Контрольная работа по "Основам теории цвета и цветовоспроизведения"

Типы источников излучения.

Стандартные источники  излучения.

Согласно современным  представлениям, электромагнитное излучение рассматривается как сложное явление, характеризующееся волновыми и корпускулярными свойствами.

По теории Максвелла, излучение  распространяется в пространстве в  виде электромагнитной волны, представляющей собой периодические колебания напряженности электрического и магнитного полей.

В квантовой теории всякое электромагнитное излучение рассматри-вается как поток частиц, называемых фотонами.

Источником оптического  излучения называют устройство, преобразу-ющее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона спектра. В светотехнике за источник излучения принимают не только те тела, которые являются самосветящимися, но также и тела, отражающие или пропускающие свет. Самосветящиеся тела называются первичными источниками, источники отраженного или проходящего излучения — вторичными.

Классификация источников излучения может осуществляться по различным признакам, например:

а) по размеру  источников излучения;

б) по характеру  распределения силы излучения в  пространстве (по форме фотометрического тела);

в) по спектральному  распределению потока излучения (световому  потоку);

г) по времени  действия излучения;

д) по цветовой температуре.

Данная классификация  является достаточно условной и может  быть дополнена и расширена.

В зависимости  от соотношения размеров излучателя и расстояния его до исследуемой  точки фотоприемника источники  излучения можно условно разделить на две группы:

а) точечные источники излучения;

б) источники конечных размеров (линейные источники излучения).

Источник излучения, у  которого размеры значительно меньше расстояния до исследуемой точки, называют точечным.

Если из точки, в которой  расположен точечный источник излучения, отложить в различных направлениях пространства векторы силы излучений и через их концы провести поверхность, то получится фотометрическое тело излучения источника света. Такое тело полностью характеризует распределе-ние потока излучения данного источника в окружающем его пространстве.

К группе излучателей конечных размеров относят те излучатели, у  которых относительные размеры  по всем направлениям больше размеров точечного излучателя. По мере удаления от исследуемой точки относительные  размеры такого излучателя могут  достигнуть такого значения, при котором  данный излучатель можно будет принять за точечный.

По характеру  распределения силы излучения (света) точечные источники можно разделить  на симметричные и несимметричные.

Такое деление обусловлено различной формой фотометрического тела.

Под фотометрическим телом  излучателя понимают распределение  силы излучения (света) в пространстве.

Симметричные источники  излучения имеют одинаковые значения потока излучения или светового  потока по всем направлениям, составляющим одинаковые углы с осью симметрии излучателя. Таким образом, симметричный излучатель представляет собой фотометрическое тело в виде тела вращения вокруг своей оси (рис. 1).

Рис. 1. Модель симметричного излучателя

Несимметричные излучатели не обладают симметрией распределения  силы света относительно оси, вследствие чего их фотометрическое тело отличается от тела вращения и значения силы света неодинаковы для различных продольных плоскостей.

По спектральному  распределению в светотехнике различают  три основных вида источников излучения: тепловые, газоразрядные и лазерные. Последние основаны на явлении индуцированной (вынужденной) люминесценции.

Важнейшей характеристикой  этих источников является спектральный состав излучения. Чаще всего он изображается графически в виде кривой спектрального распределения энергии. В зависимости от вещества излучателя спектры имеют различный характер. Различают спектры излучения линейчатые, полосатые и непрерывные (сплошные).

Тепловые  источники излучения

Любое тело, имеющее цветовую температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Если возбужденное состояние  атомов и молекул этого тела вызвано  нагреванием, то излучение, посылаемое этим телом в пространство, является тепловым.

Тепловое излучение возникает  в результате изменения энергетических состояний электронов и ионов, входящих в состав излучающего тела, независимо от его агрегатного состояния. Однако для светотехники наибольший интерес представляют твердые тела. Излучение таких источников состоит из бесконечно большого числа монохроматических излучений, мощность которых непрерывно меняется с изменением длины волны.

Примером теплового источника  может служить обыкновенная лампа  накаливания, имеющая обычно излучающий элемент в виде нити или спирали из вольфрама. Помимо основных электрических (номинальное напряжение, мощность), светотехнических (световой поток, сила света) и эксплуатационных (срок службы) параметров лампы накаливания имеют еще одну важную характеристику — световую отдачу п. Эта величина, выражаемая в лм/Вт, показывает, сколько света (лм) излучает лампа на каждый ватт электрической энергии, подводимой к лампе. Чем выше световая отдача, тем лучше осуществляется преобразование электрической энергии в световую. Световая отдача ламп накаливания невысока и составляет 7 - 22 лм/Вт.

Используемые на практике в качестве источников освещения  тепловые излучатели в большой степени  отличаются друг от друга по спектральному  составу и мощности излучения. Для характеристики тепловых источников с целью их практического применения и возможности их сравнения друг с другом используют искусственную модель теплового излучателя — абсолютно черное тело.

Абсолютно черным телом называется такое тело, которое способно полностью поглотить все падающие на него излучения. Поэтому, согласно закону Кирхгофа, такое тело испускает при данной температуре большую энергию, чем любой другой источник.

Газоразрядные источники

В источниках этого типа используются излучения газов, возникающие  под действием проходящего через  них тока. Большое число газов  и паров металлов, в которых можно получить достаточно мощный разряд, обусловило возможность создания большого числа разновидностей (по спектру излучения) газоразрядных ламп.

Газоразрядные источники  образуют линейчатый спектр, определяемый составом инертных газов или паров  металлов, в которых происходит электрический разряд. В результате этого процесса атомы или молекулы газа возбуждаются электронным ударом и затем, испуская свет, переходят в исходное состояние. Примером такого источника может служить ртутная лампа высокого давления.

У источников с линейчатым спектром излучение происходит в пределах узкого участка спектра. Поток излучения источника с таким линейчатым спектром складывается из монохроматических потоков отдельных линий.

Цвет излучения и характер спектра зависят от состава газа или пара, наполняющего источник света, и условий разряда (тока, давления газа и т.д.). Подбирая соответствующие  газ (пар) и условия разряда, получают излучение в любой части спектра.

Газоразрядные лампы могут  быть непрерывного или импульсного  горения. В газоразрядных лампах непрерывного горения используют преимущественно тлеющий и дуговой разряды.

Для тлеющего разряда характерны малое давление газа или паров  металла, заполняющих разрядный промежуток, и малая плотность тока на электродах лампы. Лампы тлеющего разряда имеют, как правило, форму длинных трубок (например, ртутные лампы низкого давления). Вследствие малых плотностей тока интенсивность излучения таких источников сравнительно невелика.

Дуговой разряд происходит при больших плотностях тока. Этот вид разряда наиболее широко используется в газоразрядных лампах, поскольку с его помощью удается создать источники света большой яркости при сравнительно низких рабочих напряжениях.

Импульсные газоразрядные  лампы используют для создания как  редких, но мощных импульсов, так и  частых, но менее мощных. Длительность вспышки импульсных ламп составляет короткий промежуток времени (от мкс  до мс). В связи с этим, несмотря на большую силу света в импульсе (до десятков миллионов кандел), суммарная мощность импульсов достаточно мала.

Источники излучения на основе явления люминесценции

Под люминесценцией понимают способность ряда веществ излучать энергию, накопленную в пределах атома при переходе электронов с  более высоких энергетических уровней на более низкие. В зависимости оттого, за счет какой энергии происходит возбуждение атома, различают фотолюминесценцию, хемилюминесценцию, катодолюминесценцию и т.д.

Явление фотолюминесценции  нашло широкое применение при  создании источников излучения. Сущность фотолюминесценции состоит в  фотовозбуждении люминофора — вещества с дефектами кристаллической решетки. Оно способно светить как в процессе возбуждения, так и после —фотонами поглощенного УФ - излучения оптической части спектра.

Люминесценция и, в частности, фотолюминесценция используются в источниках света, в которых УФ - лучи при помощи люминофора преобразу-ются в излучение видимой зоны спектра. Причем основную часть лучистого потока такого источника составляют излучения именно люминофора.

Созданные на основе этого  явления люминесцентные источники (лампы) представляют собой стеклянную трубку с откачанным воздухом, внутри которой находятся небольшое количество ртути и малая доза инертного газа (аргона или криптона). Порошкообразные люминофоры наносят на внутреннюю поверхность трубки в виде тонкого равномерного слоя. Образующийся при включении электрический заряд в парах ртути дает линейчатый спектр, большая часть которого излучается в УФ - зоне на длине волны 254 нм. Это коротковолновое излучение ртути возбуждает видимое свечение люминесцентного покрытия внутри трубки. В зависимости от соотношения люминофоров в смеси люминесцентная лампа дает свечение голубоватого, желтоватого или белого цвета. Кроме излучения люминесцентного покрытия в свете люминесцентной лампы присутствуют и линии ртутного спектра, проникающие сквозь слой люминофора.

Люминесцентные лампы  более экономичны и дольше служат по сравнению с лампами накаливания. Их используют в осветительных установках, монтажных столах, контактно-копировальных станках и других видах светового оборудования, требующего равномерного освещения.

Оптические  квантовые генераторы (лазеры)

Лазер — прибор, являющийся генератором вынужденного, когерентного во времени и пространстве излучения.

Устройство лазеров основано на управлении энергетическим состоянием атомов и молекул вещества, из которого они изготовлены. У рассмотренных  ранее тепловых источников излучение  света также связано с переходом  атомов из одного состояния в другое. Однако эти переходы в тепловых источниках излучения хаотичны во времени, и поэтому излучаемые ими световые волны одновременно находятся в различных фазах. В лазерах процесс излучения у всех атомов происходит одновременно. Поэтому световые волны в излучении лазеров абсолютно когерентны, т.е. в одной и той же фазе.

Если создать систему  возбужденных активных атомов (лазерную активную среду) и пропустить через  нее излучение, то возможно усиление этого излучения. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Для того чтобы лазер-усилитель  превратить в лазер-генератор излучения, вводят положительную обратную связь. В качестве звена положительной  обратной связи используют оптические резонаторы. Они состоят из двух полупрозрачных зеркал и обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество. В общем случае оптический резонатор — это система отражающих, преломляющих и других оптических элементов в пространстве, между которыми могут возбуждаться волны оптического излучения.

Упрощенную структурную  схему лазера можно представить  в виде следующих основных элементов (рис. 2).

1. Источник энергии, обеспечивающий  создание энергии накачки. Под  накачкой лазера подразумевается  процесс возбуждения вещества, приводящего  к возникновению лазерной активной  среды. В зависимости от вида  подводимой энергии различают  оптическую, электрическую, электронную,  химическую накачку

2. Излучатель лазера, преобразующий  энергию накачки в лазерное  излучение и содержащий один или несколько активных элементов:

а) систему накачки —  ряд элементов, предназначенных  для преобразования энергии и передачи ее от источника энергии к лазерному активному элементу;

б) лазерный активный элемент, содержащий вещество, в котором создается активная среда в процессе накачки;

в) оптический резонатор.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема  лазера

Структурная схема лазера обычно бывает дополнена еще рядом  элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управления лазерным излучением.

По типу применяемого активного  элемента лазеры подразделяются на полупроводниковые, газовые, твердотельные и жидкостные. По характеру свечения, лазеры делятся на импульсные и непрерывного свечения.

Для полиграфии наибольший интерес представляют газовые и  твердотельные лазеры.

Существующие газовые  лазеры обеспечивают генерацию в  широком диапазоне, с ультрафиолетового до далекой инфракрасной области спектра. Активной средой газовых лазеров является образующаяся при возникновении электрического заряда газоразрядная плазма. Используются два типа разрядов: дуговой — сильный высокотемпературный разряд с высокой степенью ионизации плазмы; тлеющий — низкотемпературный, с низкой степенью ионизации плазмы.

Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий - неоновый, работающий на тлеющем  разряде. Под действием разряда  происходит возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения. При этом обеспечивается генерация когерентного излучения с длиной волны

А = 633 нм.

Твердотельные лазеры отличаются от газовых принципиально только характером накачки. В качестве активной среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции. Обычно это иттриево-алюминиевый гранат с примесью неодима, рубина и т.д. Для создания когерентного излучения используется оптическая накачка. Лазерное излучение имеет высокую направленность и монохроматичность.

Стандартные источники излучения

Цвета несветящихся тел зависят  от спектрального состава падающего  на них света. Существует множество источников света как естественных, так и искусственных, при которых может наблюдаться тот или иной объект. Кроме того, каждый из этих источников, особенно естественных, может иметь различное распределение потока, в зависимости от конкретных условий. Так, спектральный состав солнечного света зависит от времени года, наличия облаков и других факторов, а спектр лампы накаливания — от режима питания и т.д. В связи с этим при рассмотрении одного и того же объекта (например, цветной ткани) при дневном свете и свете лампы накаливания можно обнаружить различия в цвете. Для того чтобы было возможно непосредственно сопоставлять между собой результаты различных цветовых измерений, используют несколько стандартных источников.

CIE дает следующие определения  понятий «излучение» и «источник». Под термином «источник» понимается физический объект, дающий то или иное излучение (например, солнце и т.д.). Под термином «излучение» понимается определенное спектральное распределение энергии, попадающей на объект. При этом заданное спектральное распределение не обязательно должно быть получено с помощью одного источника.

В 1931 году CIE установила ряд  стандартных излучений и источников. Их краткая характеристика дана ниже.

Стандартное излучение  А характеризуется тем же распределением излучения в видимой части спектра, что и абсолютно черное тело при Т= 2856 К. Это средняя цветовая температура лампы накаливания.

Стандартное излучение  В воспроизводит распределение энергии в спектре прямого солнечного света с коррелированной цветовой температурой Т=4874 К.

Стандартное излучение  С воспроизводит излучение дневного неба, затянутого облаками с коррелированной цветовой температурой Т= 6774 К.

Как показали более поздние  исследования, излучение дневного света не всегда точно воспроизводится излучениями В и С. Кроме того, появилась необходимость более полно учитывать ультрафиолетовый диапазон спектра дневного света, особенно при оценке характеристик цвета люминесцирующих объектов. В связи с этим CIE в 1963 г. определила спектральное распределение различных фаз дневного света в интервале 300-830 нм и рекомендовала несколько новых излучений D.

Излучение D₆₅ — с коррелированной цветовой температурой 6504 К. В настоящее время оно принято CIE в качестве стандартного. Поскольку использование только излучения D₆₅ удовлетворяло не всем необходимым требованиям, CIE были предложены излучения D₅₀, D₅₅ и D₇₅. D₅₀ и D₅₅, соответственно с коррелированной цветовой температурой 5000 К и 5500 К, предназначены для тех случаев, когда требуется фаза дневного света с желтоватым оттенком, a D₇₅ — для фазы дневного света с более голубым оттенком.

Исследования показали, что  цветность излучения дневного света не совпадает с цветностью черного тела и характеризовать дневное излучение температурой черного тела можно лишь в определенном приближении. Поэтому цветовую температуру дневного излучения принято называть коррелированной цветовой температурой.

Стандартные источники МКО (А, В, С,…D₆₅) воспроизводят соответствующие стандартные излучения путем выделения их из калиброванной лампы с помощью светофильтров. В нашей стране у источников В и С (согласно ГОСТ 7721-76) стандартизированы соответственно цветовые температуры 4800 К и 6500 К. Следует отметить, что эти источники применяются все реже и СIЕ уже не рекомендуются. Однако для характеристик прямого солнечного света и среднего дневного света их используют до сих пор. В настоящее время стандартными источниками, рекомендуемыми CIE, являются А с Т= 2856 К и D₆₅ с Т= 6504 К. Помимо них CIE установлены источники D₅₀ и D₅₅.

Кроме стандартных источников в колориметрии используют еще равноэнергетический источник Е. Он характеризуется равномерным распределением энергии излучения по спектру.

В таблице приведены координаты цветности некоторых источников, используемых в колориметрии, а на рис. 3 — кривые относительного спектрального распределения энергии в спектре излучения ряда источников, рекомендованных CIE.

Табл. 1. Координаты цветности  стандартных источников МКО

Приведенные координаты цветности  источников были уточнены CIE в 1964 г. Однако расхождение в координатах цветности  мало и не превышает 0,01.

Рис. 3. Относительное спектральное распределение энергии

в спектре излучения стандартных  источников 

Метамерия и  ее роль в полиграфии.

Излучения, которые имеют  одинаковый цвет, но различный спектральный состав, называются метамерными. Метамерия  цветов это способность нашего зрения видеть различные по спектральному  составу излучения одинаковыми  по цвету. При этом объекты выглядят идентично под одним источником света, но различно под другим. Мы постоянно видим метамерные цвета. Например, оранжевый цвет можно получить на бумаге оранжевой краской или же наложением слоев двух красок: пурпурной и желтой (последней в большем количестве). Так в полиграфии метамерия является результатом использования различных комбинаций красящих пигментов для воспроизведения аналогичных цветов.

Таким образом, с помощью модели источника света, объекта и наблюдателя, разные объекты (образцы цвета) создают один и тот же цвет (или его восприятие), во-первых, в зависимости от освещения обоих объектов, а во-вторых, в зависимости от наблюдателя, смотрящего на эти объекты.

При разных условиях освещения  или разных наблюдателях оба образца цвета могут и не совпадать.

Два спектрально разных образца, создающих одно и то же восприятие цвета, называются метамерами.

Однако можно сказать, что два цвета являются метамерными  при определенном освещении или  для определенного типа наблюдателя.

На самом деле задача оценки цвета так просто не решается. Все  реальные тела отражают свет практически во всем диапазоне спектра в большей или меньшей степени. При этом, если известно, что цвет излучения диапазона 480-510 нм голубой, совсем необязательно, что любой голубой цвет имеет такой же диапазон излучений. Например, цвет голубого неба содержит в себе все излучения видимого спектра, а смешивая в определенных соотношениях по мощности синее излучение (λ = 436 нм) с зеленым излучением (λ = 546 нм), получим тот же самый голубой цвет неба. Из приведенного примера следует, что визуальное тождество сравниваемых пучков не гарантирует их тождества по спектральному составу.

Непрерывный спектр солнечного света

Итак, метамеризм — явление, при котором два цвета воспринимаются одинаковыми при одних условиях наблюдения и различаются при  других. Принято различать четыре вида метамеризма:

- метамеризм излучения;

- метамеризм наблюдателя;

- метамеризм поля угла обзора (наблюдения);

- геометрический метамеризм.

Наиболее важным из них  является метамеризм излучения, проявляющийся  в том случае, когда наблюдатель  смотрит на метамерную пару (исследуемые  образцы), последовательно освещаемую двумя или более источниками  света.

Метамеризм наблюдателя  проявляется, когда метамерная пара воспринимается одинаковой по цвету  одним наблюдателем и разной по цвету  другим. Это естественное явление, так  как все люди воспринимают цвета  по-разному и отлично от «стандартного  наблюдателя», в расчете на которого и определяются координаты цвета. Такой  вид метамеризма может приводить к серьезным проблемам, например, когда один из наблюдателей является продавцом, а другой — покупателем.

В случае метамеризма поля зрения равенство цветов пропадает, когда угол меняется с 2 на 10°. Метамерная пара, показывающая равенство образцов на расстоянии (малое поле зрения), может  не сохранить его, когда наблюдатель  приближается к образцам (большое  поле зрения).

Геометрический метамеризм возникает при изменении геометрии  наблюдения. Этот эффект особенно часто  проявляется при работе с металлизированными и специальными красками.

Приемлемая степень метамеризма  зависит от области применения материала. Если два образца никогда не будут  выставляться вместе, метамеризмом можно  пренебречь, однако если упаковка, напечатанная способом флексографской печати, стоит  рядом с упаковкой, напечатанной офсетом, неприемлемой будет даже малая  степень метамеризма.

Чтобы избежать метамерии, при  подборе цветовых оттенков лучше  применять постоянные комбинации пигментов. Для контроля метамерии могут  также использоваться специальные  просмотровые камеры.

Количественно оценить метамеризм сложно. Он характерен в основном для  высокометамерных пар, различия между  спектрами отражения которых  велики. Различия в разных частях видимого спектра неодинаковы, например области  длин волн около 400 и 700 нм менее важны  для человеческого глаза, чем  длина около 550 нм. Следовательно, по спектрам отражения двух образцов трудно оценить, насколько различными они  могут казаться наблюдателю.

Однако с помощью спектрофотометров  мы можем рассчитать цветовые различия между образцами для разных излучений  и наблюдателей. Правда, установить, какие источники следует использовать, не всегда просто. Для многих целей  достаточным считается сравнение  или описание поведения цвета  для трех отличных друг от друга  источников, рекомендуемых ведущими производителями спектрофотометров. Например, одно из излучений должно соответствовать дневному свету, другое — свету лампы накаливания, а  третье — люминесцентной лампе.

Наибольшей метамерией, то есть наибольшим разнообразием по спектральному  составу, обладают белые излучения  источников света. С увеличением  насыщенности метамерия цветов уменьшается. Спектральные цвета не имеют метамеров, так как каждый из них создается  одним - единственным монохроматическим  излучением. Среди красок наибольшей метамерией обладают темные, зачерненные  цвета.

Уменьшение метамерии  цвета с увеличением насыщенности имеет большое практическое значение в полиграфии, особенно при выборе печатных красок и цветоделительных светофильтров, а также при разработке алгоритмов цветоделения.

На метамерии цвета  основаны все колориметрические  методы, в которых для излучения  сложного состава подбирается такая  смесь некоторого монохроматического излучения с белым светом, которая  зрительно неотличима от него по цвету.

Все репродукционные процессы в полиграфии основаны на том, что  всевозможные цвета изображения  на оттиске мы воспроизводим смешением  нескольких вполне определенных печатных красок. Это возможно потому, что мы видим одинаковыми по цвету различные по спектральному составу излучения.

Если сравниваемые световые пучки излучения одинаковы по цвету, но имеют различный спектральный состав, такие цвета (или световые пучки) называются метамерными, если спектральный состав одинаковый — изомерными.

На практике, особенно в полиграфии, при воспроизведении  цветных объектов требуется получение  цвета, зрительно не отличимого от воспроизводимого, и чаще всего этот цвет бывает метамерным. При полиграфическом тиражировании цветной продукции все экземпляры внутри тиража должны быть изомерны.

Из сказанного следует, что не имеет значения, метамерны или изомерны оригинальный цвет и цвет-копия. Очевидно, что необходимо измерять и воспроизводить цвет независимо от спектрального состава излучения, вызвавшего данное цветовое ощущение. Существенно, чтобы измеряемый или воспроизводимый цвет действительно был, как в нашем примере, цветом неба. Проблемы могут возникнуть лишь при оценке или измерении цвета копии в условиях, отличных от условий оценки оригинала.