Солнечный свет в кельвинах. Цветовая температура

По нашим психологическим ощущениям цвета бывают тёплыми и горячими, бывают холодными и очень холодными. На самом деле все цвета горячие, очень горячие, ведь у каждого цвета есть своя температура и она очень высокая.

Испуская тепло

Любой предмет в окружающем нас мире имеет температуру, выше абсолютного нуля, а значит, испускает тепловое излучение. Даже лед, у которого отрицательная температура, является источником теплового излучения. В это трудно поверить, но это так. В природе температура -89 0 С не самая низкая, можно достичь ещё более низких температур, правда, пока что, в лабораторных условиях. Самая низкая температура, которая теоретически возможна в пределах нашей вселенной - это температура абсолютного нуля и она равна -273 0 С. Ниже быть не может. При такой температуре прекращается движение молекул вещества и тела полностью перестают испускать любое излучение (тепловое, ультрафиолетовое, а уж тем более видимое). Полная тьма, нет ни жизни, ни тепла. Возможно, кто-нибудь из вас знает, что цветовая температура измеряется в градусах Кельвина. Кто покупал себе домой энергосберегающие лампочки, тот видел надпись на упаковке: 2700К или 3500К или 4500К. Это как раз и есть цветовая температура светового излучения лампочки. Но почему измеряется в градусах Кельвина и что означает этот градус Кельвина? Эта единица измерения была предложена в 1848г. Ульямом Томсоном (он же лорд Кельвин) и официально утверждена в Международной Системе единиц. В физике и науках, имеющих непосредственное отношение к физике, температуру измеряют как раз в градусах Кельвина. Начало отчета температурной шкалы начинается с 0 градусов Кельвина , что означат -273 градуса Цельсия . То есть 0К - это и есть абсолютный нуль температуры . Можно легко перевести температуру из Цельсия в Кельвин. Для этого нужно просто прибавить число 273. Например, 0 о С это 273К, тогда 1 о С это 274К, по аналогии, температура тела человека 36,6 о С это 36,6 + 273 = 309,6К. Вот так всё просто получается.

Чернее чёрного

С чего всё начинается? Всё начинается с нуля, в том числе и световое излучение. Черный цвет - это отсутствие света вовсе. С точки зрения цвета, черный - это 0 интенсивности излучения, 0 насыщенности, 0 цветового тона (его просто нет), это полное отсутствие всех цветов вообще. Почему мы видим предмет черным, а потому, что он почти полностью поглощает весь падающий на него свет. Существует такое понятие как абсолютно черное тело . Абсолютно черным телом называют идеализированный объект, который поглощает всё падающее на него излучение и ничего не отражающее. Конечно же, в реальности это недостижимо и абсолютно черных тел в природе не существует. Даже те предметы, которые кажутся нам черными, на самом деле не абсолютно черные. Но можно изготовить модель почти что абсолютно черного тела. Модель представляет собой куб с полой структурой внутри, в кубе проделано небольшое отверстие, через которое внутрь куба проникают световые лучи. Конструкция чем-то похожа на скворечник. Посмотрите на рисунок 1.

Рисунок 1 - Модель абсолютно черного тела.

Свет, попадающий внутрь сквозь отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Даже если мы покрасим куб в черный цвет, отверстие будет чернее черного куба. Это отверстие и будет являться абсолютно черным телом . В прямом смысле слова, отверстие не является телом, а только лишь наглядно демонстрирует нам абсолютно черное тело.
Все объекты обладают тепловым излучением (пока их температура выше абсолютного нуля, то есть -273,15 градусов по Цельсию), но ни один объект не является идеальным тепловым излучателем. Одни объекты излучают тепло лучше, другие хуже, и всё это в зависимости от различных условий среды. Поэтому, применяют модель абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело является идеальным тепловым излучателем . Мы можем даже увидеть цвет абсолютно черного тела, если его нагреть, и цвет, который мы увидим , будет зависеть от того, до какой температуры мы нагреем абсолютно черное тело. Мы вплотную подошли к такому понятию как цветовая температура. Посмотрите на рисунок 2.

Рисунок 2 - Цвет абсолютно черного тела в зависимости от температуры нагревания.

а) Есть абсолютно черное тело, мы его не видим вообще. Температура 0 Кельвинов (-273 градуса Цельсия) - абсолютный нуль, полное отсутствие любого излучения.
б) Включаем «сверхмощное пламя» и начинаем нагревать наше абсолютно черное тело. Из-за того, что свет от пламени отражается от гладкой поверхности тела, мы можем увидеть форму предмета. Температура тела, посредством нагревания, повысилась до 273К.
в) Прошло ещё немного времени и мы уже видим слабое красное свечение абсолютно черного тела. Температура увеличилась до 800К (527 о С).
г) Температура поднялась до 1300К (1027 о С), тело приобрело ярко-красный цвет. Такой же цвет свечения вы можете увидеть при нагревании некоторых металлов.
д) Тело нагрелось до 2000К (1727 о С), что соответствует оранжевому цвету свечения. Такой же цвет имеют раскаленные угли в костре, некоторые металлы при нагревании, пламя свечи.
е) Температура уже 2500К (2227 о С). Свечение такой температуры приобретает желтый цвет. Трогать руками такое тело крайне опасно!
ж) Белый цвет - 5500К (5227 о С), такой же цвет свечения у Солнца в полдень.
з) Голубой цвет свечения - 9000К (8727 о С). Такой высокой температуры нет даже в центре Земли и в реальности, такую температуру теплового излучения получить невозможно. Мы можем лишь увидеть такой же голубой оттенок света, например, у светодиодных фонарей или других источников света. Цвет неба в ясную погоду примерно такого же цвета.Подводя итог ко всему вышесказанному, можно дать четкое определение цветовой температуры. Цветовая температура - это температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Проще говоря, температура 5000К - это цвет, который приобретает абсолютно черное тело при нагревании его до 5000 градусов Кельвина. Цветовая температура оранжевого цвета - 2000К, это означает, что абсолютно черное тело необходимо нагреть до температуры 2000 градусов Кельвина, чтобы оно приобрело оранжевый цвет свечения.
Но цвет свечения раскаленного тела не всегда соответствует его температуре. Если пламя газовой плиты на кухне сине-голубого цвета, это не значит, что температура пламени свыше 9000К (8727 о С). Расплавленное железо в жидком состоянии имеет оранжево-желтый оттенок цвета, что в действительности соответствует его температуре, а это примерно 2000К (1727 о С).

Цвет и его температура

Чтобы представить себе как это выглядит в реальной жизни, рассмотрим цветовую температуру некоторых источников: ксеноновых автомобильных ламп на рисунке 3 и люминесцентных ламп на рисунке 4.

Рисунок 3 - Цветовая температура ксеноновых автомобильных ламп.

Рисунок 4 - Цветовая температура люминесцентных ламп.

В Википедии я нашел числовые значения цветовых температур распространенных источников света:
800 К — начало видимого темно-красного свечения раскалённых тел;
1500—2000 К — свет пламени свечи;
2200 К — лампа накаливания 40 Вт;
2800 К — лампа накаливания 100 Вт (вакуумная лампа);
3000 К — лампа накаливания 200 Вт, галогенная лампа;
3200—3250 К — типичные киносъёмочные лампы;
3400 К — солнце у горизонта;
4200 К — лампа дневного света (тёплый белый свет);
4300—4500 K — утреннее солнце и солнце в обеденное время;
4500—5000 К — ксеноновая дуговая лампа, электрическая дуга;
5000 К — солнце в полдень;
5500—5600 К — фотовспышка;
5600—7000 К — лампа дневного света;
6200 К — близкий к дневному свет;
6500 К — стандартный источник дневного белого света, близкий к полуденному солнечному свету;6500—7500 К — облачность;
7500 К — дневной свет, с большой долей рассеянного от чистого голубого неба;
7500—8500 К — сумерки;
9500 К — синее безоблачное небо на северной стороне перед восходом Солнца;
10 000 К — источник света с «бесконечной температурой», используемый в риф-аквариумах (актиниевый оттенок голубого цвета);
15 000 К — ясное голубое небо в зимнюю пору;
20 000 К — синее небо в полярных широтах.
Цветовая температура является характеристикой источника света. Любой видимый нами цвет имеет цветовую температуру и не важно, какой это цвет: красный, малиновый, желтый, пурпурный, фиолетовый, зеленый, белый.
Труды в области изучения теплового излучения абсолютно черного тела принадлежат основоположнику квантовой физики Максу Планку. В 1931 году на VIII сессии Международной комиссии по освещению (МКО, в литературе часто пишется как CIE) была предложена цветовая модель XYZ. Данная модель представляет собой диаграмму цветности. Модель XYZ представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Диаграмма цветности XYZ.

Числовые значения X и Y определяют координаты цвета на диаграмме. Координата Z определяет яркость цвета, она в данном случае не задействована, так как диаграмма представлена в двухмерном виде. Но самое интересное на этом рисунке - это кривая Планка, которая характеризует цветовую температуру цветов на диаграмме. Рассмотрим её поближе на рисунке 6.

Рисунок 6 -Кривая Планка

Кривая Планка на этом рисунке немного урезана и «слегка» перевернута, но на это можно не обращать внимание. Чтобы узнать цветовую температуру какого-либо цвета, нужно просто продолжить линию перпендикуляра до интересующей вас точки (участка цвета). Линия перпендикуляра, в свою очередь, характеризует такое понятие как смещение - степень отклонения цвета в зеленый или пурпурный. Те, кто работал с RAW-конвертерами, знают такой параметр как Tint (Оттенок) - это и есть смещение. Рисунок 7 отображает панель настройки цветовой температуры в таких RAW-конверторах как Nikon Capture NX и Adobe CameraRAW.

Рисунок 7- Панель настройки цветовой температуры у разных конвертеров.

Пора посмотреть, как определяется цветовая температура не просто отдельного цвета, а всего фотоснимка в целом. Возьмем, к примеру, деревенский пейзаж в ясный солнечный полдень. Кто имеет практический опыт в фотосъемках, знает, что цветовая температура в солнечный полдень составляет примерно 5500К. Но мало кто знает, откуда взялась эта цифра. 5500К - это цветовая температура всей сцены , т.е всего рассматриваемого изображения (картины, окружающего пространства, участка поверхности). Естественно, что изображение состоит из отдельных цветов, а у каждого цвета своя цветовая температура. Что получается: голубое небо (12000К), листва деревьев в тени (6000К), трава на поляне (2000К), разного рода растительность (3200К - 4200К). В итоге, цветовая температура всего изображения будет равна усредненному значению всех эти участков, т.е 5500К. Рисунок 8 наглядно демонстрирует это.

Рисунок 8 - Расчет цветовой температуры сцены снятой в солнечный день.

Следующий пример иллюстрирует рисунок 9.

Рисунок 9 - Расчет цветовой температуры сцены снятой на закате солнца.

На рисунке изображен красный цветочный бутончик, который как будто бы растет из пшеничной крупы. Снимок был сделан летом в 22:30, когда солнце шло на закат. В этом изображении преобладает большое количество цветов желтого и оранжевого цветового тона, хотя на заднем плане есть и голубой оттенок с цветовой температурой примерно 8500К, также есть почти чистый белый цвет с температурой 5500К. Я взял лишь 5 самых основных цветов в этом изображении, сопоставил их с диаграммой цветности и посчитал среднюю цветовую температуру всей сцены. Это, конечно же, примерно, но соответствует истине. Всего в этом изображении 272816 цветов и каждый цвет имеет свою цветовую температуру, если подсчитать среднюю для всех цветов вручную, то через пару месяцев мы сможем получить значение ещё более точное, чем подсчитал я. Идем дальше: рисунок 10.

Рисунок 10 - Расчет цветовой температуры других источников освещения

Ведущие шоу-программы решили не грузить нас расчетами цветовой температуры и сделали всего два источника освещения: прожектор, испускающий бело-зеленый яркий свет и прожектор, который светит красным светом, и всё это дело разбавили дымом….а, ну да - и поставили ведущего на передний план. Дым прозрачный, поэтому с легкостью пропускает красный свет прожектора и сам становится красный, а температура нашего красного цвета, согласно диаграмме - 900К. Температура второго прожектора - 5700К. Среднее между ними - 3300К Остальные участки изображения можно в расчет не брать - они почти черные, а такой цвет даже не попадает на кривую Планка на диаграмме, ведь видимое излучение раскаленных тел начинается примерно с 800К (красный цвет). Чисто теоретически, можно предположить и даже подсчитать температуру для темных цветов, но её значение будет пренебрежимо мало по сравнению с теми же 5700К.
И последнее изображение на рисунке 11.

Рисунок 11 - Расчет цветовой температуры сцены снятой в вечернее время.

Снимок сделан летним вечером после захода солнца. Цветовая температура неба располагается в районе синего цветового тона на диаграмме, что согласно кривой Планка, соответствует температуре примерно 17000К. Прибрежная растительность зеленого цвета имеет цветовую температуру примерно 5000К, а песок с водорослями имеет цветовую температуру где-то 3200К. Среднее значение всех этих температур примерно 8400К.

Баланс белого

С настройками баланса белого особенно хорошо знакомы любители и профессионалы занимающиеся видео и фотосъемками. В меню каждой, даже самой простой мыльницы-фотокамеры, есть возможность настроить этот параметр. Значки режимов настройки баланса белого выглядят примерно так, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12 - Режимы настройки баланса белого в фотокамере (видеокамере).

Сразу следует сказать, что истинный белый цвет объектов можно получить, если использовать источник света с цветовой температурой 5500К (это может быть солнечный свет, фотовспышка, другие искусственные осветители) и если сами рассматриваемые объекты белого цвета (отражают всё излучение видимого света). В остальных случаях белый цвет может быть лишь приближен к белому. Посмотрите на рисунок 13. На нем изображена та самая диаграмма цветности XYZ, которую мы недавно рассматривали, а в центре диаграммы помечена крестиком точка белого цвета.

Рисунок 13 - Точка белого цвета.

Отмеченная точка имеет цветовую температуру 5500К и как истинный белый цвет – она является суммой всех цветов спектра. Координаты у неё x = 0,33 и y = 0,33. Эта точка называется точкой равных энергий . Точка белого цвета. Естественно, если цветовая температура источника освещения 2700К, точка белого здесь и рядом не стоит, о каком уж тут белом цвете можно говорить? Там белых цветов никогда не будет! Белыми в данном случае могут быть только блики. Пример такого случая приведен на рисунке 14.

Рисунок 14 – Различная цветовая температура.

Баланс белого цвета – это установка значения цветовой температуры для всего изображения. При правильной установке вы получите цвета соответствующие тому изображению, которое вы видите. Если у получившегося снимка преобладают неестественные синие и голубые цветовые тона, значит, цвета «недостаточно нагреты», установлена слишком низкая цветовая температура сцены, необходимо её повысить. Если же на всём снимке преобладает красный тон – цвета «перегреты», установлена слишком высокая температура, необходимо её понизить. Пример тому - рисунок 15.

Рисунок 15 – Пример правильной и неправильной установки цветовой температуры

Цветовая температура всей сцены рассчитывается как средняя температура всех цветов данного изображения, поэтому в случае смешанных источников освещения или сильно отличающихся по цветовому тону цветов, фотокамера рассчитает среднюю температуру, что не всегда оказывается верно.
Пример одного такого некорректного расчета продемонстрирован на рисунке 16.

Рисунок 16 – Неизбежная неточность в установке цветовой температуры

Фотокамера не способна воспринимать резко отличающиеся яркости отдельных элементов изображения и их цветовую температуру так же, как зрение человека. Поэтому, чтобы сделать изображение почти таким же, как вы видели во время съемки, вам придется его корректировать в ручную в соответствии с вашим зрительным восприятием.

Видимый свет образуется во внешних оболочках нагретых атомов. Каждый атом состоит из облака электронов, вращающихся вокруг ядра, и число электронов на каждой орбите ограничено. Когда вещество нагревается, колебания атомов увеличиваются, они с большой силой сталкиваются друг с другом, и тогда некоторые электроны перескакивают на более высокие орбиты, поглощая при этом тепловую энергию. Затем они, теряя энергию, заполняют пустоты, образовавшиеся на низших уровнях. Потерянная энергия превращается в электромагнитное излучение и оставляет атом.

Поскольку количество энергии, которое электрон теряет во время скачка, меняется, то меняется и цвет излучения. Если высвобождается сравнительно большое количество энергии, то происходит вспышка, скажем, синих или ультрафиолетовых лучей. Преобразование малого количества энергии приводит к вспышке красных или инфракрасных лучей. Но все спектральные лучи видимого света в совокупности с ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами составляют лишь небольшую часть потока излучения, который включает лучи от рентгеновских, несущих большой заряд энергии, до радиоволн, несущих малый заряд энергии (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Наибольшая длина видимого спектра чуть меньше 1 мкм (одной миллионной метра)

Однако важнее то, что соотношение цветов в спектре видимого света меняется в зависимости от источника освещения. В изображении спектральный состав освещения часто оценивается цветовой температурой. Цветовая температура выражается в кельвинах (К), международных единицах измерения температуры. Чтобы перевести кельвины в величину, выраженную по шкале Цельсия, нужно из первого числа вычесть 273.

ЦВЕТОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет, называется цветовой температурой. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре около 12000-25000 К. т, е. гораздо выше температуры солнца.

Понятие цветовой температуры применимо только к тепловым (раскаленным) источникам света. Раскаленные твердые тела дают менее четкий спектр, состоящий из нескольких узких полос - линий. Для них кривая распределения энергии не может быть обозначена цветовой температурой.

Естественные излучения небосвода, хотя и не являются в полной мере температурными (т. е., исходящими из раскаленных тел), тем не менее, характеризуются цветовой температурой достаточно точно.

ЦВЕТОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА - понятие, используемое в науке и технике; эффективная величина, равная температуре абсолютно черного тела (теоретическое понятие), при которой отношение яркостей излучений для двух длин волн его спектра равно отношению этих же величин для спектра исследуемого источника света. Стандартные источники света в обозначениях МКО характеризуются Ц. т. по шкале Кельвина.

АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО - гипотетическое тело в физике, которое при любой температуре полностью поглощает падающее на него излучение независимо от длины волны. Спектр излучения такого тела определяется только его абсолютной температурой, которая не зависит от свойств вещества, из которого оно сделано. Для А. ч. т. цветовая и абсолютная температуры совпадают, поэтому данное тело принимают в качестве светового эталона. Платиновая чернь, сажа, полый куб, покрытый изнутри черным бархатом, обладают свойствами, близкими к свойствам А. ч. т.

СТАНДАРТНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА - в России три источника с различной цветовой температурой приняты за стандартные: источник A представляет собой электрическую лампу накаливания с цветовой температурой 2848 К; источник В - та же лампа в комбинации с двойным жидким светофильтром, повышающим цветовую температуру до 4800 К; источник С - та же лампа с двойным жидким светофильтром, повышающим цветовую температуру до 6500 К.

ЯРКОСТЬ - световая величина в светотехнике, характеризующая излучение источника света или элемента его светящейся поверхности в определенном направлении. Количественно оценивается отношением силы света источника в рассматриваемом направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Характеристика цвета, определяющая его интенсивность.

СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ - излучение, представленное в виде совокупности монохроматических излучений, имеющих определенную длину волны (частоту).

Представьте, что мы нагреваем железный стержень, имеющий комнатную температуру. При температуре 1000 К он излучает световой поток с различными длинами волн, но основную часть составляет инфракрасное излучение, которое мы ощущаем как тепло. Когда температура железа достигает 3000 К, оно продолжает излучать разнородный световой поток, но теперь он в значительной степени видим - железо раскаляется. Инфракрасные лучи все еще преобладают в световом потоке, и в его спектре красных лучей больше, чем в спектре солнечного света, поэтому раскаленное железо имеет красную окраску.

При температуре 6000 К, близкой к температуре поверхности Солнца, наибольшая часть светового потока находится в пределах видимого спектра, и в нем доминируют сине-зеленые лучи. Мы видим, что железо раскалилось добела. Считается, что источник света с подобным составом спектра имеет цветовую температуру 6000 К и при таком свете цвета выглядят естественными.

Если нагреть железо до точки испарения, а затем нагреть пар до 20 000 К, то пиковое излучение будет ультрафиолетовым. Невооруженному глазу цвет пара покажется ослепительно синим. Так как свет голубого неба при некоторых условиях имеет тот же спектральный состав, считается, что его цветовая температура равна 20 000 К. Эта цифра не имеет отношения к действительной температуре воздуха на какой-либо высоте, поскольку атмосферные газы не излучают, а рассеивают небесный свет. Цветовая температура - удобный способ обозначения цветности естественного и искусственного света, но ее не следует путать с тепловой температурой источника света.

Шкала цветовой температуры начинается с величины около 1000 К и не имеет верхнего предела (рис. 2.2). При каждой данной температуре источник света излучает поток разных по длине волн, но некоторые из них доминируют, что и определяет цвет. Благодаря этому цвет излучаемого светового потока во многих случаях можно выразить в единицах цветовой температуры, хотя она редко совпадает с действительной температурой. Большинство приборов искусственного освещения имеют цветовую температуру от 2000 К до 6000 К. При более высокой температуре в дневном свете преобладают короткие волны и, следовательно, голубые тона.

Рис. 2.2. Шкала цветовой температуры

То есть цветовая температура – температурная характеристика спектра излучения источника света. Каждому цвету соответствует своя температура, измеряемая в градусах Кельвина. Чем выше температура источника света – тем выше его цветовая температура по шкале Кельвина. Цветовая температура Солнца выше цветовой температуры лампы накаливания, но ниже цветовой температуры звезд. Ниже в таблице приведены некоторые данные по цветовым температурам разных источников света:

Таблица 1. Цветовые температуры, соответствующие различным условиям дневного освещения

Естественный источник света	Цветовая температура, К
Утреннее или вечернее сумеречное небо
Небо близ восходящего или заходящего Солнца
Солнце через час после восхода
Солнце за час до захода
Утреннее или вечернее Солнце в ясном небе под углом больше 15° над линией горизонта
Солнце около полудня при легкой облачности
Свет летнего полуденного Солнца близ поверхности Земли при ясном голубом небе
Свет полуденного Солнца при легкой облачности
Летнее Солнце в зените в синем ясном небе
Дневной свет неба при легкой высокой облачности
Дневной свет неба при сильной облачности
Дневной свет неба при слабой облачности
Облачное небо в северной части
Ясное голубое небо

Цветовая температура искусственных источников света

Пламя спички
Пламя стеариновой свечи
Керосиновая лампа
Ацетиленовое пламя
Пламя газовой зажигалки
Электролампа перекальная вакуумная
Электролампа перекальная газонаполненная
Фотолампа с зеркальным рефлектором мощностью 250-500 Вт
Фотолампа перекальная с зеркальным рефлектором мощностью до 1000 Вт
Импульсная лампа-вспышка или “молния”
Лампа кинопроекционная
Лампа прожекторная
Лампа галогенная
Вспышка магния
Лампа дуговая
Лампа люминесцентная типа ЛТБ
Лампа люминесцентная типа ЛБ
Лампа люминесцентная типа ЛХБ
Лампа люминесцентная типа ЛД

В полдень при ясной погоде на цвет небесного света (непрямой солнечный свет) влияет рассеивание его отдельными молекулами (группами связанных между собой атомов) воздуха. Молекула поглощает небольшую часть солнечного света и сразу же излучает его во всех направлениях. Синие лучи рассеиваются в гораздо большей степени, чем красные, а ультрафиолетовые - в большей степени, чем синие.

Когда в воздухе содержится много водяных паров, частиц пыли или тумана, это сказывается прежде всего на коротковолновых лучах. Но так как эти частицы поглощают часть синих лучей, у пасмурного неба меньше голубых тонов, чем у ясного, и его цветовая температура около 9000 К. В свете, пропущенном облаком, голубых тонов и того меньше. Однако утром и вечером, когда солнце находится низко над горизонтом, солнечному свету приходится преодолевать более толстые слои атмосферы, чем в случае, когда солнце в зените. Активное поглощение синих лучей, даже при относительно ясной погоде, вызывает появление красных отблесков у рассветного и закатного солнца, знакомых нам и по фотографиям, сделанным при таком освещении.

На фотографиях (рис. 2.3) видно, как меняется цвет освещения в течение дня. При восходе солнца (рис. 2.3, а) освещение имеет красноватый оттенок, ввиду поглощения синих лучей атмосферой. В полдень (рис. 2.3, б) снег, освещенный прямым солнечным светом, становится белым, но теневые участки под влиянием света, отраженного от неба, с высоким содержанием рассеянных лучей с короткой длиной волны окрашены в насыщенный синий цвет. На крайнем правом снимке (рис. 2.3, в) туман ослабил интенсивность синих тонов.

Рис. 2.3. Изменение освещения в течение дня

Из выразительных средств фотографии цвет – одна из важнейших составляющих. Соединяя цвет с другими художественными средствами, можно создать определенные впечатляющие эффекты.
В наше время любительская фотография начинается преимущественно с цветной. Миллионы теплых разноцветных картинок ежедневно сходят с конвейеров минилабов. К сюжету застолья или обычному: “я и памятник”, фотолюбитель редко предъявляет какие–то особые требования (была бы вода голубая, да лица не синие). Те же, для кого фотография – серьезное хобби или работа, относятся к результату своих творений иначе. Согласитесь – обидно, когда вместо очаровательно – пастельного портрета девушки (или хуже того – заказчицы), получить странное буро–рыжее изображение, которое ну никакими художественными приемами не оправдать! Брак – он и есть брак! И в первую очередь – не минилаба, а Ваш собственный – съемочный.

Качество цветного изображения зависит от множества факторов и один из них, пожалуй, наиважнейший – спектральный состав освещения.
Видимый белый свет занимает лишь малую часть спектра и состоит из смеси излучений. Это, по крайней мере, стандартное объяснение. На самом деле белого света как такового не существует, просто человеческий глаз устроен так, что приписывает смеси излучений с различными длинами волн, входящих в состав солнечного света, “белый” цвет.

Если электрокалорифер включить в сеть в затемненной комнате, то вначале его спираль не будет видна. По мере нагрева она становится тускло-красной, а затем ярко-оранжевой. Если увеличить мощность, подводимую к спирали, то она может стать почти белой, как электрическая лампочка. Этим простым примером и описывается понятие цветовой температуры . То есть: “Эта лампочка (солнце, вспышка…) светится так, как если бы мы нагрели абсолютно черное тело до температуры…..”. Для удобства описания используют температурную шкалу Кельвина (К 0). Среднее значение цветовой температуры полуденного солнца равно 5000 К, и оно принято в качестве балансного значения для многих профессиональных обращаемых фотопленок. Цветовая температура ламп накаливания 3200 К, и поэтому профессиональные пленки для съемки при освещении лампами накаливания сбалансированы именно для этого значения.

Цветовые температуры для различных условий дневного освещения представлены в табл. 1.

Таблица 1. Цветовые температуры, соответствующие различным условиям дневного освещения

Естественный источник света	Цветовая температура, К
Утреннее или вечернее сумеречное небо	2000
Небо близ восходящего или заходящего Солнца	2300-2400
Солнце через час после восхода	3500
Солнце за час до захода	3500
Луна	4125
Утреннее или вечернее Солнце в ясном небе под углом больше 15° над линией горизонта	3600-5000
Солнце около полудня при легкой облачности	5100-5600
Свет летнего полуденного Солнца близ поверхности Земли при ясном голубом небе	5300-5700
Свет полуденного Солнца при легкой облачности	5700-5900
Летнее Солнце в зените в синем ясном небе	6000-6500
Дневной свет неба при легкой высокой облачности	6700-7000
Дневной свет неба при сильной облачности	7000-8500
Дневной свет неба при слабой облачности	12000-14000
Облачное небо в северной части	12000-25000
Ясное голубое небо	15000-27000

Цветовая температура искусственных источников света

Пламя спички	1700
Пламя стеариновой свечи	1850-2000
Керосиновая лампа	1900-2050
Ацетиленовое пламя	2360
Пламя газовой зажигалки	2500
Электролампа перекальная вакуумная	2450-2500
Электролампа перекальная газонаполненная	2600-2900
Фотолампа с зеркальным рефлектором мощностью 250-500 Вт	3250-3500
Фотолампа перекальная с зеркальным рефлектором мощностью до 1000 Вт	3600-4000
Импульсная лампа-вспышка или “молния”	3400-6500
Лампа кинопроекционная	3300-3400
Лампа прожекторная	3300-3500
Лампа галогенная	3300-3350
Вспышка магния	3650
Лампа дуговая	3700-5500
Лампа люминесцентная типа ЛТБ	2800
Лампа люминесцентная типа ЛБ	3500 ± 300
Лампа люминесцентная типа ЛХБ	4300 ± 400
Лампа люминесцентная типа ЛД	6750 ± 800

При съемке на цветную пленку необходимо учитывать спектральный состав освещения и в соответствии с ним подбирать тот или иной тип цветной фотопленки. Так, на пленках, предназначенных для дневного освещения, можно фотографировать и утром до восхода Солнца и сам его восход, и днем и вечером, заход Солнца и вечерние сумерки, когда зажигаются уличные фонари, при электронных лампах-вспышках. Почти 100% любителей так и поступает.

Если источник имеет цветовую температуру, для которой сбалансирована цветная пленка, цвета передаются так, как их видит глаз. Но глаз обладает способностью компенсировать изменения цветовой температуры в пределах 3000-10000 К, а фотопленка таким свойством не обладает. Поэтому при изготовлении пленки предназначенной для съемки при лампах накаливания в ее характеристики закладывается способность воспринимать свет с цветовой температурой 3200 – 3500 К, как “белый”. И аналогично пленка, предназначенная для съемок при дневном свете “видит белым” свет с цветовой температурой 5500 К. Если цветовая температура источника выше той, для которой сбалансирована фотопленка, изображение приобретет голубой (более холодный) оттенок. Может показаться парадоксальным, что высокой температуре соответствуют холодные цвета, но речь идет здесь о холодной цветопередаче на фотопленке, а не о том, что сам свет производит холодные цвета. Если же цветовая температура источника света ниже той, для которой сбалансирована пленка, изображение будет слишком желтым, или теплым. Чтобы скорректировать эту разницу, на источник света или на объектив фотокамеры можно надеть окрашенные светофильтры.

Отдельный случай освещения – люминесцентные лампы.
Люминесцентные лампы представляют собой стеклянные трубки, наполненные парами ртути, которые, будучи электрически возбужденными, испускают ультрафиолетовые лучи. В свою очередь это излучение возбуждает нанесенные на внутреннюю поверхность стеклянной оболочки люминофоры, излучение которых приходится на видимую часть спектра. Природа этого возбуждения такова, что люминофоры (фосфоры) излучают дискретный набор спектральных полос, расположенных на фоне непрерывного спектра. Грубо говоря, в невидимой нам части вполне белого света существуют “всплески” разного цвета в зависимости от состава люминофора.

Пленка "для дневного света" Fujichrome 50 Velvia. Данный сюжет характеризуется наличием трех различных источников света: слева (на достаточно большом расстоянии) располагается окно, на потолке галогенные лампы, внутри витрины люминисцентные.

Так как характеристики спектральной чувствительности фотопленки и глаза различаются, фотопленка будет фиксировать свет иначе, чем глаз. По этой причине использование люминесцентного освещения в цветной фотографии вызывает значительные затруднения. Кроме различия спектральной чувствительности глаза и цветной фотопленки существует проблема, связанная с зависимостью цвета красителя от природы падающего света. Например, два красителя, кажущиеся идентичными для глаза при солнечном освещении, могут выглядеть совершенно различными при рассматривании их при “дневном” люминесцентном освещении.

В фотографии выработана методика съемки при освещении, не совпадающим с тем, для которого изготовлена фотопленка. Речь идет сейчас не о творческом подходе к цвету. Теория цвета как предмет имеет дело с восприятием, психологическими понятиями, эстетикой и т. п. Для целей освещения эту сторону цвета можно не принимать во внимание; на нее решающим образом воздействует характер объекта съемки и цели фотографирования, поэтому ее невозможно выразить количественно. Мы же говорим сейчас о технической точности цветопередачи. И как уже упоминалось выше, существуют специальные Конверсионные и Коррекционные светофильтры. Эти фильтры, будучи установлены на объектив фотоаппарата, изменяют существующую цветовую температуру к той, под какую сбалансирована Ваша пленка.

Синие светофильтры, используемые с фотопленками для дневного света при освещении лампами накаливания, обозначаются № 80А, № 80В, № 80С и № 80D. Эти светофильтры обладают широкой полосой пропускания, а в синей области спектра пропускают практически 100% света. Они служат для увеличения цветовой температуры источника света до значений, на которые рассчитана пленка. Вспомним, что если при съемке на фотопленку для дневного света в качестве источников света используются лампы накаливания, то в результате получается снимок с более интенсивной желтой окраской

Конверсионные светофильтры янтарного цвета, обозначенные № 85, № 85А и № 85В, предназначены для использования при дневном освещении с пленкой типа А или В. Эти светофильтры поглощают часть лучей в синей области спектра, в меньшей степени поглощают в зеленой области и прозрачны для лучей в красной области спектра. Характеристики некоторых конверсионных светофильтров представлены в табл.2. Данные, касающиеся увеличения экспозиции, носят приближенный характер, поэтому в случае ответственных работ необходимо проводить пробную фотосъемку для определения оптимальной экспозиции. Строго говоря, в качестве лампы накаливания следует использовать специальные фотолампы. Однако светофильтр № 80А с успехом применяется и в случае освещения, создаваемого бытовыми лампами накаливания. В табл.2 представлены изменения цветовой температуры при использовании фильтров.

Таблица 2. Характеристики конверсионных светофильтров

Цвет	Номер	Изменение цветовой температуры, К	Сдвиг в майредах	Фотопленка	Источник света
Синий	80А	3200 - 5500		Для дневного света	Лампа накаливания	2
	80B	3400 - 5500		То же	Фотолампа	1 2/3
Янтарный	85,85А	5500-3400		Тип А	Фотолампа	2/3
	85В	5500-3200		Тип В	Солнечный свет	2/3

Изменения цветовой температуры подчиняются закону аддитивности. Другими словами, при использовании двух светофильтров сразу общее изменение цветовой температуры будет равно сумме изменений для каждого светофильтра в отдельности. По всей видимости, наиболее полезны светофильтры № 85В и № 80А, которые позволяют проводить съемку на фотопленку типа В для дневного освещения при свете ламп накаливания. Поскольку кратность светофильтра № 80А значительно выше, чем у № 85В, и так как уровень освещенности внутри помещения обычно намного ниже, чем на улице, предпочтение следует отдать светофильтру № 85В.

В инструкциях, которыми изготовители снабжают фильтры, обычно указываются плюсовые или минусовые значения сдвига в майредах (Майред – единица измерения цветовой температуры излучения абсолютно черного тела, равная 10 6 /T, где Т – температура абсолютно черного тела.), а в инструкциях к измерителям цветовой температуры имеются таблицы с указанием номеров наиболее употребительных компенсационных светофильтров.

Использование коррекционных светофильтров приводит к меньшему изменению цветовой температуры по сравнению с конверсионными светофильтрами. Коррекционные светофильтры синего оттенка (номера 82, 82А, 82В и 82С) предназначены для увеличения эффективной цветовой температуры источника света, а коррекционные светофильтры желтого оттенка (номера 81, 81А, 81В, 81С, 81D и 81EF) --для уменьшения эффективной цветовой температуры источника света. В табл.3 приведены корректирующие коэффициенты для определения экспозиции и изменения цветовой температуры (сдвига) в майредах для перечисленных светофильтров. Эти светофильтры применяются для незначительного изменения цветовой температуры источников света, а также для обычных фоторабот, не являясь при этом совершенно необходимыми. Например, некоторые электронные лампы-вспышки создают слишком “синее” освещение, что в свою очередь может давать слишком серый цвет кожи при портретной съемке. В этом случае, фотографируя через светофильтр № 81 или № 81А, можно избавиться от такого эффекта.

Таблица 3. Корректирующие коэффициенты и изменения цветовой температуры (сдвиги) в майредах для коррекционных светофильтров

Цвет светофильтра	Номер светофильтра	Увеличение экспозиции (в ступенях)	Сдвиг в майредах
Синий	82С	2/3	-45
	82В	2/3	-32
	82А	1/3	-21
	82	1/3	-10
Желтый	81	1/3	9
	81А	1/3	18
	81В	1/3	27
	81С	1/3	35
	81D	2/3	42
	81EF	2/3	52

Для точного определения цветовой температуры служат специальные приборы – колорметры. Они достаточно дороги и редко используются в нашей стране даже среди профессионалов. Существует проверенный и менее дорогой способ – это фотопробы.
Необходимо периодически проверять рабочие партии фотопленок и источники света (включая устройства для управления освещением и рефлекторы). Не располагая измерителями цветовой температуры, пользуются цветным клином. Примерами могут служить цветовая таблица и серая шкала фирмы “Кодак”. Они представляют собой плоские образцы цвета, отпечатанные полиграфическим способом, с точными цветами, имеющими четкие границы, которые можно сфотографировать и сравнить результаты.
Рассматривая обработанные слайды сквозь различные светофильтры и тщательно анализируя цветопередачу, можно установить, обеспечивают ли ваши объективы, источники света и фотопленка правильное воспроизведение цветов. Если точной цветопередачи нет, вы можете оценить, какие именно фильтры вам требуются. Часто оказывается, что одна из студийных электронных вспышек слегка синеватая. Проверив ее, вы обнаруживаете, что все остальные дефекты были вызваны именно этой неисправной вспышкой. Или наоборот, противный желто–зеленый оттенок возникал при использовании не понятно кем изготовленного зонта или старого и давно не мытого софтбокса.

Достаточно часто приходится фотографировать при свете люминесцентных ламп. В наше время эти лампы практически везде – в офисах, в магазинах, на улицах, в витринах.… Этот свет может показаться белым и имеет измеряемую цветовую температуру около 4800 К. Но это излучение обеднено пурпурной составляющей (состоящей из красного и синего цветов) и поэтому создает на снимке общий зеленый оттенок.
Не существует цветных фотопленок, которые обеспечивали бы вполне удовлетворительные результаты в условиях люминесцентного освещения. Поэтому необходимо прибегать к помощи светофильтра, тип которого зависит от вида люминесцентного освещения и используемой цветной фотопленки. Это розовато-коричневый фильтр типа FL-D. Он позволяет фотографировать при освещении “средней” флуоресцентной лампой на пленке для дневного света. Фильтр типа FL-B позволяет фотографировать при освещении такими же лампами на пленке, сбалансированной для цветовой температуры ламп накаливания.
На практике эти фильтры не всегда дают хорошие результаты. Чтобы гарантировать качественные фотографии, приходится использовать цветную негативную пленку. Высокочувствительные фотопленки с большой цветовой фотографической широтой представляют наибольшие возможности для обеспечения желаемого баланса при печати. Экспозицию следует несколько увеличить, чтобы достаточно проработались все цвета, необходимые для получения качественного изображения. При печати легко отфильтровать избыток доминирующих цветов, если на негативе получено хорошо проработанное изображение в обедненных областях спектра. Если при съемке назначить нормальную экспозицию, то может случиться, что светочувствительные слои фотопленки, реагирующие на зеленые и синие лучи, получат, например, 130% количества освещения, необходимого для передачи самых темных деталей, в то время как слой, чувствительный к красным лучам, получит всего 50% необходимого количества освещения. А экспонометр укажет, что эта экспозиция является “правильной”. Поэтому в рассматриваемом случае необходимо обеспечить такую экспозицию, чтобы красночувствительный слой получил 100% требуемого для передачи соответствующих деталей количества освещения, даже ценой передержки двух других слоев, которые получат при этом 260% требуемого минимума количества освещения.
Это единственный способ, который гарантирует, что в условиях смешанного освещения, спектр которого не является непрерывным, будет получен качественный отпечаток с достаточно хорошей проработкой деталей в тенях и полным диапазоном цветов. И, разумеется, этот совет хорош для тех, кто имеет возможность влиять на ход печати своих фотографий, либо печатает сам.

В каталогах фирм-производителей фотоматериалов и оборудования для фотосъемки Вы обязательно встретите и светофильтры для коррекции цвета. Причем каждая фирма, выпускающая фотопленку, рекомендует свои, конкретные фильтры, которые, как нельзя лучше подходят для ее эмульсии. На самом деле нет ни какой необходимости коллекционировать все многообразие выпускаемого цветного стекла. (К тому же – очень не дешевого). Разницу между эффектом от того или другого фильтра может обнаружить только специально проведенный тест. Куда большую погрешность в цветопередаче даст неправильное хранение, проявка или печать фотопленки. Поэтому при выборе конверсионных и коррекционных фильтров стоит учитывать, прежде всего, удобство применения этих фильтров (взаимозаменяемость на разных объективах), свои финансовые возможности и цель покупки. Абсолютно точная цветопередача в любительской практике требуется крайне редко. Особенно при съемке на негатив. Но это не означает, что чем дешевле фильтр, тем лучше. Оптическое качество стекла играет не последнюю роль.

В заключение хочу сказать, что если Вы серьезно хотите заниматься фотографией, и круг сюжетов не ограничивается воскресной прогулкой с семьей, Вы рано или поздно столкнетесь с ситуацией, когда такое понятие, как “цветовая температура” станет для Вас станет крайне актуальной.

У 1999, О.В. Наконечников
фотографии Д.А. Константинова

Использованная литература:
Д. Килпатрик “Свет и освещение” М. “Мир”1988г.
Э. Митчел. “Фотография” М. “Мир” 1988г.