Optyka
Optyka - wstęp

Czym jest światło

Optyka geometryczna

Wprowadzenie
Zjawiska
Wiązka vs promień

Odbicie

Załamanie
..Prawo zał...
..Współczynniki
..Tabela

Rozszczepienie

Soczewki
Soczewka i jej ognisko 
Soczewki rozpraszające
Równanie soczewki

Aberracja chromatyczna
Aberracja sferyczna

Optyka falowa

Obserwacja dyfrakcji światła

Kąty padania, odbicia, załamania

Linki

Barwy i szarości, czyli o mechanizmach widzenia

Zacznę od tego co najciekawsze - od barw .

Ile mamy barw?
- z odcieniami - nieskończenie wiele, choć możliwości rozróżnienia kolorów przez człowieka są ograniczone do kilku milionów. Jednak niektóre zwierzęta widzą rodzaje światła, których ludzkie oko nie rejestruje - pszczoły widzą część fal ultrafioletowych, niektóre węże z kolei wyczuwają niewidoczne dla oka promieniowanie podczerwone.  

Opisanie barw za pomocą wzorów matematycznych (a tym w końcu zajmuje się fizyka) jest skomplikowane. Jest to m.in. związane z faktem, że oko ludzkie ma dwa rodzaje receptorów światła: czopki i pręciki. Czopki widzą słabo (wymagają sporej energii oświetlenia), ale za to rozróżniają kolory; pręciki działają nawet w ciemnościach (no może nie egipskich...), jednak rejestrują wszystko na szaro.

Widzenie w odcieniach szarości

Zacznijmy więc od pisywania wrażenia szarości, co wydaje się być najprostsze. Można by przypisać np. kolorowi białemu 1, kolorowi czarnemu 0 (zero), a wszystkie szarości znalazłyby się pośrodku. Jednak i tu pojawiają się problemy - oko ludzkie ma swoją charakterystykę, co oznacza, że preferuje pewne odcienie widząc je wyraźniej, a inne słabiej. Oprócz tego, jak głosi prawo Webera - Fehnera, odczuwanie bodźców rośnie wraz z logarytmem ich natężania, a nie liniowo. Dlatego dwa razy większa energia światła nie będzie odczuwana jako dwa razy jaśniejsze światło. Wszystko to razem powoduje, że pełny opis wrażeń barwnych jest mocno skomplikowany.

Widzenie barwne

Jeszcze bardziej skomplikowane od rozróżniania szarości jest widzenie barwne.

Okazuje się, że światło białe jest mieszaniną barw tęczy. Tęcza zawiera kolory od czerwieni, poprzez pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, do fioletowego.

Gdyby wszystkie możliwe kolory zawierały się w tęczy, sprawa była by w miarę prosta - należałoby opisywać kolor z pomocą dwóch liczb - jednej na jasność, a drugiej na położenie pomiędzy początkiem a końcem tęczowego widma. Jednak tęcza nie gromadzi wszystkich możliwych kolorów (brak jest tu m.in. bieli, szarości, purpury, koloru złotego, czy brązowego), dlatego do zapisania informacji o kolorze trzeba użyć dość zaawansowanych metod.

Dlaczego ta lilia ta jest czerwona?

Koło kolorów

Jednym ze znanych sposobów opisu barw jest tzw. koło kolorów

koło kolorów	"koło" kolorów rozciągnięte w kwadrat

Koło kolorów zawiera barwy tęczy rozciągnięte wzdłuż okręgu i uzupełnione o kolor purpurowy. Na zewnątrz tego koła mamy barwy najbardziej nasycone (największa wartość zmiennej "nasycenie"), w środku są barwy wyblakłe, czyli nienasycone. Inaczej mówiąc w środku tego koła znajduje się biel. Żeby opisać położenie barwy na kole wystarczy podać kąt (czyli zmienną czystej barwy) oraz odległość od środka (czyli nasycenie tej czystej barwy). Do opisania położenia punktu na kole barw wystarczą dwie liczby. Jednak, jak to widać z rysunku, brak jest tu czerni i w ogóle kolorów zmieszanych z czernią. Oznacza to, że do pełnego opisu barwy trzeba dodać jeszcze jedną zmienną opisującą jasność całego koła barw - wtedy jasność zero (bez względu na wartość "kolorowych" współrzędnych) odpowiadać będzie czerni, natomiast każda z barw będzie jeszcze rozciągać się od najjaśniejszej do czerni. Model powyższy w angielskiej nomenklaturze nazywa się HSB (od Hue, czyli barwa/kolor, Saturation, czyli nasycenie tej barwy i Brightness - jasność)

Do pełnego opisu matematycznego znanych barw niezbędne jest posłużenie się minimum trzema współrzędnymi - liczbami określającymi każdy możliwy kolor. Takich trzyliczbowych poprawnych metod opisu można skonstruować wiele. Najważniejsze to:

model RGB - stosowany najczęściej przez konstruktorów monitorów (od angielskich nazw barw podstawowych Red , Green, Blue). Monitory składają obraz właśnie z triad mikroskopijnych plamek o tych właśnie kolorach. Aby się o tym przekonać wystarczy przez lupę obejrzeć zapalony na biało fragment obrazu (lepiej wychodzi to na telewizorze, niż na monitorze, bo tam poszczególne plamki barwne są znacznie większe)

Model CMY (Cyjan, Magenta, Yellow).

Częściej od CMY stosowany jest CMYK, czyli model nie trzy, lecz czterokolorowy model z  kolorem czarnym dodanym dodatkowo do "kolorowych" barw. Używa się go w poligrafii i ogólnie wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z farbami. Kolor czarny jest dodany dlatego, że trudno jest wytworzyć takie barwniki, które dadzą się wymieszać do idealnej czerni (choć "teoretycznie" nie powinno być problemu).

Model CMYK tym jeszcze różni się od RGB, że tworzenie barw farbami opiera się na absorpcji (farby pochłaniają "lubiane" przez siebie składowe światła białego, odbijając do nas resztę składowych, czyli to, co widzimy), podczas gdy  plamki świetlne monitorów emitują kolory, jakie wynikają z ich właściwości fizykochemicznych.

i inne - np. YUV, HLS, LAB, i inne..

Interesujące jest, że to samo wrażenie barwne może być uzyskane za pomocą bardzo różnych kolorów składowych - np. barwę zieloną można uzyskać po prostu z pojedynczej fali o barwie zielonej, lub jako mieszaninę barwy żółtej i niebieskiej.

Komputerowe eksperymenty z kolorami

Aby eksperymentów z kolorami można użyć komputera.

W Windows klikamy pracy klawiszem na pulpicie (w pustym jego miejscu), wybieramy [właściwości], następnie zakładkę [wygląd], a potem próbujemy zmieniać kolor dowolnego elementu wystroju systemu klikając jego [kolor] i wybierając [inne].

Teraz uzyskujemy pełne pole do popisu – klikając na kolorowym polu można odczytywać wartości współczynników czerwonego (Red), zielonego (Green) i niebieskiego (Blue), a także w modelu Odcień, Nasycenie, Jaskrawość.

Odpowiedzi na pytania:

Dlaczego lilia jest czerwona?

- bo wśród różnych długości fal docierających od lilii do naszego oka dominują fale o barwie czerwonej (są to najdłuższe dostrzegane przez człowieka fale elektromagnetyczne).

 Powrót na górę strony
ctrl Home