§ 24. Цвет

Определения и обозначения

Цвет — зрительное ощущение, возникающее при воздействии света определённого спектрального состава на глаз. Иными словами, цвет появляется в результате взаимодействия света и зрительной системы, а не существует как отдельная характеристика предмета независимо от условий. Это определение помогает учитывать и освещение, и особенности восприятия.

Спектральный состав света — распределение энергии излучения по длинам волн. Его можно представить как набор разных составляющих и оценить, разложив свет в спектр. Понятие нужно, чтобы выяснить, какие именно волны участвуют в создании цветового ощущения.

Основные цвета света — красный, зелёный и синий, сочетанием которых можно получить многие другие цветовые ощущения. Их называют основными для аддитивного смешения: здесь складываются излучения, попадающие в глаз. Это правило используют, например, в экранах.

Дополнительные цвета — пары цветов, смешение которых в определённых соотношениях даёт белый цвет. Такое сочетание объединяет световые воздействия так, что глаз воспринимает их как белое ощущение. Понятие помогает находить пары цветов, дополняющие друг друга при сложении света.

Как это устроено

Белый свет называют сложным, потому что его энергия распределена между излучениями разных длин волн. Если направить узкий пучок света на призму, волны преломятся по-разному и разойдутся по направлениям; на экране станет видна цветная полоса — спектр. Разложение не создаёт новые составляющие, а разделяет уже присутствовавшие в свете. Поэтому спектр позволяет исследовать его состав.

Одного знания о том, что в свете есть волны некоторой длины, недостаточно для предсказания цвета. Зрение реагирует на суммарное действие излучения, а результат зависит от относительных долей разных составляющих. Например, жёлтое ощущение может возникнуть от света определённого участка спектра или от совместного действия красного и зелёного излучений. Значит, одинаковый видимый цвет не обязательно означает одинаковый спектральный состав.

В сетчатке глаза есть три типа светочувствительных рецепторов, которые по-разному реагируют на области спектра. Мозг сопоставляет сигналы от этих рецепторов и формирует ощущение цвета. Разные спектры могут давать близкие соотношения сигналов, поэтому воспринимаются одинаково, хотя физически отличаются. Это объясняет, почему по одному цветовому ощущению нельзя полностью восстановить спектр.

При аддитивном смешении световые лучи попадают в глаз одновременно, и их воздействия складываются. Красный вместе с зелёным даёт жёлтое ощущение, зелёный с синим — голубое, а синий с красным — пурпурное. Если добавить все три основных цвета в подходящих соотношениях, возникает белое ощущение; меняя яркости излучателей, можно получить множество оттенков. Именно на этом принципе работают цветные экраны.

Прозрачный светофильтр действует на проходящий через него свет избирательно: часть длин волн пропускает, а часть поглощает. Цвет фильтра связан с теми составляющими, которые проходят через него и достигают глаза. Непрозрачный предмет тоже поглощает часть света, но цвет мы видим по отражённым составляющим. Поэтому предмет, который выглядит определённым цветом при белом освещении, может выглядеть иначе при другом источнике света.

Сложение основных цветов света

Пользуясь таблицей, сначала определите, какие световые составляющие одновременно попадают в глаз, а затем найдите соответствующее цветовое ощущение. Для трёх основных цветов белое получается только при подходящих соотношениях яркостей, а не при любом их наборе. Таблица описывает сложение света, а не смешение красок.

Разбор задач

Задача 1. Белый экран освещён только красным и зелёным источниками света. Какого он цвета? Экран отражает падающий на него свет, а зритель видит результат совместного воздействия двух источников. Нужно применить правило смешения световых лучей, а не красок.

1. В освещении есть две составляющие: красная и зелёная.
2. Свет от обеих составляющих отражается экраном и одновременно попадает в глаз.
3. При аддитивном смешении красного и зелёного возникает жёлтое цветовое ощущение.

Ответ: экран будет казаться жёлтым.

Задача 2. Предмет в белом свете кажется зелёным. Какого цвета он будет при освещении только монохроматическим красным светом? Цвет предмета определяется тем светом, который он отражает, поэтому важно выяснить, есть ли в освещении составляющая, которую предмет способен отразить. Нельзя переносить его привычный цвет на любые условия.

1. При белом свете предмет выглядит зелёным, потому что отражает преимущественно зелёную составляющую, а другие поглощает сильнее.
2. В красном монохроматическом свете зелёной составляющей нет.
3. Падающий красный свет предмет в основном поглотит, а отражённого света будет мало.

Ответ: предмет будет выглядеть очень тёмным, почти чёрным.

Задача 3. Как изменится свет после последовательного прохождения через красный, а затем синий светофильтр? Каждый фильтр может пропустить только часть спектра, поэтому нужно найти составляющие, которые проходят через оба. Цвета фильтров сами по себе ещё не гарантируют, что после них останется свет.

1. Красный фильтр пропускает преимущественно красную область спектра и поглощает многие другие составляющие.
2. Синий фильтр пропускает преимущественно синюю область, но красную поглощает.
3. Узкие красная и синяя полосы пропускания практически не совпадают, поэтому общей прошедшей составляющей нет.

Ответ: в идеализированной модели свет почти не пройдёт, и за фильтрами будет темно. У реальных фильтров полосы пропускания не абсолютно узкие, поэтому возможна небольшая утечка света.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что смешение красок и смешение света подчиняются одному правилу. Её допускают, потому что в обоих случаях говорят о «смешении цветов», но краски преимущественно поглощают части падающего спектра, а световые лучи складываются. Проверьте себя: выясните, складываете ли вы излучения или рассматриваете отражение от смеси красителей.

Неверно называть белый свет монохроматическим, то есть состоящим из волн одной длины. Белый свет кажется цельным, поэтому его сложный состав не всегда очевиден без разложения на спектр. Проверка проста: если свет можно разложить в видимую полосу спектра, в нём присутствуют разные составляющие.

Нельзя определять цвет предмета только по тому, каким он выглядит обычно, без учёта освещения. Привычный цвет описывает отражение при определённых условиях, а при другом спектре освещения нужной составляющей может не оказаться. Перед ответом проверьте, какой свет падает на предмет и что он способен отразить.

Ошибка — считать, что каждому цветовому ощущению соответствует ровно одна длина волны. Так думают, когда отождествляют цвет с отдельным участком спектра, но рецепторы глаза реагируют на суммарные сигналы. Чтобы проверить вывод, спросите себя, может ли тот же цвет получиться при смешении нескольких излучений; для многих ощущений это возможно.

Связь с другими темами

Для изучения цвета нужны представления о распространении, отражении и поглощении света, а также о дисперсии и спектре электромагнитного излучения. При преломлении лучи разных длин волн отклоняются неодинаково, поэтому разложение белого света позволяет исследовать его спектральный состав. Эти знания пригодятся при объяснении действия оптических приборов и светофильтров. Принципы смешения света также используются в цветной фотографии, видео и цифровых экранах.

Что запомнить

• Цвет — это результат зрительного восприятия спектрального состава света.
• Белый свет состоит из излучений разных длин волн.
• Основные цвета света — красный, зелёный и синий.
• При аддитивном смешении красного и зелёного получается жёлтый цвет.
• Смешение красного, зелёного и синего света в подходящих соотношениях даёт белый цвет.
• Цвет тела зависит от освещения, поглощения и отражения света.
• Светофильтр изменяет цвет света, пропуская одни спектральные составляющие и поглощая другие.