра, отнесенные к единичным количествам этих цветов. Визуальные колориметры просты в измерениях и очень точны, но оценка тождества цветов при их использовании субъективна. Кроме того, им также трудно измерять непосредственно цвет предметов, он удобен лишь для измерения цвета образцов. Например, в простейшем визуальном колориметре — диске Максвелла — оптическое смешение основных цветов происходит во времени, при быстром попеременном восприятии их наблюдателем одного за другим. Внешнее кольцо этого диска разделено на 3 сектора. Регулировкой величины каждого сектора, окрашенного в один из основных цветов, добиваются того, чтобы при быстром вращении диска воспринимаемый цвет кольца не отличался от цвета образца, помещаемого в центр диска.

Фотоэлектрические колориметры позволяют измерять как цвет излучения, испускаемого источником, так и цвет излучения, отраженного или пропущенного предметом. Сущность метода состоит в измерении спектрального распределения энергии излучения и последующем

вычислении цветовых координат X, Y, Z путем перемножения найденной функции соответственно на три стандартизованные функции сложения основных цветов и интегрирования произведений.

Фотоэлектрические колориметры позволяют определять цвет и при импульсном освещении, выполнять поэлементный цветовой анализ образцов и производить автоматическое распознавание цвета сложных объектов. Такие колориметры применяются в различных областях для контроля цвета материалов и продуктов, для контроля цвета источников света, светофильтров, телевизионных и киноизображений, полиграфической и текстильной продукции и т. п.

В колориметрии, полиграфии и спектральном анализе также используют спектрофотометры — приборы для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне, нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением.

Заключение

Несмотря на то, что цвет является обязательным свойством всего, что мы видим, существует достаточно неопределенностей в его определении и восприятии. Например, одним из свойств зрения является метамерия, которое заключается в том, что свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. Вообще говоря, эволюционно способность к восприятию цвета развилась для целей идентификации предметов окружающего мира, помогая обнаруживать и опознавать их по окраске при различном освещении. Необходимость распознавания объектов явилась главной причиной того, что цвета определяются в основном их окраской и в привычных для человека условиях наблюдения лишь в малой степени зависят от освещения (за счет бессознательно вносимой наблюдателем поправки на освещение). Например, зеленая листва деревьев признается зеленой даже при красноватом освещении на закате.

Также понятие спектра видимого излучения является определенным только в строгих рамках восприятия человеческим глазом, так как установлено, что пресмыкающиеся, птицы и некоторые рыбы имеют более широкую область ощущаемого оптического излучения. Они воспринимают ближнее ультрафиолетовое излучение (300 —380 нм), синюю, зеленую и красную часть спектра.

Список литературы

1. Артюшин Л. Ф. Основы воспроизведения цвета в фотографии, кино и полиграфии, М., 1970.
2. Гуревич М. М. Цвет и его измерение. М., 1950.
3. Ивенс Р. М. Введение в теорию цвета (пер. с англ.). М., 1964.
4. Карцев В. П. Максвелл. М.: Молодая гвардия, 1974.
5. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. М.: Просвещение, 1974.
6. Кустарев А. К. Колориметрия цветного телевидения. М., 1967.
7. Нюберг Н. Д. Измерение цвета и цветовые стандарты. М.,1933.
8. Петренко А. И., Фесечко В. А. Методы и устройства распознавания цвета объектов. М., 1972.
9. Погребысская Е. И. Теория цветов в исследованиях Максвелла. М.: Наука, 1968.
10. Сивухин Д. В. Общий курс физики. М. Т. IV. Оптика, 1987.
11. Синтез цвета // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис — М.: Советская энциклопедия, 1981.
12. Спасский Б. И. История физики. М.: Высшая школа, 1977.
13. Терентьев И. В. История эфира. М.: Фазис, 1999.
14. Шатилов Б. А. Цвет и цветовоспроизведение. М., 1986.
15. Юшкевич А. П. История математики. М.: Наука, 1970.

Электронное переодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

Исследования цветов Ньютоном

Исследования цветов Ньютоном — исследования Ньютона связанны с попытками усовершенствования телескопов, стремлением получить линзы более лучшего качества.

Содержание

Введение [ править ]

Исаак Ньютон понял, что главным недостатком оптических изображений, получаемых в телескопе, являются наличие окрашенных в радужные цвета краев оптических изображений.

В 1666 году Ньютон в Кембридже поставил опыт разложения белого цвета призмой, которым впервые открыл истину природы цвета.

Сущность опыта [ править ]

Через маленькое круглое отверстие в ставне окна (см. рис.1.) в затемненную комнату проникал луч света, а на его пути Ньютон размещал стеклянную трехгранную призму. Пучок света, проходя через призму преломлялся в ней. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал «спектром» (от греческого «спектрум» — смотрю).

Со времен Ньютона принято различать в спектре семь основных цветов:

Деление спектра на семь цветовых зон чисто условно. Глаз различает в спектре большее количество промежуточных оттенков, поскольку последовательность перехода цветов спектра непрерывна, и каждый цвет переходит в соседний плавно и постепенно.

Значение опыта [ править ]

Описанное выше исследование Ньютона показывает:

• Лучи разного цвета по-разному преломляются призмой. Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие. Перемещая экран можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивается в полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Зависимость показателя преломления от цвета получила название «дисперсия цвета» (от лат. dispergo – разбрасываю).
• Ньютон установил, что возможно вновь получить белый цвет, смешав семь цветов спектра. Для чего он поместил на пути разложенного призмой цветного пучка (спектра) двояковыпуклую линзу, которая снова различные цвета совмещала один с другим, и сложившись, они образуют на экране белое пятно. Если поместить перед линзой (на пути цветных лучей) узкую непрозрачную полоску, чтобы не пропустить какую-либо часть спектра, то пятно на экране становится цветным.
• Для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, в то время как преломление белого света можно только очень грубо охарактеризовать одним каким-то значением.
• Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые (основные) цвета, не диспергирующиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие собой смесь простых, которые имеют разные показатели преломления. Например, белый солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы диспергирует на спектральные (простые).

Таким образом, в основных опытах Ньютона содержались два важных открытия:

• 1)Свет различного цвета (разная длина волны) характеризуется разными показателями преломления в данном веществе при дисперсии;
• 2)Ощущение белого цвета — может быть вызвано воздействием совокупности нескольких цветов (например смеси жёлтого и синего).

Немного великих открытий пользовались таким почетом и были оценены современниками в такой степени, как открытия Ньютона. После смерти Ньютона в 1727 году (в возрасте 84 лет) – он с величайшими почестями был похоронен в Вестминстерском аббатстве. В течение последних 20 лет его жизни в огромном кругу учеников и почитателей Ньютон считался непогрешимым авторитетом. Его воззрения на свет получили чрезвычайно широкое распространение.

В своих работах Ньютон писал:

лучи света не являются цветными. В них нет ничего, кроме определенной способности и предрасположения вызывать у нас ощущение того или иного цвета.

Таким образом, цвет не является чисто объективной физической величиной, существующей независимо от органа зрения. Независимо от человека существует излучение, имеющее ряд свойств, вызывающее у нас ощущение цвета. Это ощущение возникает только при воздействии излучения на глаз. В этом смысле, взгляд Гёте на цвет, как на нечто единое целое, неразложимое, имеет право на существование в психологии и подобных областях науки и жизнедеятельности человека, где физическая природа света и цвета не имеет значения. [1]

Цвет — субъективная реальность, данная нам в ощущениях.