Ing. Ondrej Panák, Katedra polygrafie a fotofyziky, Fakulta chemicko-technologická, Univerzita Pardubice

Transkript

1 1 ěřní barvnosti studijní matriál Ing. Ondrj Panák, Katdra polygrafi a fotofyziky, Fakulta chmicko-tchnologická, Univrzita Pardubic Úvod Abychom mohli či už subjktivně nbo objktivně vyhodnocovat barvnost objktů, j za potřbí k tomu dfinovat tři lmnty, a to j zdroj světla, pozorovaný objkt a pozorovatl (viz Obr. 1). Každý světlný zdroj vyzařuj v viditlné oblasti na každé vlnové délc v různé intnzitě, a tdy světlo různých zdrojů má jinou barvnost. Toto světlo dopadá na objkty, a v závislosti na vlastnostch matriálu s v něm různě toto světlo pohlcuj, rspktiv odráží. Světlo odražné od objktu násldně dopadá na fotorcptory lidského oka. V závislosti na spktrálním složní zářní dopadajícího na tyto fotorcptory j pak signál po xcitaci fotorcptorů dál zpracován v dalších buňkách sítnic. Lidský mozk po vyhodnocní signálu intrprtuj vjm barvy. zdroj světla pozorovatl objkt Obr. 1: Tři lmnty barvného vidění K objktivnímu popisu barv využívám kolorimtrii. Kolorimtri s snaží barvu popsat pomocí jistých spojitých funkcí/paramtrů, ktré pak můžm vzájmné porovnávat. K tomu, abychom mohli barvy objktivně vyhodnocovat, potřbujm objkt, zdroj světla i pozorovatl dfinovat. Objkt Začněm tdy njdřív s tím, jak dfinovat objkt. Bílé světlo j složno z světl s vlnovými délkami od přibližně 380 do 750 nm. Světlo z světlného zdroj dopadá na objkt. V objktu s nějaké složky pohltí (tím pádm s méně odráží), a jiné složky s zas npohltí (odráží s víc). y chcm zjistit, jak intnzivně na ktré vlnové délc λ objkt odráží. Dopadající světlo charaktrizujm intnzitou světla na každé vlnové délc I 0 (λ). Tdy například I 0 (450) j intnzita dopadajícího světla pro vlnovou délku 450 nm. Světlo odražné od objktu pak bud mít intnzitu I(λ). Když dám do poměru intnzitu světla odražného od objktu k intnzitě světla dopadajícího na objkt, dostanm paramtr rflktanc R(λ): I 0 I R (1)

2 2 Rflktanc nám tdy vyjadřuj, jak moc objkt světlo o dané vlnové délc odráží. Když tnto paramtr zjistím pro všchny vlnové délky v intrvalu přibližně nm, tak tím získám rflxní spktrum charaktrizující objkt, jak j znázorněno v Obr. 2. Obr. 2: Rflxní spktrum modrého vzorku K naměřní rflxního spktra s využívá rflxní spktrofotomtr, jhož obcné schéma j uvdno v Obr. 3. Abychom zjistili jaké j intnzita odražného světla pro I(λ) pro jdnotlivé vlnové délky, musím světlo rozložit pomocí difrakční mřížky. Posléz pak takto rozložné světlo dopadá na řadu fotodtktorů, ktré promění světlo na lktrický signál. Intnzitu dopadajícího světla I 0 (λ) získám tak, ž njdřív s změří dokonal bílá plocha, ktrá žádné světlo npohlcuj. Proto přd započtím měřní j nutné přístroj kalibrovat na absolutní bílou. Přístroj pak dá do poměru intnzitu odražného světla od měřného objktu s intnzitou dopadajícího světla, udělá tak pro všchny vlnové délky a získá tak rflxní spktrum. řada fotodtktorů difrakční mřížka zrcátko I(λ) zdroj světla I 0 (λ) měřný vzork Obr. 3: Obcné schéma spktrofotomtru U ručních spktrofotomtrů j difrakční mřížka fixní, a j v něm řada fotodtktorů, kd jdn fotodtktor odpovídá pro jdn intrval vlnových délk, co j povětšinou u těchto přístrojů 10 nm. Kvalitnější stolní laboratorní spktrofotomtry mají jdn fotodtktor a difrakční mřížka j otočná. S tímto uspořádáním j možné nastavit citlivost intrvalu na jdnotky nanomtrů. Pro kolorimtrické vyhodnocní j dostačující intrval 10 nm. Zdrojm světla bývá u ručních spktromtrů halognová výbojka nbo LED světlné zdroj. U stolních s často využívá i xnonových výbojk.

3 3 Pro měřní odrazových přdloh jsou konstruovány v principu 4 druhy gomtrií (viz Obr. 4). Gomtri měřní vyjadřuj uspořádání měřící soustavy, tdy pod jakým úhlm dopadá světlo a pod jakým úhlm toto světlo snímám. Kromě absorpčních vlastností daného objktu zálží i na struktuř povrchu objktu. Povrch ovlivňuj měřní barvnosti a pro matný, lsklý nbo jinak txturovaný objkt můžm získat rozdílné hodnoty, protož různý povrch můž odrážt dopadající zářní do různých směrů. Gomtri měřní rozdělujm na: 45/0, 0/45, 8/d a d/8. První číslo určuj, pod jakým úhlm světlo dopadá, druhé číslo, pod jakým s odráží. Označní d znamná difuzní osvětlní. U prvních dvou mtod s vždy snímá paprsk, ktrý j mimo přímý odraz. U gomtrií s intgrační koulí j objkt osvětln buď z všch stran, nbo j z všch stran odrazu přivdn signál do dtktoru. Tím j měřní do jisté míry nzávislé na struktuř povrchu. Tyto dvě mtody umožňují zahrnout složku z přímého odrazu (spcular includd), nbo nzahrnout složku z přímého odrazu (spcular xcludd). V spktrofotomtru s to děj tak, ž do prostoru s přímým odrazm s vloží bílá (includd) nbo črná (xcludd) záklopka. Nzahrnout přímí odraz do vyhodnocování barvnosti s doporučuj o vysoc lsklých objktch, kd j přímý doraz njvětší. Obr. 4: Gomtri měřní

4 4 Zdroj světla Pro kolorimtrické vyhodnocování s používají tablované hodnoty standardizovaných zdrojů. zinárodní komis pro osvětlní CIE (Commission intrnational d l'éclairag) dfinovala několik standardizovaných zdrojů. Každý z světlných zdrojů j charaktrizován paramtrm spktrální intnzita vyzařování (λ). Ta nám v podstatě říká, jak ktrý zdroj vyzařuj na ktré vlnové délc. Pro dnní osvětlní jsou to zdroj D50, D65,a D75. Číslo určuj takzvanou tplotu chromatičnosti. Paramtr vyjadřuj tplotu absolutně črného tělsa, ktrého spktrální intnzita vyzařování poskytn stjnou barvnost, jako spktrální intnzita vyzařování zdroj daného zářní. Znamná to, ž zdroj D50 má takovou barvnost, jako absolutně črné tělso zahřáté na 5000 Klvinů. Zdroj zářní D65 s nám bud zdát víc bílý nž zdroj zářní D50, a j to kvůli tomu, ž vyzařuj víc v modré oblasti viditlného zářní. Standardizované jsou také i jiné zdroj, například žárovka (A), nbo zářivky (F). Příklady spktrálních intnzit vyzařování jsou uvdny v Obr. 5. Obr. 5: Spktrální intnzita vyzařování různých světlných zdrojů Když si na spktrofotomtru nastavít, ž chct měřit s zdrojm světla D50, znamná to, ž do výpočtů kolorimtrických paramtrů s dosadí tablované hodnoty standardizovaného zdroj. Nznamná to, ž v přístroji skutčně svítít zdrojm D50. V ručním přístroji mát pořád jako zdroj halognovou žárovku nbo LED diody. Torticky by naměřný paramtr R(λ) nměl závist na duhu skutčného zdroj, protož poměr odražného světla k dopadajícímu j konstantní. Jstli při dané vlnové délc dopadá méně světla, tak s i proporčně méně odráží. Pozorovatl Vjm barvy vzniká až analýzou jistých podnětů v našm mozku. Těmi podněty jsou signály z fotorcptorů, ktré jsou stimulovány dopadajícím světlm. V oku mám čtyři druhy fotorcptorů. Fotorcptory nazývané tyčinky jsou odpovědné za vnímání jasu při nízký intnzitách osvětlní a v podstatě vidí črnobíl. Dál mám v oku tři druhy čípků ρ, γ, β; citlivé na črvnou, zlnou a modrou oblast viditlného zářní. Fotorcptory jsou na naší sítnici rozložny tak, ž njvětší koncntrac čípků j v cntrální části sítnic nazývané fova. Njsou tam žádné tyčinky. Tato oblast j odpovědná za njlpší vjm barv a dtailů. S zvětšující s vzdálností od této cntrální části prudc klsá počt čípků a postupně vzrůstá zastoupní tyčink. Komis CIE dfinovala dva standardizované pozorovatl: dvoustupňového (2 ) a dstistupňového (10 ), každého pomocí tří funkcí, ktré jsou nazývány trichromatičtí člnitlé x, y, z (viz Obr. 6). Tyto funkc vyjadřují citlivost pozorovatl a byly získány xprimntálně.

5 5 Dvoustupňový pozorovatl byl získán tak, ž pozorovatlé měli pomoci tří světl (črvné, zlné a modré) namíchat takou barvu, ktrá by byla v shodě s barvou monochromatického světla o určité vlnové délc. Exprimnt byl provdn tak, ž obraz dopadal jn na cntrální část sítnic a uplatňovaly s proto při xprimntu jnom čípky. Dstistupňový pozorovatl byl obdobný xprimnt, al obraz dopadal na sítnici pozorovatlů i na oblast, kd už s vyskytovaly už i tyčinky. Hodnoty těchto trichromatických člnitlů jsou hodnoty tablované a j potřbné určit, ktré s pro výpočt kolorimtrických paramtrů využijí. Obr. 5: Trichromatičtí člnitlé 2 (plné čáry) a 10 (čárkovaně) pozorovatl. Kolorimtrické paramtry Když už mám dfinovaný objkt pomocí rflxního spktra R(λ), spktrální intnzitu vyzařování zdroj (λ) a dfinujm pozorovatl pomocí trichromatických člnitlů x, y, z, tak j na řadě výpočt kolorimtrických paramtrů. Njdřív s vypočítají trichromatické hodnoty XYZ pomocí rovnic: X k Y k Z k k R x R y R z 100 y Tyto rovnic nám v podstatě říkají, jakou vlkou odzvu v pozorovatli způsobí světlo odražné od objktu. Tyto paramtry jsou pak pomocí složitějších funkcí přvdny na souřadnic barvového prostoru CIE L * a * b *. Kd paramtr L * j paramtr měrné světlosti (určuj, jstli s jdná o barvu světlou nbo tmavou), na os a * s nachází barvy od zlné po črvnou a na os b * jsou barvy od modré pro žlutou. V Obrázku 6a j prostor L * a * b * znázorněn. Všm barvám, ktré jsm tdy schopni jako pozorovatlé vnímat, jsm schopni přiradit konkrétní souřadnic v tomto prostoru. Jstli chcm porovnat dvě barvy, můžm tak učinit vypočtním vzdálnosti v tomto prostoru. Tato vzdálnost s nazývá barvová odchylka ΔE a můžm ji vypočíst pomocí rovnic: * 2 * 2 * L a b 2 * E ab (3) (2)

6 6 Z souřadnic a * a b * j možné vypočíst další atributy barv, a to chromu a odstín. Chroma C * vyjadřuj pstrost barvy, a zvětšuj s s vzdálnosti od osy L *. Odstín h * j určný úhlm. Na Obr. 6b jsou barvy znázorněné přrušovanou čárou barvy s konstantní chromou a měnícím s odstínm, a barvy znázorněné plnou čárou jsou barvy s stjným odstínm, al různou chromou. a) b) Obr. 6: Zobrazní barvového prostoru L * a * b * z prspktivy (a) a zobrazní prostoru v průřzu (b). Jaký standardizovaný zdroj světla využít pro výpočt kolorimtrických paramtrů j stanovný většinou nějakou normou. Například pro účly měřní barvnosti v polygrafii s využívá standardní zdroj světla D50 a 2 pozorovatl. Kolorimtrické paramtry, ktré jsou vypočtny pro jdn zdroj světla a jdnoho pozorovatl nmůžm porovnávat s paramtry, ktré byly vypočtny pro jiný zdroj světla nbo jiného pozorovatl. ůžm porovnávat jnom kolorimtrické paramtry (XYZ, L * a * b * ) vypočtny pomocí téhož zdroj a zárovň téhož pozorovatl! Použitá litratura GREEN, Phil, ACDONALD Lindsay. Colour nginring: achiving dvic indpndnt colour. Rrpintd with corrctions. Chichstr: Wily, 2003, ISBN HUNT, R.W.G. asuring colour: fundamntals and applications. 3rd d. Kingston-upon-Thams: Fountain, 1998, ISBN OHTA, Noboru a ROBERTSON, Alan. Colorimtry: fundamntals and applications. Chichstr, Wst Sussx: J. Wily, 2005, ISBN