Fysik

Af

Synets gave er blevet rigere af eksistensen af farver. Genstande og lys bugner af tusindvis af farvenuancer, der stimulerer vores øjne, hjerner og følelser. To grundlæggende spørgsmål tages op i denne korte behandling – hvad betyder farve i videnskabelige termer, og hvordan opfatter vi mennesker den?

En simpel teori om farvesynet

Vi har allerede bemærket, at farve er forbundet med bølgelængden af synlig elektromagnetisk stråling. Når vores øjne modtager lys af ren bølgelængde, har vi en tendens til kun at se nogle få farver. Seks af disse (oftest opregnet) er rød, orange, gul, grøn, blå og violet. Disse er den regnbue af farver, der opstår, når hvidt lys spredes efter forskellige bølgelængder. Der er tusindvis af andre farvenuancer, som vi kan opfatte. Disse omfatter brun, krikand, guld, pink og hvid. En simpel teori om farvesyn indebærer, at alle disse nuancer er vores øjets reaktion på forskellige kombinationer af bølgelængder. Dette er sandt til en vis grad, men vi finder ud af, at farveopfattelse er endnu mere subtil end vores øjes reaktion på forskellige bølgelængder af lys.

De to hovedtyper af lysfølsomme celler (fotoreceptorer) i nethinden er stave og kegler

Take-Home Experiment: Gå ind i et mørkt rum fra et stærkt oplyst rum eller ude i solen. Hvor lang tid tog det, før du begyndte at se formerne tydeligere? Hvad med farver? Vend tilbage til det lyse rum. Tog det et par minutter, før du kunne se tingene klart?

  • Demonstrer følsomheden af det foveale syn. Se på bogstavet G i ordet ROGERS. Hvad med klarheden af bogstaverne på hver side af G?
    • Der vises en linjediagram af følsomheden på y-aksen og bølgelængden på x-aksen. Grafen viser tre skæve kurver, der repræsenterer tre typer kogler, og hver type er følsom over for forskellige bølgelængdeintervaller. Bølgelængdeområdet ligger mellem tre hundrede og halvtreds og syv hundrede nanometer. For det blå område topper kurven ved fire hundrede og tyve nanometer, og følsomheden er nul komma to. For det grønne område topper kurven ved fem hundrede og tyve nanometer, og følsomheden er nul komma et. For det gule område topper kurven ved fem hundrede og halvfems nanometer, og følsomheden er på et punkt nul.

    Figur 1. Billedet viser den relative følsomhed for de tre typer kogler, som er navngivet efter bølgelængder med størst følsomhed. Stave er ca. 1000 gange mere følsomme, og deres kurve topper ved ca. 500 nm. Beviset for de tre typer kogler stammer fra direkte målinger i dyre- og menneskeøjne og fra testning af farveblinde mennesker.

    Koglerne er mest koncentreret i fovea, den centrale region af nethinden. Der er ingen stave her. Fovea befinder sig i midten af macula, et område med en diameter på 5 mm, der er ansvarlig for vores centrale syn. Keglerne fungerer bedst i stærkt lys og er ansvarlige for synet med høj opløsning. Der er ca. 6 millioner kegler i den menneskelige nethinde. Der findes tre typer af kegler, og hver type er følsomme over for forskellige bølgelængdeområder, som illustreret i figur 1.

    En forenklet teori om farvesynet er, at der findes tre primærfarver svarende til de tre typer kegler. De tusindvis af andre farvenuancer, som vi kan skelne mellem, er skabt af forskellige kombinationer af stimulationer af de tre typer kegler. Farvefjernsyn anvender et trefarvet system, hvor skærmen er dækket af lige mange røde, grønne og blå fosforpletter. Det brede spektrum af farvetoner, som seeren ser, er resultatet af forskellige kombinationer af disse tre farver. F.eks. vil man opfatte gul, når rød og grøn er belyst med det korrekte intensitetsforhold. Hvid kan opfattes, når alle tre farver er belyst. Så det ser ud til, at alle nuancer kan frembringes ved at tilføje tre primærfarver i forskellige proportioner. Men der er noget, der tyder på, at farvesynet er mere sofistikeret. Der findes ikke et unikt sæt af tre primærfarver. Et andet sæt, der fungerer, er gul, grøn og blå. En yderligere indikation af behovet for en mere kompleks teori om farvesynet er, at forskellige kombinationer kan give den samme farvetone. Gul kan opfattes med gult lys eller med en kombination af rødt og grønt, og også med hvidt lys, hvorfra violet er fjernet. Aspektet med de tre primære farver i farvesynet er veletableret; mere sofistikerede teorier udvider det snarere end at benægte det.

    Tænk over, hvorfor forskellige genstande viser farve – det vil sige, hvorfor er fjer blå og røde i en karminrød rosella? Den sande farve af en genstand er defineret af dens absorberende eller reflekterende egenskaber. Figur 2 viser hvidt lys, der falder på tre forskellige genstande, en ren blå, en ren rød og en sort, samt rent rødt lys, der falder på en hvid genstand. Andre farvetoner skabes af mere komplekse absorptionsegenskaber. Pink, f.eks. på en galahkakadue, kan f.eks. skyldes svag absorption af alle farver undtagen rødt. Et objekt kan fremstå i en anden farve ved anden belysning end hvidt lys. F.eks. vil et rent blåt objekt, der belyses med rent rødt lys, fremstå sort, fordi det absorberer alt det røde lys, der falder på det. Men objektets sande farve er blå, hvilket er uafhængigt af belysningen.

    Fire flade rektangulære strukturer, der benævnes blå objekt, rødt objekt, sort objekt og hvidt objekt, er vist. De røde, blå og sorte objekter er belyst af hvidt lys, der er vist ved seks stråler af rød, orange, gul, grøn, blå og violet. Det blå rektangel udsender blå stråler, og det fremstår blåt. Det røde rektangel udsender røde stråler, og det fremstår rødt, mens det sorte rektangel har absorberet alle farver og fremstår sort. Det hvide rektangel er kun belyst af rødt lys og udsender røde stråler, men fremstår hvidt.

    Figur 2. Absorptionsegenskaber bestemmer en genstands sande farve. Her er tre objekter belyst af hvidt lys og et af rent rødt lys. Hvid er den lige store blanding af alle synlige bølgelængder; sort er fraværet af lys.

    På samme måde har lyskilder farver, der defineres af de bølgelængder, de producerer. En helium-neon-laser udsender rent rødt lys. Faktisk er udtrykket “rent rødt lys” defineret ved at have et skarpt afgrænset spektrum, hvilket er et kendetegn for laserlys. Solen har et bredt gulligt spektrum, fluorescerende lys udsender blåligt hvidt lys, og glødelamper udsender rødligt hvide nuancer, som det ses i figur 3. Som man kan forvente, fornemmer man disse farver, når man ser direkte på lyskilden, eller når man belyser en hvid genstand med dem. Alt dette passer fint ind i den forenklede teori om, at en kombination af bølgelængder giver forskellige farvetoner.

    Take-Home-eksperiment: Udforsk farveaddition

    Denne aktivitet udføres bedst med plastikplader i forskellige farver, da de tillader mere lys at passere igennem til vores øjne. Man kan dog også bruge tynde papirark og stof. Læg forskellige farver af materialet over hinanden, og hold dem op mod et hvidt lys. Forklar ved hjælp af den ovenfor beskrevne teori de farver, du observerer. Du kan også prøve at blande forskellige farvekridt.

    Fire kurver, der viser emissionsspektre for lyskilder som Solen vist som kurve A, fluorescerende lyskilde vist som kurve B, glødelys som kurve C og helium-neon-laserlyskilde som kurve D, er afbildet i en graf med relativ intensitet i forhold til bølgelængden. Kurve A er en simpel kurve. Kurve B har fire spidser med forskellig intensitet. Kurve C er en lineær kurve. Kurve D er repræsenteret som en spids med en relativ intensitet på omkring to hundrede og tyve på skalaen fra nul til to hundrede og tyve og en bølgelængde på omkring seks hundrede og tyve nanometer.

    Figur 3. Emissionsspektre for forskellige lyskilder er vist. Kurve A er gennemsnitligt sollys ved jordens overflade, kurve B er lys fra en lysstofrørslampe, og kurve C er udstrålingen fra en glødelampe. Spidsen for en helium-neon-laser (kurve D) skyldes dens emission med ren bølgelængde. Spidserne i det fluorescerende output skyldes atomspektrer – et emne, der vil blive udforsket senere.

    Farvekonstanthed og en modificeret teori om farvesynet

    Øje-hjernefarvesansystemet kan ved at sammenligne forskellige objekter i dets synsfelt opfatte den sande farve af et objekt under varierende lysforhold – en evne, der kaldes farvekonstanthed. Vi kan f.eks. fornemme, at en hvid dug er hvid, uanset om den er belyst af sollys, fluorescerende lys eller stearinlys. De bølgelængder, der kommer ind i øjet, er ganske forskellige i hvert enkelt tilfælde, som graferne i figur 3 antyder, men vores farvesyn kan registrere den sande farve ved at sammenligne dugen med dens omgivelser.

    Et billede af sort og grå gradient i strimmelmønster er vist i første figur. En trindiagram i stigende rækkefølge under billedet viser de faktiske lysintensiteter i ovenstående mønster. Grafen ser ensartet ud, da de grå striber også er ensartede, men det er de ikke. I stedet opfattes de mørkere på den mørke side og lysere på den lyse side af kanten, som det fremgår af grafen nedenunder, der viser en tringraf med spidser i begyndelsen af det næste trin.

    Figur 4. Betydningen af kanter er vist. Selv om de grå striber er ensartede skraverede, som det fremgår af grafen umiddelbart under dem, ser de slet ikke ensartede ud. I stedet opfattes de som mørkere på den mørke side og lysere på den lyse side af kanten, som det fremgår af den nederste graf. Dette skyldes nerveimpulsbehandling i øjet.

    Teorier, der tager højde for farvekonstans, er baseret på en lang række anatomiske beviser samt perceptuelle undersøgelser. Der er nerveforbindelser mellem lysreceptorerne på nethinden, og der er langt færre nerveforbindelser til hjernen, end der er stave og kegler. Det betyder, at der foregår en signalbehandling i øjet, før informationen sendes til hjernen. Øjet foretager f.eks. sammenligninger mellem tilstødende lysreceptorer og er meget følsomt over for kanter, som det ses i figur 4. I stedet for blot at reagere på det lys, der kommer ind i øjet, som er ensartet i de forskellige rektangler i denne figur, reagerer øjet på kanterne og registrerer falske mørkevariationer.

    En teori, der tager forskellige faktorer i betragtning, blev fremsat af Edwin Land (1909-1991), den kreative grundlægger af Polaroid Corporation. Land foreslog, bl.a. på baggrund af sine mange elegante eksperimenter, at de tre typer kogler er organiseret i systemer kaldet retinexes. Hver retinex danner et billede, der sammenlignes med de andre, og øjen-hjerne-systemet kan således sammenligne en hvid dug, der er belyst af et stearinlys, med dens generelt rødlige omgivelser og fastslå, at den faktisk er hvid. Denne retinex-teori om farvesynet er et eksempel på modificerede teorier om farvesynet, som forsøger at redegøre for dets finurligheder. Et bemærkelsesværdigt eksperiment udført af Land viser, at en vis form for billedsammenligning kan give farvesyn. Der tages to billeder af en scene på sort-hvid film, hvoraf det ene er taget med et rødt filter og det andet med et blåt filter. De resulterende sort-hvide lysbilleder projiceres og overlejres derefter på en skærm, hvilket giver et sort-hvidt billede, som forventet. Derefter placeres et rødt filter foran det dias, der er taget med et rødt filter, og billederne overlejres igen på et lærred. Man ville forvente et billede i forskellige nuancer af lyserødt, men i stedet ser billedet ud som mennesker i fuld farve med alle nuancer fra den oprindelige scene. Dette antyder, at farvesyn kan fremkaldes ved sammenligning af sort-hvide og røde billeder. Farvesynet er ikke helt forstået eller forklaret, og retinex-teorien er ikke helt accepteret. Det er tydeligt, at farvesynet er meget mere subtilt, end hvad et første blik kunne antyde.

    PhET Explorations: Farvesyn

    Skab en hel regnbue ved at blande rødt, grønt og blåt lys. Ændr bølgelængden af en monokromatisk stråle eller filtrer hvidt lys. Se lyset som en fast stråle eller se de enkelte fotoner.

    Skærmbillede af farvesynet.

    Klik for at køre simuleringen.

    Sammenfatning af afsnittet

    • Øjet har fire typer lysreceptorer-stænger og tre typer farvefølsomme kegleformede poder.
    • Stængerne er gode til nattesyn, perifert syn og bevægelsesændringer, mens keglerne er ansvarlige for det centrale syn og farver.
    • Vi opfatter mange nuancer, fra lys, der har blandinger af bølgelængder.
    • En forenklet teori om farvesynet siger, at der er tre primære farver, som svarer til de tre typer kogler, og at forskellige kombinationer af de primære farver giver alle nuancer.
    • En genstands sande farve er relateret til dens relative absorption af forskellige bølgelængder af lys. En lyskildes farve er relateret til de bølgelængder, den producerer.
    • Farvekonstans er øjen-hjerne-systemets evne til at skelne den sande farve af et objekt belyst af forskellige lyskilder.
    • Retinex-teorien om farvesyn forklarer farvekonstans ved at postulere eksistensen af tre retinexer eller billedsystemer, der er forbundet med de tre typer af kogler, som sammenlignes for at opnå sofistikeret information.

    Begrebsspørgsmål

    1. En ren rød genstand på en sort baggrund synes at forsvinde, når den belyses med rent grønt lys. Forklar hvorfor.
    2. Hvad er farvekonstans, og hvad er dens begrænsninger?
    3. Der findes forskellige former for farveblindhed, der er relateret til funktionsfejl i forskellige typer af kogler. Hvorfor ville det være særlig nyttigt at studere de sjældne personer, der kun er farveblinde på det ene øje, eller som har en anden type farveblindhed på hvert øje?
    4. Foreslå en måde at studere funktionen af stavene alene, da de kan opfatte lys, der er ca. 1000 gange svagere end keglerne.

    Glossar

    huer: identitet af en farve, som den specifikt vedrører spektret

    stave og tappe: to typer fotoreceptorer i den menneskelige nethinde; stave er ansvarlige for synet ved lavt lysniveau, mens kegler er aktive ved højere lysniveauer

    simplificeret teori om farvesyn: en teori, der fastslår, at der findes tre primærfarver, som svarer til de tre typer kegler

    farvekonstans: en del af det visuelle perceptionssystem, der gør det muligt for mennesker at opfatte farver under forskellige forhold og at se en vis konsistens i farven

    retinex: en teori, der er foreslået for at forklare farve- og lysstyrkeopfattelse og konstanser; er en kombination af ordene nethinde og cortex, som er de to områder, der er ansvarlige for behandlingen af visuel information

    retinex-teori om farvesyn: evnen til at opfatte farver i et omgivelsesfarvet miljø

    Skriv en kommentar