Московский государственный университет печати

Шашлов А.Б., Уарова P.M., Чуркин А.В.


         

ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ

Учебник для вузов


Шашлов А.Б., Уарова P.M., Чуркин А.В.
ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Введение

2.

Общие свойства излучений и их преобразование

2.1.

Энергетические и световые характеристики оптического излучения

2.1.1.

Природа и свойства излучений

2.1.2.

Оптическая область спектра излучения

2.1.3.

Основные энергетические и световые (фотометрические) величины

2.2.

Источники излучения

2.2.1.

Типы источников излучения. Принципы их классификации

2.2.2.

Точечные и линейные источники излучения

2.2.3.

Симметричные и несимметричные источники излучения

2.2.4.

Источники с различным спектральным распределением энергии

2.2.4.1.

Тепловые источники излучения

2.2.4.2.

Газоразрядные источники

2.2.4.3.

Источники излучения на основе явления люминесценции

2.2.4.4.

Оптические квантовые генераторы (лазеры)

2.3.

Преобразование излучений оптическими средами

2.3.1.

Понятие об оптической среде

2.3.2.

Преобразование оптическими средами мощности излучения и его спектрального состава

2.3.2.1.

Оптические и световые коэффициенты

2.3.2.2.

Оптическая плотность

2.3.3.

Закон Бугера-Ламберта-Бэра

2.3.4.

Изменение пространственного распределения излучения при взаимодействии с оптической средой

2.3.4.1.

Преломление и отражение света на границе двух оптических сред

2.3.4.2.

Рассеяние света оптическими средами

3.

Приемники излучения. Их взаимодействие с излучением

3.1.

Общие сведения о приемниках излучения и их взаимодействии с излучением

3.1.1.

Понятие о приемнике излучения

3.1.2.

Понятие об эффективном потоке и спектральной чувствительности приемника

3.1.3.

Фотоактиничный поток

3.1.4.

Эффективные оптические коэффициенты. Копировальная плотность

3.2.

Глаз как приемник излучения. Закон Вебера-Фехнера

3.2.1.

Строение и работа глаза. Формирование оптического изображения на сетчатке глаза

3.2.2.

Контрастная чувствительность глаза. Закон Вебера-Фехнера

3.2.3.

Адаптация при восприятии яркостей. Спектральная чувствительность глаза

3.3.

Взаимодействие оптического излучения со светочувствительными материалами

3.3.1.

Типы светочувствительных материалов

3.3.2.

Фотографическое действие оптического излучения

3.4.

Фотографическое воспроизведение объектов на примере галогенидосеребряных фотоматериалов

3.4.1.

Галогенидосеребряныефотоматериалы как приемники оптического излучения

3.4.1.1.

Строение и состав галогенидосеребряных светочувствительных материалов

3.4.1.2.

Получение изображений на галогенидосеребряных фотографических материалах

3.4.1.3.

Основные представления о химико-фотографической обработке галогенидосеребряных материалов

3.4.2.

Фотографические свойства галогенидосеребряных фотоматериалов

3.4.3.

Факторы, влияющие на форму и положение характеристической кривой

3.4.3.1.

Типы фотоматериалов

3.4.3.2.

Влияние спектрального состава излучения на характеристическую кривую и светочувствительность фотографического материала

3.4.3.3.

Влияние уровня освещенности. Явление невзаимозаместимости освещенности и времени экспонирования

3.4.3.4.

Влияние химико-фотографической обработки на характеристическую кривую и сенситометрические параметры фотоматериала

3.4.4.

Воспроизведение градации объекта в изображении

3.4.4.1.

Градационные свойства объекта и изображения

3.4.4.2.

Типы градационной передачи

3.4.4.3.

Формирование градации изображения. Стадии градационного процесса

3.4.4.4.

Расчет градационного процесса с помощью системы градационных графиков. Управление градационным процессом

4.

Основы метрологии светочувствительных материалов

4.1.

Интегральная сенситометрия

4.1.1.

Общие сведения об интегральной сенситометрии

4.1.2.

Сенситометрическое экспонирование

4.1.3.

Сенситометрическое проявление

4.1.4.

Получение семейства характеристических кривых. Определение сенситометрических параметров фотографического материала

4.2.

Спектральная сенситометрия

4.2.1.

Понятие о кривой спектральной чувствительности

4.2.2.

Методика получения кривой спектральной чувствительности

4.2.2.1.

Получение спектросенситограммы

4.2.2.2.

Получение кривой спектральной чувствительности

4.3.

Структурометрия

4.3.1.

Общие сведения о воспроизведении мелких деталей

4.3.2.

Рассеяние света в эмульсионном слое

4.3.2.1.

Ореолы рассеяния

4.3.2.2.

Пограничная кривая и визуальная резкость изображения

4.3.2.3.

Функция передачи модуляции

4.3.3.

Ореолы отражения. Определение коэффициента противоореольности

4.3.4.

Зернистость и гранулярность изображения

4.3.5.

Разрешающая способность

5.

Основы учения о цвете: природа и психология цвета

5.1.

Основные понятия и определения

5.1.1.

Определение понятия "цвет"

5.1.2.

Спектральные цвета

5.1.3.

Явления метамерности

5.1.4.

Природа цветового ощущения

5.1.5.

Механизм цветовосприятия (упрощенный)

5.1.6.

Зрительный аппарат и цветное зрение

5.1.7.

Световая и спектральная чувствительность глаза

5.1.8.

Механизмы зрительного процесса. Адаптация. Инерция

5.1.9.

Основы теории цветового зрения

5.1.10.

Психологическая и психофизическая характеристики цвета

5.1.11.

Действие сложных излучений на сетчатку глаза

5.1.12.

Психология восприятия цвета

5.1.13.

Восприятие цвета при различных уровнях яркости

5.1.14.

Непрямые раздражения. Расстройства цветового зрения

5.2.

Синтез цвета. Методы образования цвета

5.2.1.

Синтез цвета

5.2.2.

Аддитивный синтез цвета

5.2.3.

Основные цвета аддитивной смеси

5.2.4.

Способы аддитивного сложения цветов

5.2.5.

Схема аддитивного синтеза цвета

5.2.6.

Цветовое уравнение, его анализ

5.2.7.

Цветность и ее выражение

5.2.8.

Основные законы аддитивного синтеза

5.2.9.

Субтрактивный синтез цвета

5.2.10.

Формы кривых поглощения идеальных и реальных красок

5.2.11.

Субтрактивный синтез идеальными красками в проходящем и отраженном свете

5.2.12.

Уравнение субтрактивного синтеза

5.2.13.

Особенность автотипного синтеза

6.

Представление цвета

6.1.

Цветовое пространство

6.1.1.

Общие сведения о цветовом пространстве

6.1.2.

Цветовой охват. Цветовое тело

6.1.3.

Определение цвета как векторной величины

6.2.

Системы спецификации

6.2.1.

Визуальные методы описания цветов по эталонным образцам

6.2.2.

Принципы построения цветового пространства систем спецификации

6.2.3.

Систематизация систем спецификации

6.2.4.

Пигмент-смесь

6.2.5.

Цвет-смесь

6.2.6.

Цвет-восприятие

7.

Колориметрические системы

7.1.

Основные колориметрические системы

7.1.1.

Принципы измерения цвета

7.1.2.

Основы построения колориметрических систем

7.1.3.

Основная физиологическая система КЗС

7.1.4.

Основы колориметрической системы (CIERGB)

7.1.5.

Основы стандартной колориметрической системы XYZ (CIEXYZ)

7.1.5.1.

Кривые сложения <?xml version="1.0"?>
. Диаграмма цветности ху

7.1.5.2.

Определение характеристик цвета по диаграмме ху

7.1.6.

Переход от координат одной колориметрической системы к координатам другой

7.1.7.

Расчет координат цветов излучений произвольной мощности и несамосветящихся тел

7.1.8.

Стандартные излучения и источники света

7.1.9.

Расчет характеристик цвета по спектральным кривым общим методом и методом избранных ординат

7.2.

Измерение малых цветовых различий

7.2.1.

Высшая метрика цвета

7.2.2.

Пороговые эллипсы. Понятие о порогах цветразличения

7.2.3.

Развитие равноконтрастных колориметрических систем МКО (CIE)

7.2.4.

Равноконтрастная система CIE-76

8.

Практические аспекты применения цвета

8.1.

Приборы для измерения цвета

8.1.1.

Условия рассматривания

8.1.2.

Классификация способов измерения цвета

8.1.3.

Цветные денситометры, особенности измерения цветовых величин

8.1.4.

Общая схема условий освещения и наблюдения в колориметрии

8.1.5.

Спектрофотометры, спектроколориметры, колориметры

8.2.

Стадии процесса цветовоспроизведения. Их сущность

8.3.

Основные принципы дубликационной теории

8.4.

Общие сведения о цветной фотографии. Цветные фотографические материалы. Их строение. Получение изображения на цветных фотоматериалах

9.

Библиографический список

Указатели
176   указатель иллюстраций
Рис. 7.1. Геометрические условия измерения оптических плотностей: а - диффузных; б - регулярных Рис. 7.2. Реакции фотоприемника денситометра: 1 - статус М; 2 - статус А Рис. 7.3. Схема геометрии измерения для денситометров, работающих в отраженном свете (а - диффузное отражение, б - диффузно-направленное) Рис. 7.4. Схема условий освещения, наблюдения и измерения образца в колориметрии Рис. 7.5. Примерная схема взаимодействия аппаратно-зависимых и CIE колориметрических систем в полиграфических устройствах управления цветом Рис. 7.6. Принципиальная блок-схема спектрофотометра: ИС - источник света; М - монохроматор; 0/45 или дифф/0 - способ измерения МКО; Ф - фотоэлемент; Р - графическое представление Рис. 7.7. Строение цветного фотографического материала: 1 - синечувствительный слой; 2 - желтый фильтровый слой; 3 - зеленочувствительный слой; 4 - красночувствительный слой; 5 - подложка с противоореольным слоем Рис. 7.8. Схема образования цветного изображения в цветных фотографических материалах Рис. 7.9. Кривые спектрального поглощения красителей у цветной (негативной) фотопленки: 1 - желтый краситель; 2 - пурпурный; 3 - голубой Рис. 7.10. Графики зависимости эффективных плотностей в зонах вредных поглощений красителя от соответствующих плотностей в зонах полезного поглощения красителей: 1 - для желтого красителя; 2 - для пурпурного красителя; 3 - для голубого красителя

Считается, что цветоразличительная способность человеческого зрения была выработана в процессе эволюции как одна из основных защитных систем организма. На современной стадии развития "Теория цвета" из академической проблемы превратилась в технологическую. Цвет необходимо измерить и данные измерения использовать в производстве для регулирования процессов и для получения конечного продукта. Поскольку конечным продуктом является цветное изображение, предназначенное для рассматривания, нормируются условия рассматривания и соответствующие им условия измерения.

Цветные образцы полиграфической и фотографической продукции могут рассматриваться непосредственно глазом или с использованием просмотровых устройств. Они также могут использоваться для технических целей, например печать с негатива на позитив в фотографии. Цветные иллюстрации предназначены для рассматривания невооруженным глазом в отраженном свете. Поэтому с точки зрения эффективности измеряемых плотностей необходимо знать соответствующие оптимальные условия рассматривания и измерения.

Наиболее удобно рассматривать отпечатки, когда направление зрения перпендикулярно их поверхности. Если иллюстрация освещается направленным светом, то свет должен падать под углом 45<?xml version="1.0"?>
, чтобы исключить возможные блики. Выпускаются специальные осветительные установки для рассматривания отпечатков в отраженном свете с учетом вышесказанного, а также с нормированием уровня освещенности и цветовой температуры (при работе с глянцевыми изображениями или свежеотпечатанными дополнительно устанавливается поляризационный светофильтр, как при рассматривании, так и при измерении) Для рассматривания образцов, "слайдов", в проходящем свете также используются специальные осветительные установки с освещением рассеянным светом определенного уровня яркости и цветовой температуры. В комплект такой аппаратуры обычно добавляют нейтрально-серые рамки определенной плотности для уменьшения фонового освещения и комплект оптических клиньев для визуального контроля.

В предыдущих разделах способы оценки цвета классифицировались в виде систем спецификации и колориметрических систем. А как говорили древние философы, чтобы понять что-то, это что-то надо измерить. Чтобы правильно воспроизвести цвет, его необходимо измерить. Необходимо также контролировать процесс тиражирования данного изображения цвета.

В полиграфии, фотографии и других отраслях науки и техники измерение цвета может осуществляться в зависимости от цели двумя способами: колориметрически и денситометрически.

Денситометрические измерения проводят с использованием денситометров, работающих в проходящем или отраженном свете, а также "оцифровывают" изображение с помощью сканеров.

Колориметрические измерения бывают визуальные, фотоэлектрические, спектральные:

а) первые выполняются с использованием визуального колориметра или атласа цветов;

б) вторые выполняются с использованием спектрально-согласованного или спектрально-несогласованного фотоэлектрического колориметра;

в) спектральные измерения производятся в автоматическом режиме в спектроколориметре или производится расчет по измеренной спектральной кривой образца и таблицам для расчета координат цвета.

Предложенное деление достаточно условно, на самом деле существуют общие принципы измерения и управления цветом, но для конкретных перечисленных способов существуют некие нюансы.

Прежде чем рассматривать конкретные способы измерения, необходимо вспомнить такие термины, как метамерность и изoмерность. На этих двух понятиях основана сама возможность воспроизведения и измерения цвета любым способом. Они обычно относятся к получаемым или сравниваемым цветам, причем цветам зрительно одинаковым, и еще чаще - к излучениям, вызывающим ощущение одинаковых цветов. Часто (и неправильно) понятие "метамерность" относят к окраске предмета и изменению цвета этого предмета в зависимости от цветовой температуры освещения. Напомним, что два цвета метамерны, т.е. одинаковы по цвету, если световые пучки, вызвавшие ощущение одинаковости этих цветов, различны по спектральному составу. Из определения следует, что метамерные цвета необходимо сравнивать визуально или путем измерения на колориметре.

Если цвета по спектральному составу совершенно одинаковы, то их называют изомерными, например цвета оттисков полиграфического тиража, напечатанного одной триадой красок.

Итак: явление метамерности позволяет получать заданный цвет различными способами, поэтому контролировать правильность процесса цветовоспроизведения необходимо колориметрически. Изомерность важна для контроля стабильности технологического процесса цветовоспроизведения и позволяет использовать для этого денситометры.

Для измерения оптических плотностей в проходящем или в отраженном свете в полиграфии и фотографии используются денситометры трех видов:

а) денситометры для измерения в проходящем свете;

б) денситометры для измерения в отраженном свете;

в) универсальные денситометры для измерения и в проходящем, и в отраженном свете.

При измерении в проходящем свете измеряемый прозрачный образец помещается между источником света и фотоприемником на измерительный стол и производятся измерения оптической плотности. Используется формула <?xml version="1.0"?>

При измерении в отраженном свете измеряемый непрозрачный образец помещается на белую поверхность, измерения производятся фотометрической головкой, которая освещает образец определенным образом и она же собирает отраженный свет.

В этом случае оптическая плотность определяется по формуле <?xml version="1.0"?>

В универсальных денситометрах есть и измерительный стол для измерения <?xml version="1.0"?>
и фотометрическая головка для измерения <?xml version="1.0"?>
. Общим является блок обработки данных и индикации.

При измерении на денситометре оптические плотности полей изображений, рассеивающих свет, определяются не только светопоглощением. Величина плотности зависит также от оптико-геометрических и спектральных условий освещения и регистрации света приемником, поэтому эти условия регламентируются стандартами.

В проходящем свете стандартизируется геометрия измерения для двух типов оптических плотностей: диффузной оптической плотности и регулярной оптической плотности.

На рис. 7.1 Рис. 7.1. Геометрические условия измерения оптических плотностей: а - диффузных; б - регулярных представлены геометрические условия измерения таких плотностей. Для диффузной оптической плотности угол приема лучей <?xml version="1.0"?>
, а угол освещения - 90<?xml version="1.0"?>
. Для регулярной плотности оба угла стремятся к нулю. Обратите внимание, что углы соответствуют полуплоскости. Напомним, что закон Гельмгольца говорит о взаимной обратимости световых лучей при их преломлении и отражении. Поэтому схемы измерения диффузных оптических плотностей взаимно эквивалентны. Возможно светить диффузным (т.е. рассеянным) светом, а собирать регулярный свет, и наоборот.

В "цветных" денситометрах, т.е. денситометрах, предназначенных для измерения зональных оптических плотностей, применяются различные комплекты измерительных светофильтров. Эти комплекты предназначены для измерения различных по типу образцов фотоматериалов и полиграфических отпечатков. В зависимости от комплекта светофильтров и типа красок, образующих данный образец, измеряемые плотности могут иметь различные значения. На оптическую плотность влияют также источник света и спектральная чувствительность приемника денситометра.

В последние 15-20 лет предложен "колориметрический" подход к стандартизации метода измерения. Стандартизируется не спектральная характеристика зональных светофильтров, а так называемые "статусы". По своей сути это относительные спектральные актиничности денситометра за измерительным комплектом светофильтров, или, как их еще называют, "реакции фотоприемника денситометра". Пример таких реакций приведен на рис. 7.2 Рис. 7.2. Реакции фотоприемника денситометра: 1 - статус М; 2 - статус А.

"Статус М" - это комплект светофильтров для измерения цветных, негативных маскированных фото- и кинопленок, "Статус А" - позитивных и обращаемых цветных пленок, иногда используется для установки в денситометры, работающие в отраженном свете.

В колориметрии денситометры используются для получения зональных оптических плотностей <?xml version="1.0"?>
- где j - общее обозначение красок с, m, у; i - зона, в которой измерена данная эффективная плотность - r, g, b.

Вычисляется зональная оптическая плотность (она же эффективная) по формуле

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- спектральная чувствительность фотоприемника денситометра; <?xml version="1.0"?>
- спектральная характеристика измерительного светофильтра (r, g или b); <?xml version="1.0"?>
- спектр источника света денситометра; <?xml version="1.0"?>
- спектральный коэффициент отражения измеряемого образца; <?xml version="1.0"?>
- пределы интегрирования, граница зон спектра.

Если измерения ведутся в проходящем свете, то в формуле (7.1.1) вместо <?xml version="1.0"?>
используется <?xml version="1.0"?>
. Расчетов, естественно, никто не ведет, интегрирование осуществляется по аналоговой схеме, при помощи фотоумножителя или фотодиода с последующим интегрированием.

В последнее время чаще используются фотодиоды в связи с их большой линейностью как приемника, в диапазоне порядка четырех логарифмических единиц. Это совершенно необходимо при измерении в проходящем свете.

Измеренная на денситометре оптическая плотность по своей сути является эффективной оптической плотностью и может быть вычислена по соотношению логарифмов актиничностей, например для вычисления эффективной плотности интерференционных светофильтров может быть использована формула

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- эффективная оптическая плотность; <?xml version="1.0"?>
- спектральное распределение источника света денситометра с <?xml version="1.0"?>
= 3000 К; <?xml version="1.0"?>
- спектральная чувствительность фотоприемника денситометра; <?xml version="1.0"?>
- суммарный коэффициент пропускания оптических сред денситометра, включая зональные измерительные светофильтры (i - r, g, b и визуальный светофильтры); <?xml version="1.0"?>
- коэффициент пропускания измеряемой оптической среды - интерференционного светофильтра; <?xml version="1.0"?>
- актиничность денситометра; <?xml version="1.0"?>
- актиничность денситометра за измеряемым интерференционным светофильтром.

Помня, что

<?xml version="1.0"?>

уравнение (7.1.2) можно написать в виде

<?xml version="1.0"?>

Спектральные актиничности источника света денситометра (или, по-другому, "реакции денситометра" или "спектральная чувствительность денситометра") зависят от спектральных характеристик компонентов схемы денситометра: цветовой температуры источника света, спектральной чувствительности фотоприемника, спектральной характеристики оптического тракта денситометра (т.е. всех оптических сред, которые находятся между источником света и фотоприемником), спектральной кривой измерительных светофильтров.

Можно разобрать денситометр и измерить все эти компоненты по отдельности, а затем получить их суммарную спектральную характеристику. Это достаточно сложно и трудоемко. Международной организацией по стандартизации ИСО предложен другой, достаточно простой способ.

На денситометре без измерительных светофильтров измеряется комплект (16) узкозональных интерференционных светофильтров. Затем знак изменяется на обратный. Нормируя полученные значения к 100% в максимуме, строят кривую относительных реакций денситометра, так называемую "бесфильтровую реакцию". Для получения спектральных реакций денситометра, аналогичных изображенным на рис. 7.2 , функцию бесфильтровой реакции денситометра умножают на функции спектральных кривых измерительных светофильтров.

В денситометрии при измерении плотностей в отраженном свете обычно освещают изображение под углом 45<?xml version="1.0"?>
в двух взаимно перпендикулярных направлениях или при помощи кольцевого осветителя. Это делается для того, чтобы исключить влияние направления отлива бумаги на результат измерения.

На рис. 7.3 Рис. 7.3. Схема геометрии измерения для денситометров, работающих в отраженном свете (а - диффузное отражение, б - диффузно-направленное) показана схема геометрии измерения: освещение-рассматривание - <?xml version="1.0"?>
В некоторых стандартах и литературе эти условия записываются как <?xml version="1.0"?>
Кроме осей на рисунке нанесены те, практически небольшие, телесные углы, которые имеют осветительная и измерительная апертуры. Эти углы <?xml version="1.0"?>
не должны превышать 20<?xml version="1.0"?>
.

Для измерения цветных плотностей в отраженном свете также используются различные комплекты триад светофильтров: "статус А", "статус Е", "статус D" и "статус Т". Условия использования этих светофильтров оговариваются в соответствующих стандартах.

Во всех колориметрических приборах, как и в денситометрах, соблюдаются определенные структуры световых пучков: падающего на образец и отраженного от него (так называемая геометрия измерения). CIE устанавливает четыре нормы, схематично представленные на рис. 7.4 Рис. 7.4. Схема условий освещения, наблюдения и измерения образца в колориметрии. Для краткости их зашифровывают дробью: в числителе - условия освещения, в знаменателе - условия наблюдения.

45<?xml version="1.0"?>
/0 - ось освещающего пучка составляет угол 45±5° с нормалью к поверхности образца. Угол между направлением наблюдения и нормалью не должен превышать 10<?xml version="1.0"?>
, а угол раскрытия освещающего и наблюдаемого пучков - не более 5<?xml version="1.0"?>
.

0/45<?xml version="1.0"?>
- условия освещения, сформулированные выше, становятся условиями наблюдения, а условия наблюдения - условиями освещения.

Дифф/0 - для освещения используют интегральную сферу - внутреннюю поверхность шара, покрытую окисью магния или сульфатом бария и поэтому рассеивающую свет близко к идеальному. Угол между нормалью к измеряемому образцу и осью пучка не должен превышать 10<?xml version="1.0"?>
. Угол раскрытия наблюдаемого пучка не более 5<?xml version="1.0"?>
. Экран, показанный на рисунке, препятствует попаданию на образец или стенку шара прямого отраженного света.

0/дифф - условия освещения, сформулированные выше, становятся условиями наблюдения, а условия наблюдения - условиями освещения.

Эти условия должны выполняться при колориметрических или визуальных измерениях цвета. При спектрофотометрических измерениях в этих условиях должны измеряться спектральные коэффициенты пропускания, отражения или соответствующие оптические плотности.

Измерение цвета в системах CIE имеет особенности. Обычно измерения проводятся в явном или скрытом виде в системе CIEXYZ, а затем пересчитываются по соответствующим формулам в требуемую систему CLE или аппаратно-зависимую RGB. Под термином "аппаратно-зависимая" понимается система основных RGВ, используемых в конкретном устройстве. Возможен и обратный порядок действия: измерения в RGB, пересчет в CIEXYZ, а затем - в требуемую систему CIE. В этом случае изготовитель устройства разрабатывает математический аппарат по такому пересчету для всех цветностей и светлот. Одна из схем измерения приведена на рис. 7.5 Рис. 7.5. Примерная схема взаимодействия аппаратно-зависимых и CIE колориметрических систем в полиграфических устройствах управления цветом.

Спектрофотометры измеряют спектральные коэффициенты пропускания, отражения, спектральные оптические плотности отражения или пропускания. Эти спектральные величины затем могут быть использованы для расчета координат цвета (см. разд. 7).

Измерения могут быть ручные, для каждой длины волны, с автоматической, последовательной разверткой спектра или одновременные. Величины измерений могут считываться визуально, в виде графика или запоминаться микропроцессором в цифровом виде.

Принципиальная блок-схема регистрирующего спектрофотометра приведена на рис. 7.6 Рис. 7.6. Принципиальная блок-схема спектрофотометра: ИС - источник света; М - монохроматор; 0/45 или дифф/0 - способ измерения МКО; Ф - фотоэлемент; Р - графическое представление.

Основной блок спектрофотометра - монохроматор - устройство, разлагающее белый свет в спектр. В основе разложения в спектр лежат три явления: преломление, дифракция, интерференция.

Преломление света внутри оптической среды зависит от длины волны (дисперсия света), используется для получения спектра с помощью призм. Дисперсия призменного спектра не линейна, т.е. в разных частях спектра на единицу длины приходится различный интервал длин волн.

Получение спектра связано с преломлением света на тонких пленках с последующей интерференцией, т.е. ослаблением или усилением потока, основанном на волновой теории света. Монохроматоры строят либо на базе набора монохроматических светофильтров, которые необходимо поочередно вводить в световой поток, либо на базе интерференционного клина, сразу разлагающего поток на спектр. Таким способом можно получить достаточно высокую линейную дисперсию.

Дифракция света - совокупность явлений, обусловленных волновой природой света, наблюдается при его распространении в оптически неоднородных средах. Такие среды, создают искусственно, нанося тонкие непрозрачные штрихи или бороздки с призменным профилем. Дифракция происходит по причине огибания светом препятствия. Такой удлиненный путь создает наложение волн света с последующей интерференцией. В оптике используют множество видов решеток. Для современных компактных колориметров используют голографические решетки с большим количеством линий на 1 мм. Дифракционный спектр в рабочей части практически линеен. Нелинейность возникает в нерабочей части, на концах спектра.

Спектроколориметры имеют то же строение, что и спектрофотометры, но в них добавлен блок обработки результатов измерения (процессор). В памяти процессора могут содержаться данные о нескольких источниках света, расчеты могут также выполняться для различных наблюдателей CIE 1931 г. и CIE 1964 г. и т.д.

Применение очень малых, но изготовленных с большой точностью и с высокой линейной дисперсией дифракционных решеток на базе лазерной голографии, использование фотодиодных линеек позволили создать компактные спектроколориметры, не содержащие движущихся частей. Такие приборы позволяют за доли секунды производить расчеты цветовых координат с шагом по спектру от 1 до 20 нм.

В полиграфии применяют спектроколориметры компактные или соединенные с персональным компьютером.

Колориметры бывают двух видов: визуальные и фотоэлектрические (иногда их компактную модификацию называют колориметры-денситометры, особенно если встроена функция денситометрических измерений).

Визуальные колориметры рассматривались в разделе колориметрических систем, в основном используются для физиологических измерений в колориметрии.

Фотоэлектрические колориметры бывают двух типов: спектрально несогласованные и спектрально согласованные.

Спектрально несогласованные колориметры измеряют координаты цвета непосредственно по количествам основных цветов в смеси. Такая смесь должна иметь цвет, тождественный измеряемому, а не соответствовать по спектральному составу отраженному от образца излучению. Такой подход отличает спектрально несогласованные колориметры от всех остальных спектроколориметрических приборов.

Спектрально согласованные фотоэлектрические колориметры измеряют цвет по спектральному составу излучения, но в отличие от спектрофотометрических измерений оценка спектрального состава излучения происходит интегрально, как в денситометрах. В результате измерений сразу получаются значения координат цвета. Операция согласования заключается в воспроизведении кривых сложения при помощи корригирующих светофильтров или теневых масок. Обычно воспроизводят кривые сложения системы CIEXYZ.

Светофильтры изменяют актиничность излучениия за счет его избирательного поглощения. Полностью воспроизвести кривые сложения трудно, особенно это касается двугорбой кривой х, поэтому используют не три, а четыре светофильтра. Измерения за светофильтрами требуют перемещающихся деталей или четырех приемников излучения и соответствующей оптической системы для ускорения процесса измерения.

Применение "теневой маски" возможно только в случае разложения света в спектр. Маска физически ограничивает интенсивности пропускаемых ею монохроматических излучений в соответствии с высотами выреза, т.е. изменяет соотношение лучей в спектре за счет физического перекрытия части лучей из общего потока. Это должно происходить до интегрирующего устройства, например интегрирующего шара.

Измерение при помощи спектрально согласованного колориметра производят сразу в трех каналах либо, в одном, но с заменой светофильтров. В колориметре с тремя (четырьмя) каналами возможна схема измерения без перемещения деталей. В колориметре с одним каналом необходим поворачивающийся диск с набором светофильтров. Это замедляет процесс измерения.

Получение цветной репродукции, которая бы точно передавала все цвета и яркости оригинала, является чрезвычайно трудной задачей. В большинстве случаев она является технически непреодолимой. Однако современные способы воспроизведения цветных объектов (фотография, полиграфия и т.д.) такую задачу и не ставят. Главная цель при создании цветной репродукции - чтобы она воспринималась человеком так же, как и оригинал (т.е. должна соблюдаться физиологическая и психологическая точность).

Согласно трехкомпонентной теории зрения, деталь любого цветного объекта можно выразить мощностью основных (красного, зеленого и синего). Это позволяет свести задачу получения цветной репродукции к получению соотношения мощностей красного, зеленого и синего потоков, отраженных от каждой точки цветной репродукции, такого же, как от соответствующих точек оригинала. Чем ближе это соответствие, тем больше репродукция соответствует оригиналу.

В основу технических способов воспроизведения цветного изображения положены три стадии:

- цветоделение (аналитическая стадия);

- градационная стадия;

- цветовой синтез.

Такое разделение можно считать классическим. В настоящее время очень часто аналитическая и градационная стадии практически становятся неразделимыми (например, в цифровой печати).

Трехстадийность характерна не только для воспроизведения цвета, но и для его восприятия. Рассмотрим сущность этих стадий.

Аналитическая стадия. Световой поток от рассматриваемого объекта попадает в глаз и создает на сетчатке оптическое изображение. Так как в сетчатке имеется три вида колбочек с различной спектральной чувствительностью, в каждой точке изображения происходит разделение светового пучка. Такой процесс называется цветоделительным и составляет аналитическую стадию.

При воспроизведении цвета аналитическая стадия включает в себя технологические операции, которые сводятся к регистрации распределения мощности излучений зональных световых потоков (красных, зеленых и синих) по площади оригинала. Например, в цветной фотографии на многослойных материалах процесс цветоделения заключается в том, что многоцветное изображение оригинала оптически разделяется тремя слоями, имеющими различную спектральную чувствительность, натри цветоделенных изображения - синее, зеленое и красное. Аналитическая стадия в этом случае зависит от спектральной чувствительности слоев пленки.

В полиграфии, в классическом виде, аналитическая стадия состоит в выделении составляющих всех цветов, отраженных от оригинала в виде зональных световых потоков. Выделенные составляющие образуют соответственно красное, зеленое и синее цветоделенные оптические изображения, которые затем регистрируются, например, на фотографическом материале.

Градационная стадия. В процессе восприятия цветного объекта степень возбуждения колбочек (и палочек) различна. Она зависит от яркости (светлоты) деталей наблюдаемого объекта. Регистрация цветоощущающими рецепторами этого различия и составляет градационную стадию.

При воспроизведении цветных объектов градационная стадия заключается в образовании однокрасочных, так называемых частичных изображений. Причем частичные изображения должны иметь цвет, дополнительный к выделяемой составляющей на аналитической стадии. Пути образования таких изображений зависят от техники воспроизведения.

В цветной фотографии эта стадия заключается в преобразовании скрытых фотографических изображений в однокрасочные - желтое, пурпурное и голубое. Этот процесс осуществляется в результате химико-фотографической обработки цветного фотоматериала. Градационная стадия процесса здесь зависит от градационных и фотографических свойств фотоматериала, а также от режимов экспонирования и химико-фотографической обработки.

В классической полиграфии эта стадия включает в себя все преобразования, от получения негативов (диапозитивов) до изготовления печатных форм для каждой выделяемой краски. Сюда входят процессы, связанные с преобразованием негативов в позитивные изображения, растрирование, копирование и т.д.

Независимо от техники цветовоспроизведения все частичные изображения, получаемые на градационной стадии, должны быть согласованы. Это в первую очередь относится к контрастности. При несоблюдении одинаковой контрастности частичных изображений на полученной репродукции возможно получение искажений. В этом случае света и тени изображений могут иметь различные оттенки цветов, например света - синеватые, а тени - красноватые.

О согласовании частичных изображений судят по балансу цветов. Его оценивают по характеру воспроизведения серой шкалы, воспроизводимой вместе с оригиналом. Полученная наложением всех трех красок (красителей) субтрактивного синтеза она должна остаться серой на полученном изображении. В этом случае считается, что баланс достигнут.

Синтез цвета. Синтез цвета - это основная часть процесса цветовосприятия и цветовоспроизведения.

При восприятии цвета, в зависимости от степени возбуждения цветоощущающих рецепторов, в мозгу человека возникает ощущение синего, зеленого и красного цветов различной интенсивности. При сложении эти ощущения суммарно дают ощущение нового цвета. Именно эти ощущения ассоциируются в мозгу человека с цветом рассматриваемого объекта.

В полиграфии на этой стадии с трех (четырех) отдельных печатных форм, предназначенных для желтой, пурпурной и голубой красок, при наложении получают совмещенное цветное изображение - репродукцию.

В предыдущем разделе были рассмотрены общие принципы воспроизведения цветного оригинала (основные стадии процесса цветовоспроизведения). На каждой из рассмотренных стадий возможно возникновение причин, приводящих к искажению результатов цветовоспроизведения. Кроме того, трудности, возникающие в процессе воспроизведения цвета, связаны также со свойствами красок (красителей), их диффузией, растрированием в полиграфии и т.д.

Учитывать все эти факторы довольно сложно, хотя в настоящее время в этой области и достигнуты определенные успехи. Тем не менее в 30-х годах ХХ века Н.Д. Нюбергом был предложен метод, позволяющий упростить ряд задач в этой области. Meтод основан на положении, что метамерные цвета при использовании источника с непрерывным спектром излучения и зональных цветоделительных светофильтров при фотографировании дают одинаковые оптические плотности. Поэтому цветовоспроизведение таких объектов дает близкие результаты. Другими словами, характер воспроизведения цвета несамосветящихся объектов не зависит от его природы, и чернильное красное пятно, и красная шляпка гриба или красная грудка снегиря, имеющие одинаковые цветовые координаты, будут воспроизводиться одинаково, т.е. все эти метамерные цвета не только не различимы зрительно, но и должны воспроизводиться одинаково.

Отсюда следует важный вывод, что красочные слои, наложенные друг на друга в определенных количествах, будут воспроизводиться так же, как и объект того же цвета в тех же технологических условиях и теми же материалами. Это позволяет изучать процесс цветовоспроизведения не на множестве различных объектов, а на одном, представляющем собой красочные наложения, взятые в различных количествах и содержащие все цвета, входящие в цветовой охват данной триады красок. Объект воспроизведения, представляющий собой систему наложения красок и заменяющий произвольный при контроле процесса, называется оригиналом-дубликатом. Наиболее распространенными оригиналами-дубликатами являются система красочных клиньев и шкала охвата. С их помощью можно контролировать процесс цветовоспроизведения на всем пути воспроизведения цветного оригинала и вносить, в случае необходимости, необходимые коррективы. Подробнее эти вопросы рассматриваются в других курсах.

Рассмотрим процесс цветовоспроизведения на примере цветной фотографии.

В цветной фотографии широко используются негативные и позитивные процессы для получения изображений на прозрачной и непрозрачной основе.

В основе современной цветной фотографии лежат способы получения изображения на многослойных материалах (эти способы известны в различных вариантах. В данном разделе будут рассмотрены процессы в их основном, классическом варианте).

Большинство цветных фотографических материалов имеет сложное строение и представляет собой многослойную структуру, состоящую из нескольких светочувствительных слоев. В состав этих слоев вводят специальные органические соединения-цветные компоненты, которые в процессе химико-фотографической обработки превращаются в соответствующие красители.

В простейшем варианте цветной фотоматериал состоит из трех слоев, чувствительных к различным зонам спектра. На каждом из этих слоев регистрируется количество излучения одной из трех зон спектра: синей, зеленой, красной. Однако краситель, образующийся в этих слоях, имеет цвет, дополнительный к воспринимаемому слоем излучению. Количество образовавшегося в слое красителя зависит от экспозиции. Чем сильнее засвечены те или иные участки слоя, тем больше в нем будет образовываться соответствующего красителя.

На рис. 7.7 Рис. 7.7. Строение цветного фотографического материала: 1 - синечувствительный слой; 2 - желтый фильтровый слой; 3 - зеленочувствительный слой; 4 - красночувствительный слой; 5 - подложка с противоореольным слоем представлена упрощенная схема строения цветного фотоматериала. Эта схема является общей как для цветных негативных фотоматериалов, так и цветных фотоматериалов с обращением. Верхний слой 1 является несенсибилизированным. Поэтому он чувствителен только к лучам синей зоны спектра. В этом слое образуется желтый краситель. Между синечувствительным 1 и зеленочувствительным 3 слоями находится желтый фильтровый слой 2. Этот слой поглощает проходящие синие лучи и не пропускает их к расположенным ниже зелено- и красночувствительным слоям. В эмульсионном слое 3, который чувствителен к зеленым излучениям, образуется пурпурный краситель. И наконец, слой 4, чувствительный к красному излучению, расположен ближе к подложке. В нем образуется голубой краситель. Все цветные фотоматериалы на пленочной основе имеют противоореольный слой.

Рассмотрим схему получения изображения на цветном негативном материале (рис. 7.8 Рис. 7.8. Схема образования цветного изображения в цветных фотографических материалах). С оригинала, выполненного в виде полей желтого, пурпурного, голубого и черного цветов, экспонируется цветная негативная фотопленка. Желтое излучение, состоящее из зеленых и красных лучей, падая на светочувствительные слои цветной фотопленки, не оказывает никакого воздействия на верхний слой. Этот слой чувствителен к синим лучам, а их поглотила желтая окраска оригинала. В слоях, чувствительных к зеленым и красным лучам, будут образовываться (после соответствующей обработки) соответственно пурпурный и голубой красители. Поэтому на негативе это поле будет иметь синий цвет.

Лучи от пурпурного поля оригинала действуют на синечувствительный слой с образованием в нем желтого красителя, на красночувствительный слой - с образованием в нем голубого красителя. В зеленочувствительном слое пурпурный краситель не образуется, так как зеленые лучи поглотились пурпурным полем оригинала. На негативе в этом случае получается поле зеленого цвета, образованное желтым и голубым красителями. При действии голубого излучения от соответствующего поля оригинала красители будут образовываться только в первых двух слоях (это желтый и пурпурный). На негативе это поле будет красного цвета. Черное поле оригинала поглощает все видимое излучение и поэтому красители не будут образовываться ни в каких слоях. В результате на негативе поле будет прозрачным.

Химико-фотографическая обработка негативных цветных фотоматериалов состоит из следующих этапов.

1. Цветное проявление - приводит к образованию в каждом слое черно-белого изображения из восстановленного серебра и соответствующего цветного изображения из красителя.

2. Отбеливание - перевод образовавшегося металлического серебра в комплексную соль.

3. Фиксирование - удаление из слоев непрореагировавшего серебра и комплексных солей, образовавшихся при отбеливании.

Практические аспекты применения цвета

Между всеми операциями и в заключение проводится промывка.

В результате на негативе будут получены поля, имеющие цвет, дополнительный к соответствующему цвету поля оригинала (см. рис. 7.8): желтому - синий, пурпурному - зеленый, голубому - красный. С полученного таким образом цветного негатива на фотобумаге получают позитивное изображение оригинала. Цвета на позитивном изображении будут дополнительными по отношению к цветам негатива. Такой процесс называется негативно-позитивным.

Обращаемая цветная фотопленка облегчает изготовление позитивного изображения. Структура этой цветной фотопленки в принципе такая же, что и для цветного негативного фотоматериала, но процесс химико-фотографической обработки здесь сложнее. На рис. 7.8 показан постадийный процесс получения позитивного изображения на цветном фотографическом материале с обращением.

В результате фотографической съемки в слоях, чувствительных к различным излучениям, образуется скрытое изображение. В процессе черно-белого проявления оно превращается в черно-белое негативное изображение, состоящее из атомарного серебра без красителей. После проведения сплошной засветки проявленной фотопленки оставшийся в светочувствительных слоях непроявленный галогенид серебра становится способным к проявлению. В процессе цветного проявления в местах, подвергшихся сплошной засветке, галогенид серебра восстанавливается до атомарного с образованием в разных слоях соответствующих красителей. После отбеливания и фиксирования серебро, находившееся в фотоматериале, растворяется и удаляется при промывании. Оставшийся краситель образует цветное позитивное изображение оригинала (см. рис. 7.8).

Контроль качества воспроизведения цвета в цветной фотографии

Качество (точность) цветопередачи при воспроизведении цветных оригиналов является одной из основных характеристик в цветной фотографии. Однако точного воспроизведения на фотографии цветов объекта добиться практически невозможно из-за возникающих искажений на всех стадиях цветофотогра-фического процесса.

Одними из основных являются цветоделительные искажения. Они возникают из-за невозможности создания цветного фотоматериала с идеальным распределением спектральной чувствительности отдельных слоев, а также отсутствия идеальных красителей.

Каждый из красителей, формирующих цветное изображение, должен в идеальном случае поглощать строго в одной зоне спектра. Однако используемые в цветной фотографии красители имеют поглощение не только в зонах управления, но и в соседних зонах (рис. 7.9 Рис. 7.9. Кривые спектрального поглощения красителей у цветной (негативной) фотопленки: 1 - желтый краситель; 2 - пурпурный; 3 - голубой). Это приводит к потере насыщенности и светлоты воспроизводимых цветов. Следствием этого является уменьшение цветового охвата фотоматериалов. Поэтому многие цвета оригинала не могут быть точно воспроизведены цветными фотоматериалами.

Для определения степени искажения проводят цветоделительные испытания. Оценку полученных результатов осуществляют методом удельных эффективных плотностей или методом соотношения вредных и полезных плотностей.

Определение удельных эффективных плотностей основано на съемке специальных тест-объектов, представляющих собой три таблицы цветового охвата. Каждая из таблиц имеет переменное значение для одного красителя и постоянное - для двух других.

После съемки и химико-фотографической обработки измеряют оптические плотности фотографического изображения тест-объекта и расчетным способом находят цветоделительные характеристики фотоматериала. Хотя этот метод и позволяет достаточно точно определить искажения цветопередачи, но он сложный и трудоемкий.

Метод соотношения вредных и полезных плотностей нашел большее применение на практике. Сущность этого метода состоит в определении отношений приращений эффективных плотностей в зонах с полезным поглощением красителя к соответствующим приращениям эффективных плотностей в зонах вредных поглощений.

Практически это выглядит следующим образом. На цветной фотоматериал через зональные светофильтры (синий, зеленый, красный) экспонируется сенситометрический клин. После химико-фотографической обработки получают три сенситограммы из желтого, пурпурного и голубого красителя. Для каждого поля измеряют оптические плотности за синим, зеленым и красным светофильтрами и строят графики зависимости плотностей вредных поглощений <?xml version="1.0"?>
от плотности полезных поглощений <?xml version="1.0"?>
(рис. 7.10 Рис. 7.10. Графики зависимости эффективных плотностей в зонах вредных поглощений красителя от соответствующих плотностей в зонах полезного поглощения красителей: 1 - для желтого красителя; 2 - для пурпурного красителя; 3 - для голубого красителя). Для желтого красителя полезное поглощение - в синей зоне, а вредные - в зеленой и красной, для пурпурного - полезное в зеленой, а вредное - в синей и красной, для голубого - полезное в красной, а вредное - в синей и зеленой.

В идеальном случае (для идеальных красителей) график <?xml version="1.0"?>
- прямая линия, совпадающая с осью абсцисс. У реальных красителей прямая идет под углом к оси <?xml version="1.0"?>
. Чем больше угол, тем больше плотность вредного поглощения в данной зоне.

Цветоделительные характеристики выражают через тангенс угла наклона прямой на графике <?xml version="1.0"?>
(см. рис. 7.10) и обозначают коэффициентами <?xml version="1.0"?>
где верхний индекс (ж, п, г) - цвет сенситограммы, а нижний (к, з, с) - зона вредного поглощения.

Результаты испытаний представляют в виде матрицы. По диагонали расположены условные коэффициенты полезного поглощения <?xml version="1.0"?>
которые принимают равными 1:

<?xml version="1.0"?>

© Центр дистанционного образования МГУП