На первый взгляд белый может показаться простым, единственным цветом. Однако белый свет на самом деле состоит из всех цветов видимого спектра. Так что, говоря техническими терминами, существует бесконечное количество цветов, составляющих белый свет. Человеческий глаз видит белый цвет, когда он воспринимает все длины волн видимого света одинаково. В этой статье мы рассмотрим науку, лежащую в основе создания белого света, и сколько цветов в конечном итоге составляют белый цвет.
В 1666 году Исаак Ньютон продемонстрировал, что белый свет состоит из всех цветов радуги, пропустив луч солнечного света через призму. Это разделило свет на видимый спектр с длинами волн от фиолетового до красного. Когда эти составляющие цвета объединяются, получается белый свет.
Это происходит потому, что белый свет состоит из непрерывного спектра длин волн в видимом диапазоне примерно от 400 до 700 нанометров. Каждая длина волны соответствует определенному цвету. Более короткие длины волн — это фиолетовые и синие оттенки, в то время как более длинные волны кажутся более оранжевыми и красными. Наши глаза распознают эти длины волн как отдельные цвета.
| Длина волны (нм) | Цвет |
|---|---|
| 400-450 | Фиолетовый |
| 450-495 | Синий |
| 495-570 | Зеленый |
| 570-590 | Желтый |
| 590-620 | Оранжевый |
| 620-700 | Красный |
Когда все эти длины волн одновременно попадают в наш глаз с примерно одинаковой интенсивностью, наша зрительная система воспринимает комбинацию как белый цвет.
Согласно трихроматической теории цветового зрения, наши глаза содержат три типа цветовых рецепторов, называемых колбочками. Есть колбочки, чувствительные к красному, зеленому и синему свету. Объединяя входные данные от всех трех типов колбочек, глаз может воспринимать весь спектр видимых цветов.
Белый цвет виден, когда красные, зеленые и синие колбочки стимулируются примерно одинаково. Это равнозначно восприятию примерно равных частей всех видимых длин волн света.
Причина, по которой мы видим белый цвет, когда все типы колбочек активируются одинаково, заключается в смешении цветов. Красный, зеленый и синий являются основными аддитивными цветами. Смешивание равных количеств основных цветов дает белый свет. Вот почему сочетание красного, зеленого и синего света создает белое освещение.
Компьютерные мониторы и телевизоры используют этот факт и создают цветные изображения, комбинируя переменную интенсивность красного, зеленого и синего света. Когда интенсивность всех трех основных цветов установлена на максимальное значение, экран отображает белый цвет.
С физической точки зрения белый свет состоит из бесконечного количества длин волн по всему видимому спектру. Однако человеческая зрительная система имеет ограничения в восприятии цвета, определяемые биологией глаза.
Исследования показывают, что среднестатистический человек может воспринимать около миллиона различных цветов. Это намного меньше, чем по сути безграничные спектральные комбинации, содержащиеся в белом свете.
Цветовое различение ограничено плотностью колбочек в сетчатке и перекрытием чувствительности между различными типами колбочек. Мы не можем различать очень тонкие градации между похожими длинами волн.
Но даже если мы не можем видеть все нюансы, белый свет все равно включает в себя полный видимый спектр. Множество длин волн смешиваются, создавая единообразный белый цвет, который мы воспринимаем.
Существуют наборы основных цветов, помимо красного, зеленого и синего, которые могут смешиваться, создавая белый свет. В теории цвета любые три основных оттенка, которые не слишком тесно связаны и которые объединяются, чтобы создать белый цвет, могут образовывать аддитивную систему основных цветов.
Некоторые примеры основных триад, которые дают белый цвет, включают:
Печатники и художники используют основные цвета голубого, пурпурного и желтого для создания цветных изображений. Смешивание пигментов, красок или чернил этих трех цветов вместе наносит равное количество основных цветов на бумагу или холст и поглощает все длины волн света, чтобы получить белый цвет.
Экраны компьютеров и телевизоров используют красный, зеленый и синий для создания цвета, потому что они полагаются на смешивание цветного света, а не пигментов. Но любой набор основных цветов, которые сбалансированы и охватывают достаточную часть спектра, может дать белый цвет посредством аддитивного смешения.
Как мы видели, белый свет охватывает весь диапазон видимых длин волн. Видимый спектр, излучаемый солнцем или лампой накаливания, непрерывен, без промежутков между цветами. Этот непрерывный спектр позволяет всем цветам достигать наших глаз и смешиваться с белым.
Однако не все источники белого света излучают полный спектр. Некоторые технологии, такие как люминесцентные или светодиодные лампы, имеют спектр излучения, состоящий из дискретных всплесков на определенных длинах волн, а не из плавного континуума.
Но шипы предназначены для стимуляции наших красных, зеленых и синих цветовых рецепторов в равной пропорции. Хотя эти многопиковые спектры прерывисты, они все равно кажутся нам белыми, потому что они производят тот же комбинированный ответ колбочек, что и непрерывный спектр.
Мы воспринимаем белый цвет, когда наша зрительная система получает подходящую стимуляцию трех типов колбочек. Но иногда люди могут воспринимать белый цвет немного по-разному.
Восприятие цвета субъективно и зависит от таких факторов, как возраст, пол, условия окружающей среды и различия в анатомии глаза. Оптическая плотность и пиковая чувствительность фоторецепторов также меняются со временем.
Например, пожелтение хрусталика и изменения пигментов колбочек приводят к тому, что пожилые люди видят белый цвет слегка желтоватым. Различия в соотношении колбочек также могут привести к тому, что люди будут воспринимать белый цвет при несколько иных цветовых температурах.
Несмотря на эти эффекты, основные принципы смешивания цветов, лежащие в основе восприятия белого цвета, остаются прежними. Белый цвет всегда подразумевает сбалансированную, пропорциональную стимуляцию красных, зеленых и синих фоторецепторов глаза.
Белый свет содержит точный баланс компонентов цветов. Если одна длина волны начинает доминировать, свет примет сдвиг оттенка.
Например, тепло от свечи или лампочки исходит от сверхдлинных длин волн. Это делает спектр слегка оранжевым или красным. Холодный, голубовато-белый свет имеет большую интенсивность на более коротких фиолетовых и синих длинах волн.
Истинный белый цвет существует прямо в точке, где ни один цвет не подавляет другие. Пропорции длин волн должны быть равномерно распределены по всему спектру без серьезных дисбалансов.
Это равновесие - именно то, что позволяет равномерно стимулировать три класса колбочек глаза. Даже незначительные отклонения могут привести к видимым цветовым оттенкам и помешать полному объединению основных цветов, которое создает белый.
Существует два основных способа смешивания цветов: аддитивное и субтрактивное смешивание. Оба метода могут создавать белый цвет с помощью различных комбинаций основных цветов.
Аддитивное смешивание включает источники света. Объединение лучей цветного света добавляет длины волн для формирования новых оттенков. Красный, зеленый и синий свет, смешанные вместе, дают белый цвет с помощью аддитивного смешивания.
Экраны компьютеров, телевизоры и другие дисплеи создают изображения с помощью аддитивного смешивания цветов с их пикселями RGB. Аддитивные основные цвета яркие, светящиеся и пропускают свет.
Субтрактивное смешивание использует пигменты и красители. Чернила, краски и другие красители вычитают длины волн посредством избирательного поглощения. Голубой, пурпурный и желтый пигменты субтрактивно смешиваются для получения белого цвета.
Принтеры, картины и большинство физических объектов используют субтрактивную комбинацию цветов. Субтрактивные основные цвета темные, приглушенные и отраженные.
Но будь то аддитивная или субтрактивная, любая первичная система, которая полностью стимулирует красные, зеленые и синие колбочки, будет производить белый цвет через комбинированную реакцию наших зрительных рецепторов.
Когда мы видим белые объекты, это происходит потому, что они диффузно отражают и рассеивают все длины волн света одинаково во всех направлениях. Это равномерное широкополосное отражение обеспечивает сбалансированную стимуляцию глаза независимо от условий освещения.
Белизна возникает из-за широкого спектрального поглощения и обширного диффузного отражения. Идеально белая поверхность не поглощает свет и отражает все видимые длины волн изотропным, матовым образом. Это свойство позволяет белым материалам сохранять постоянный внешний вид при различных источниках освещения, тогда как цветные объекты меняют оттенок.
Бумага является примером сильно диффузного белого отражателя из-за пустот между волокнами, которые рассеивают свет. Другие белые материалы, такие как снег, соль, сахар и облака, обязаны своим внешним видом схожим микроскопическим рассеивающим структурам, которые делают их ненаправленно отражающими.
Существует две категории белого: ахроматический и спектральный. Оба содержат полный видимый спектр, но по-разному.
Ахроматический белый получается в результате одинаковой стимуляции красных, зеленых и синих колбочек. Он не зависит от какой-либо одной длины волны. Ахроматический белый — это «чистый» белый, о котором мы обычно думаем, и у него нет оттенка.
Спектральный белый содержит тонкие оттенки от чрезвычайно узкополосных основных цветов. Например, спектральный белый может сочетать длины волн 445 нм, 540 нм и 605 нм от лазеров с узкой шириной линии. Этот белый цвет не полностью ахроматичен, но сохраняет слабый остаточный оттенок.
Обычные источники белого света производят ахроматический белый цвет через свой непрерывный спектр. Лазеры и другие спектрально узкополосные технологии могут создавать почти белый спектральный свет, комбинируя три очень чистых основных цвета.
Белый цвет обычно встречается в природе по ряду физических и биологических причин. Вот несколько примеров:
Природа создала множество микроскопических структур, которые эффективно распространяют и распределяют видимый спектр, обеспечивая широкую, равномерную отражательную способность, дающую белый цвет. К ним относятся такие вещи, как пористые рассеивающие слои, отражающие кристаллы, волоконные сети и коллоидные суспензии.
В дополнение к естественным белым веществам, многие инженерные продукты также демонстрируют белизну за счет тщательной манипуляции структурой поверхности, добавками, покрытиями и пигментацией. Обычные белые материалы и продукты включают:
Ключом к достижению белизны обычно является включение нано- или микроструктур, которые делают материал ненаправленно отражающим и рассеивающим посредством механизмов Рэлея или Ми. Это обеспечивает равномерную матовую отражательную способность.
Существует несколько способов количественной оценки белого света и определения того, насколько он близок к идеальной ахроматической белизне:
Спектрофотометрия — измеряет мощность источника света на каждой длине волны. Выходной сигнал должен быть достаточно непрерывным и плоским по всему видимому спектру.
Цветность — отображает цвет на диаграммах координат x/y или u'/v'. Белый цвет имеет координаты около (0,33, 0,33). Отклонения указывают на цветовой оттенок.
Индекс цветопередачи (CRI) — сравнивает цветопередачу тестируемого и эталонного источников света. Более высокий CRI указывает на лучшую цветопередачу и качество белого.
Коррелированная цветовая температура (CCT) — описывает баланс белого с точки зрения температуры черного тела. Более низкий CCT теплее, более высокий — холоднее. Равная энергия при ~5000K является идеальной.
Используя такие стандарты, инженеры по освещению могут проектировать и оценивать источники белого света, чтобы гарантировать, что они обеспечивают яркое, равномерное, высококачественное белое освещение.
Высококачественный белый свет стал незаменимым в современной жизни благодаря таким областям применения, как:
От бытовой электроники до прецизионной оптики белый свет обеспечивает критически важную для цвета производительность. Тщательное внимание к сбалансированным спектрам делает возможным яркий, точный цвет во всех технологиях и средствах массовой информации.
Подводя итог, можно сказать, что белый свет охватывает весь диапазон видимых длин волн от 400 до 700 нм. Он равномерно стимулирует красные, зеленые и синие фоторецепторы глаза, так что ни один цвет не доминирует. Хотя мы можем различать только около миллиона различных цветов, спектр включает в себя по существу безграничные тонкие вариации, которые сливаются в однородный белый цвет. Разработанные материалы и покрытия могут имитировать естественную белизну с помощью рассеивающих структур, которые одинаково отражают все оттенки. Это увлекательное взаимодействие физики, биологии и восприятия объединяется, чтобы создать белый свет, фундаментальный для нашего зрения и технологий.