Физические факторы, создающие феномен восприятия цвета. Влияние различных источников света и световоздушной среды на восприятие цвета

Современная наука объясняет феномен восприятия цвета способностью человеческого сознания перерабатывать в цветовые ощущения воздействие на зрительный аппарат потоков лучистой энергии, испускаемой различными источниками. От источника лучистая энергия распространяется во всех направлениях в виде потока особых частиц — фотонов, имеющих различную энергию, обусловленную различной частотой колебаний. Потоки фотонов с различной частотой колебаний имеют и различную длину электромагнитных волн, при этом частота колебаний и длина волны находятся в обратно пропорциональной зависимости. В узком диапазоне с длиной волн от 380 до 760 нм эти излучения воспринимаются зрительным аппаратом как видимый свет различной окрашенности, а смешение всех этих излучений (полный спектр) воспринимается как белый свет. Таким образом, в природе не существует собственно цвета как физического явления, а существуют свойства материальных объектов, вызывающие осознанные зрительные ощущения.

В физиологии и психологии цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитных излучений оптического диапазона, определяемая на основании осознанного зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.

Первым ученым, определившим видимый свет как физический фактор восприятия всех цветов, был Исаак Ньютон. В 1676 году он, пропустив лучи света сквозь узкую щель, направил их на трехгранную стеклянную призму, разложил таким образом общий поток света на составляющие потоки с различной длиной волны и получил на экране цветовой спектр. Затем с помощью линзы он снова собрал цветные лучи в общий поток и опять получил белый свет (рис. 1.1).

Тела, испускающие достаточно мощные потоки лучистой энергии, являются самосветящимися, т.е. источниками света. Окрашенность света определенного источника зависит от того, какие электромагнитные излучения видимого диапазона испускает данное тело, от относительной интенсивности различных излучений и от общей интенсивности светового потока. В то же время на окрашенность светового потока очень сильно влияет состояние оптической среды, сквозь которую проходит свет.

Источники света делятся на естественные и искусственные. Строго говоря, освещенность Земли определяется одним естественным источником света — Солнцем, спектральный состав излучений которого определяет восприятие цвета. Свет других звезд слишком слаб, а Луна светит отраженным солнечным светом. В земных условиях наблюдения, однако, как разные естественные источники света определяют Солнце, Луну и небосвод, экранированный облаками, рассеивающими солнечный свет, так как эти три типа освещения имеют различный характер, окрашенность и интенсивность, что является самым существенным для определенного эмоционального восприятия в
изобразительном искусстве и архитектурном проектировании.

Интенсивность светового потока измеряется в люменах (сокращенно лм или lm), а освещенность в люксах (сокращенно лк или lx, 1лк = 1 лм/1м2).

Солнечный свет имеет наивысшую силу и интенсивность потока и максимально широкий спектр видимых излучений, которые при смешении в общем потоке дают яркий белый свет. Однако, проходя сквозь плотные слои атмосферы, солнечный свет в некоторой степени теряет коротковолновую часть видимых излучений, имеющую в целом синий цвет (она рассеивается в атмосфере, поэтому мы видим чистое небо си- него цвета), а солнечный свет, дошедший до поверхности Земли, содержит меньше коротковолновых излучений и приобретает желтоватую окрашенность.

Лунный свет — это свет Солнца, отраженный поверхностью Луны. Отраженный свет всегда значительно слабее, чем свет от самого источника, так как он частично поглощается и частично рассеивается. Физические измерения показывают, что освещенность поверхности лунным светом в 800 тыс. раз слабее освещенности солнечным светом. В результате способности человеческого глаза к адаптации в нашем восприятии солнечного и лунного света нет ощущения такой огромной разницы, однако лунный свет все равно воспринимается чрезвычайно слабым по сравнению с солнечным светом. Спектральный состав лунного света изменяется относительно солнечного, коротковолновые излучения также частично рассеиваются в атмосфере, поэтому лунный свет имеет свою характерную окрашенность. Интенсивность солнечного света, прошедшего через экран облаков также уменьшается, так как свет частично отражается и поглощается облаками. Рассеянный солнечный свет, смешанный с рассеянным светом атмосферы, становится опять белым, теряет хроматическую окрашенность, дает меньшую освещенность и не создает четкой выраженности освещенных и теневых участков поверхности. Поэтому при таком освещении яснее становится характер собственного цвета поверхности несамосветящихся объектов, так называемый локальный цвет.

К искусственным источникам света относятся, во-первых, пламя огня, которое до открытия электричества использовалось для освещения в ночное время в виде свечей, факелов, ламп и фонарей с фитилем; во-вторых, электрические лампы различных типов, используемые в наше время. Пламя огня почти не содержит коротковолновой синей части спектра, поэтому оно имеет характерный оранжевый цвет. При освещении таким светом почти не воспринимаются холодные голубые, синие и фиолетовые тона, остальные цвета воспринимаются сильно искаженными, сдвинутыми по оттенку в сторону оранжевого. Электрические лампы различаются по принципу действия и, соответственно, по световой отдаче, яркости, спектру излучения и цветопередаче. До сих пор используемые лампы накаливания имеют в спектре мало фиолетового и синего излучения, поэтому у них характерный желтый свет, синий и фиолетовый цвета при таком освещении выглядят менее насыщенными, а красный, оранжевый и желтый — более насыщенными.

Широко распространенные люминесцентные лампы имеют спектральный состав излучения, более близкий к естественному свету. По типу их можно разделить на лампы дневного (ЛД), белого (ЛБ) и теплого белого света (ЛТБ). Возможно комбинированное использование различных люминесцентных ламп для создания освещения, близкого по восприятию к естественному. Ниже приводится таблица характеристик цветопередачи люминесцентными лампами различных типов и лампами накаливания (табл. 1.1).

Цвета несамосветящихся тел, образующие в основном цветовую среду, зависят прежде всего от избирательной абсорбции вещества, из которого состоит тело, или вещества, покрывающего поверхность тела. При этом цвет непрозрачного тела зависит от того, какая часть спектра видимого света поглощается и какая часть отражается его поверхностью, а цвет прозрачного тела зависит от того, какая часть спектра поглощается и какая часть пропускается телом. Например, красная поверхность отражает в основном красные лучи, в меньшей степени оранжевые и желтые, а все остальные поглощает. Прозрачное зеленое тело поглощает красные лучи и пропускает зеленые. Поэтому, если сквозь зеленое стекло посмотреть на предмет красного цвета, его оттенок будет восприниматься значительно менее насыщенным (красно-коричневым). Белым будет выглядеть тело, приблизительно в равной степени отражающее большую часть общего потока видимых излучений (более 80 %); черным — в равной степени поглощающее почти весь световой поток (98 %).

Вместе с серыми тонами, имеющими различную светлоту в зависимости от того, больше или меньше света данное тело неизбирательно отражает и, соответственно, поглощает, черный и белый цвета образуют группу так называемых «ахроматических цветов» (название парадоксально, так как «ахроматический» переводится как бесцветный). Все цвета спектра и все оттенки этих цветов образуют группу «хроматических цветов».

В общем виде распределение светового потока при взаимодействии с каким либо телом или оптической средой можно охарактеризовать коэффициентами отражения (р), поглощения (а) и пропускания (r), которые определяются отношением отраженного (Fр), поглощенного (Fa) и пропущенного (Fr) светового потока к падающему световому потоку (F):

Поскольку F = Fp+ Fa+ Fr, сумма коэффициентов всегда равна 1: р + а + r = 1. Относительная яркость или светлота разноокрашенных тел и различных оптических сред как раз и зависит от неодинаковых значений этих коэффициентов. Например, неодинаковое значение коэффициентов имеют различные строительные и отделочные материалы и различные цвета окраски ограждающих поверхностей. Увеличение коэффициента отражения и, следовательно, уменьшение коэффициентов поглощения и пропускания способствуют увеличению общей освещенности помещения при той же мощности источников света (табл. 1.2).

Таким образом, восприятие цвета несамосветящихся тел зависит от взаимодействия физических свойств материала или покрытия наблюдаемого объекта и условий освещения. В этом легко убедиться, проанализировав восприятие цвета поверхности однотонно окрашенного предмета на свету и в тени или цветного стекла при пропускании сквозь него света большей или меньшей яркости. Фактически в первом и во втором случаях мы увидим два различных цвета или, как минимум, различные оттенки одного цвета.

Итак, физическими факторами, влияющими на восприятие цвета несамосветящихся тел, являются:

физико-химические свойства поверхности или материала (локальный