Fysica

De gave van het zien wordt rijker door het bestaan van kleur. Objecten en lichten zijn er in overvloed met duizenden kleurschakeringen die onze ogen, hersenen en emoties prikkelen. Twee fundamentele vragen worden in deze korte behandeling behandeld – wat betekent kleur in wetenschappelijke termen, en hoe nemen wij, als mensen, het waar?

Eenvoudige Theorie van Kleurenvisie

We hebben reeds opgemerkt dat kleur wordt geassocieerd met de golflengte van zichtbare elektromagnetische straling. Wanneer onze ogen licht ontvangen met een zuivere golflengte, zijn wij geneigd slechts enkele kleuren te zien. Zes daarvan (die het vaakst worden genoemd) zijn rood, oranje, geel, groen, blauw en violet. Dit is de regenboog van kleuren die ontstaat wanneer wit licht wordt verspreid volgens verschillende golflengten. Er zijn nog duizenden andere tinten die wij kunnen waarnemen. Hiertoe behoren bruin, groenblauw, goud, roze en wit. Een eenvoudige theorie over kleurenvisie houdt in dat al deze kleurschakeringen de reactie van ons oog zijn op verschillende combinaties van golflengten. Dit is tot op zekere hoogte waar, maar wij vinden dat kleurwaarneming nog subtieler is dan de reactie van ons oog op verschillende golflengten van licht.

De twee belangrijkste soorten lichtgevoelige cellen (fotoreceptoren) in het netvlies zijn staafjes en kegeltjes

De kegeltjes zijn het meest geconcentreerd in de fovea, het centrale gebied van het netvlies. Er zijn hier geen staafjes. De fovea ligt in het centrum van de macula, een gebied met een diameter van 5 mm dat verantwoordelijk is voor ons centrale gezichtsvermogen. De kegeltjes werken het best bij helder licht en zijn verantwoordelijk voor het zicht met een hoge resolutie. Er zijn ongeveer 6 miljoen kegeltjes in het menselijk netvlies. Er zijn drie soorten kegeltjes, en elk type is gevoelig voor verschillende golflengten, zoals geïllustreerd in figuur 1.

Een vereenvoudigde theorie van kleurenvisie is dat er drie primaire kleuren zijn die overeenkomen met de drie soorten kegeltjes. De duizenden andere tinten die we kunnen onderscheiden, worden gecreëerd door verschillende combinaties van stimulaties van de drie soorten kegeltjes. Kleurentelevisie maakt gebruik van een driekleurensysteem waarbij het scherm is bedekt met gelijke aantallen rode, groene en blauwe fosforpunten. Het brede scala van kleurschakeringen dat een kijker ziet, wordt geproduceerd door verschillende combinaties van deze drie kleuren. Geel wordt bijvoorbeeld waargenomen wanneer rood en groen in de juiste verhouding van intensiteit worden belicht. Wit kan worden waargenomen wanneer alle drie verlicht zijn. Het lijkt er dus op dat alle tinten kunnen worden geproduceerd door de drie primaire kleuren in verschillende verhoudingen bij elkaar op te tellen. Maar er is een aanwijzing dat kleurwaarneming meer gesofisticeerd is. Er is geen unieke set van drie primaire kleuren. Een andere set die werkt is geel, groen en blauw. Een verdere aanwijzing voor de noodzaak van een complexere theorie van kleurwaarneming is dat verschillende combinaties dezelfde tint kunnen opleveren. Geel kan worden waargenomen met geel licht, of met een combinatie van rood en groen, en ook met wit licht waaruit violet is verwijderd. Het drie-primaire-kleuren-aspect van kleurenwaarneming is welbekend; meer verfijnde theorieën breiden het uit in plaats van het te ontkennen.

Bedenk eens waarom verschillende voorwerpen kleur vertonen – waarom zijn veren blauw en rood in een karmozijnrode rosella? De ware kleur van een voorwerp wordt bepaald door zijn absorberende of reflecterende eigenschappen. Figuur 2 toont wit licht dat op drie verschillende voorwerpen valt, één zuiver blauw, één zuiver rood en één zwart, en zuiver rood licht dat op een wit voorwerp valt. Andere tinten ontstaan door complexere absorptiekenmerken. Roze, bijvoorbeeld bij een galahkaketoe, kan het gevolg zijn van een zwakke absorptie van alle kleuren behalve rood. Een voorwerp kan een andere kleur lijken bij niet-witte verlichting. Bijvoorbeeld, een zuiver blauw voorwerp dat verlicht wordt met zuiver rood licht zal zwart lijken, omdat het al het rode licht absorbeert dat erop valt. Maar de echte kleur van het voorwerp is blauw, en die is onafhankelijk van de verlichting.

Ook lichtbronnen hebben kleuren die worden bepaald door de golflengten die zij produceren. Een helium-neonlaser zendt zuiver rood licht uit. In feite wordt de uitdrukking “zuiver rood licht” gedefinieerd door het hebben van een scherp begrensd spectrum, een kenmerk van laserlicht. De zon produceert een breed geelachtig spectrum, fluorescentielampen zenden blauwachtig wit licht uit, en gloeilampen zenden roodachtig witte tinten uit, zoals te zien is in figuur 3. Zoals je zou verwachten, voel je deze kleuren wanneer je rechtstreeks naar de lichtbron kijkt of wanneer je er een wit voorwerp mee verlicht. Dit alles past keurig in de vereenvoudigde theorie dat een combinatie van golflengten verschillende tinten produceert.

Kleurstabiliteit en een aangepaste theorie van kleurenvisie

Het kleurensysteem van de oog-hersenen kan, door verschillende voorwerpen in zijn blikveld te vergelijken, de ware kleur van een voorwerp waarnemen onder wisselende lichtomstandigheden – een vermogen dat kleurstabiliteit wordt genoemd. Wij kunnen bijvoorbeeld waarnemen dat een wit tafelkleed wit is, ongeacht of het verlicht wordt door zonlicht, fluorescerend licht of kaarslicht. De golflengten die het oog binnenkomen zijn in elk geval verschillend, zoals de grafieken in figuur 3 impliceren, maar ons kleurenzicht kan de ware kleur waarnemen door het tafelkleed te vergelijken met zijn omgeving.

Theorieën die rekening houden met kleurstabiliteit zijn gebaseerd op een grote hoeveelheid anatomisch bewijsmateriaal, alsmede op perceptuele studies. Er zijn zenuwverbindingen tussen de lichtreceptoren op het netvlies, en er zijn veel minder zenuwverbindingen met de hersenen dan er staafjes en kegeltjes zijn. Dit betekent dat er signaalverwerking in het oog plaatsvindt voordat de informatie naar de hersenen wordt gestuurd. Het oog maakt bijvoorbeeld vergelijkingen tussen aangrenzende lichtreceptoren en is zeer gevoelig voor randen, zoals te zien is in figuur 4. In plaats van alleen te reageren op het licht dat het oog binnenvalt, dat uniform is in de verschillende rechthoeken in deze figuur, reageert het oog op de randen en voelt het valse donkerheidsvariaties.

Een theorie die rekening houdt met verschillende factoren werd naar voren gebracht door Edwin Land (1909-1991), de creatieve oprichter van de Polaroid Corporation. Land stelde voor, mede op basis van zijn vele elegante experimenten, dat de drie soorten kegeltjes zijn georganiseerd in systemen die retinexen worden genoemd. Elke retinex vormt een beeld dat met de andere wordt vergeleken, en het oog-hersensysteem kan zo een door een kaars verlicht wit tafelkleed vergelijken met de doorgaans roodachtige omgeving en vaststellen dat het werkelijk wit is. Deze retinex-theorie van kleurwaarneming is een voorbeeld van gewijzigde theorieën van kleurwaarneming die trachten rekenschap te geven van de subtiliteiten ervan. Een opvallend experiment dat door Land werd uitgevoerd toont aan dat een vorm van beeldvergelijking kleurwaarneming kan opleveren. Twee opnamen worden gemaakt van een scène op zwart-wit film, de ene met een rood filter, de andere met een blauw filter. De resulterende zwart-wit dia’s worden vervolgens geprojecteerd en over elkaar heen gelegd op een scherm, waardoor een zwart-wit beeld ontstaat, zoals verwacht. Vervolgens wordt een rood filter geplaatst voor de dia die met een rood filter is genomen, en de beelden worden opnieuw over elkaar heen op een scherm geprojecteerd. Men zou een beeld in verschillende tinten roze verwachten, maar in plaats daarvan verschijnt het beeld voor de mens in volle kleur met alle tinten van de oorspronkelijke scène. Dit impliceert dat kleurenvisie kan worden geïnduceerd door vergelijking van de zwart-wit en rode beelden. Kleurenvisie wordt niet volledig begrepen of verklaard, en de retinex-theorie wordt niet volledig aanvaard. Het is duidelijk dat kleurenvisie veel subtieler is dan op het eerste gezicht lijkt.