Концепция цвета – это один из самых фундаментальных блоков, на основе которых люди, интерпретируем окружающий мир. На самом деле восприятие цвета настолько важно, что дети в возрасте 18-ти месяцев могут различать предметы по цвету, а к трём годам большинство детей идентифицируют цвета по названию.
Поэтому для большинства людей может стать шоком тот факт, что за всю жизнь они, возможно, так и не изучат основы науки о цвете. Включая большинство ученых и инженеров, которые выходят из университета, так и не посетив ни одной лекции по науке света. Сложность этой, казалось бы, простой темы заключается в том, что наука о цвете находится на пересечении физики, биологии и психологии.
В результате для полного понимания этой науки, требуется разобраться, как все три эти области взаимосвязаны. В этой статье рассмотрены основы колориметрии: структура человеческого глаза и то, как она влияет на способность воспринимать цвет; после рассмотрения того, как наш мозг обрабатывает цвет, будет исследовано, как можно количественно измерить цвет с помощью методов спектроскопии на примере цветовой модели Lab и диаграммы цветности CIE (International Commission on Illumination – Международная комиссия по освещению).
Как человеческий глаз воспринимает цвет
Самое простое определение человеческого глаза – это система визуализации с двумя линзами. В этой системе роговица выполняет большую часть работы, а линза меняет кривизну, позволяя глазу фокусироваться на объектах, расположенных на разных расстояниях. Оптические свойства глаза устроены таким образом, что на сетчатку всегда проецируется четкое изображение, при условии идеального зрения. Сама сетчатка содержит два типа фоторецепторов, называемых палочками и колбочками, и для начала стоит дать разъяснение тому, как они функционируют, прежде чем говорить о восприятии человеческим мозгом цвета.
Палочки отвечают за зрение при низком освещении, известное как скотопическое (ночное) зрение. Хотя палочки более чувствительны, они не обеспечивают хорошей цветовой или пространственной дифференциации цвета, что приводит к снижению остроты зрения в ночное время. Для сравнения колбочки менее чувствительны, но обеспечивают гораздо лучшее цветовое зрение и пространственное разрешение. Когда колбочки доминируют, то есть при высоком уровне освещенности, это называется «фотопическим» (дневным) зрением. Важно отметить, что поскольку нет бинарной разницы между тем, когда мозг использует колбочки или палочки, оба типа фоторецепторов обычно работают одновременно, это явление известно как «мезопическое» (сумеречное) зрение.
Рисунок 1. Структура глаза
Как показано на рисунке 2 в условиях низкой освещенности чувствительность глаза к длине волны смещается в синюю область, а в условиях высокой освещенности смещается в красную область. Следовательно, анализ восприятия цвета требует исследования и палочек, и колбочек с учетом уровня освещенности окружающей среды, но поскольку большая часть восприятия обрабатывается колбочками, данная статья будет в первую очередь посвящена дневному зрению.
Рисунок 2. Кривые дневного и ночного зрения
В глазу есть три типа различных колбочек. S-колбочки чувствительны к коротковолновому диапазону длин волн, M-колбочки чувствительны к среднему диапазону и L-колбочки чувствительны к длинноволновому диапазону. По сути, это означает, что человеческий глаз способен обнаруживать только красный, зеленый и синий, а затем мозг экстраполирует все другие цвета на основе интенсивности этих трех цветов.
В 1920-х годах Уильям Дэвид и Международная комиссия по освещению (CIE) решили измерить чувствительность к длине волны каждой из этого набора колбочек, разработав три кривые, изображенные на рисунке 3, и диаграмму цветности цветового пространства, показанную на рисунке 4. Это событие считается началом колориметрии.
Рисунок 3. Три функции выравнивания цветов для отображения спектральных частот из диапазона
Рисунок 4. Диаграмма цветности цветового пространства, принятая CIE в 1931 году
Позже, в 1976 году, когда цифровое изображение стало более популярным, был введен вариант диаграммы цветности, который лучше учитывал «освещенность». Эта цветовая модель Lab показана на рисунке 5. В этом контексте термин «освещенность» (иногда называемый «яркостью») относится к количеству света, которое отражается или пропускается. Также как в реальном человеческом восприятии соотношение между L, a и b не линейно и более точно соответствует реальному изображению, чем другие традиционные методы. Однако цветовая гамма настолько велика, что до недавнего времени модель Lab стала обычным явлением в приложениях по цифровой обработке изображений, в таких как Adobe Photoshop, поскольку цифровое хранилище и вычислительная мощность больше не являются ограничивающими факторами в обработке изображений.
Рисунок 5. Цветовая модель Lab
В колориметрии существует три основных конфигурации измерения: излучение, пропускание и отражение
Излучение
Излучение является самой простой конфигурацией из трех и обычно используется в колориметрии для освещения и отображения. Для этих приложений используется две стандартные конфигурации измерения, в зависимости от того, является ли целю измерение отдельной точки или общей освещенности.
Для измерения различных точек используется конфигурация, обычно называемая «точечным замером». В этой конфигурации коллимирующая линза, как показано на рисунке 6, соединяется со спектрометром через оптоволоконный патч-корд. Коллимирующая линза позволяет ограничить поле зрения определенными точками, и, если спектрометр откалиброван по энергетической освещенности, значения Х и Y можно рассчитать, применив данные функции стандартного колориметрического наблюдателя. Коллимирующая линза обычно используется для откалиброванных по цвету дисплеев и мониторов, используемых графическими дизайнерами, чтобы гарантировать, что изображение на мониторах точно отображает изображение в его конечном виде при печати.
Рисунок 6. Коллимирующая линза COL-UV/VIS компании Avantes
И наоборот, если стоит цель измерить общую освещенность, падающую на объект, то вместо использования коллимирующей линзы необходим косинусный корректор, изображенный на рисунке 7. Это позволяет собирать свет в поле зрения 180° (2π). Такая геометрия позволяет анализировать общую освещенность, обеспечивая точность измерения цветности в интересующем месте. Эта конфигурация известна как «спектральная облученность» и обычно используется в производстве коммерческого и театрального освещения, где правильное освещение необходимо для передачи желаемого эстетического вида.
Рисунок 7. Косинусный корректор CC-VIS/NIR производства Avantes
Пропускание
Многие аналитические и индустриальные приложения, особенно в области тестирования продуктов питания, производства пластика или стекла требуют колориметрического тестирования полупрозрачных объектов. Для этих типов колориметрических приложений очень важно использовать высокостабильный широкополосный источник света, такой как AvaLight-HA, Avantes, который может быть соединен оптоволокном, либо с держателем кюветы для жидких образцов, с регулируемым держателем коллимирующих линз, изображенным на рисунке 8, для более крупных объектов, таких как прозрачный пластик или очки. Затем прошедший свет может быть собран спектрометром, например, AvaSpec-ULS2048CL-EVO от Avantes или спектрометром со встроенным термоэлектрическим охлаждением AvaSpec-ULS2048x64TEC-EVO, Avantes для более поглощающих объектов, чтобы значительно уменьшить темновой шум на детекторе, что позволяет значительно увеличить срок службы.
Рисунок 8. Регулируемый держатель коллимирующих линз
Отражение
Наиболее распространенным методом колориметрических измерений, особенно в лакокрасочной промышленности, является использование отражения для количественной оценки цвета объекта. Этот процесс не только используется для контроля качества промышленной окраски и печати, но и ежедневно используется в магазинах красок по всему миру, когда есть необходимость подобрать краску по образцу. Измерения обычно проводятся двумя разными способами: либо с помощью датчика отражательной способности, как показано на рисунке 9, либо при помощи интегрирующей сферы, как представлено на рисунке 10.
Рисунок 9. Установка с использованием спектрометра AvaSpec, широкополосного источника излучения AvaLight-HAL и датчика отражательной способности 45/0
Рисунок 10. Установка с использованием спектрометра AvaSpec, широкополосного источника излучения AvaLight-HAL и интегрирующей cферы D8 c ловушкой для устранения зеркального отражения
© Avantes
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
