Fizică

Darul vederii este îmbogățit de existența culorilor. Obiectele și luminile abundă în mii de nuanțe care ne stimulează ochii, creierul și emoțiile. Două întrebări de bază sunt abordate în acest scurt tratament – ce înseamnă culoarea în termeni științifici și cum o percepem noi, ca oameni?

Teorie simplă a viziunii culorilor

Am remarcat deja că culoarea este asociată cu lungimea de undă a radiației electromagnetice vizibile. Atunci când ochii noștri primesc lumină cu lungime de undă pură, avem tendința de a vedea doar câteva culori. Șase dintre acestea (cele mai des enumerate) sunt roșu, portocaliu, galben, verde, albastru și violet. Acestea reprezintă curcubeul de culori produse atunci când lumina albă este dispersată în funcție de diferite lungimi de undă. Există mii de alte nuanțe pe care le putem percepe. Printre acestea se numără maro, verdele, auriu, roz și alb. O teorie simplă a vederii culorilor implică faptul că toate aceste nuanțe sunt răspunsul ochiului nostru la diferite combinații de lungimi de undă. Acest lucru este adevărat într-o anumită măsură, dar descoperim că percepția culorilor este chiar mai subtilă decât răspunsul ochiului nostru pentru diferite lungimi de undă ale luminii.

Cele două tipuri majore de celule de detectare a luminii (fotoreceptori) din retină sunt bastonașele și conurile

Figura 1. Imaginea arată sensibilitatea relativă a celor trei tipuri de conuri, care sunt denumite în funcție de lungimile de undă cu cea mai mare sensibilitate. Bastonașele sunt de aproximativ 1000 de ori mai sensibile, iar curba lor atinge vârful la aproximativ 500 nm. Dovezile privind cele trei tipuri de conuri provin din măsurători directe în ochii animalelor și ai oamenilor și din testele efectuate pe persoane daltoniene.

Conele sunt cel mai mult concentrate în fovea, regiunea centrală a retinei. Aici nu există bastonașe. Fovea se află în centrul maculei, o regiune cu diametrul de 5 mm responsabilă de vederea noastră centrală. Conurile funcționează cel mai bine în lumină puternică și sunt responsabile pentru vederea de înaltă rezoluție. Există aproximativ 6 milioane de conuri în retina umană. Există trei tipuri de conuri și fiecare tip este sensibil la diferite game de lungimi de undă, așa cum este ilustrat în figura 1.

O teorie simplificată a vederii culorilor este că există trei culori primare care corespund celor trei tipuri de conuri. Miile de alte nuanțe între care putem distinge sunt create prin diverse combinații de stimulare a celor trei tipuri de conuri. Televiziunea color utilizează un sistem cu trei culori în care ecranul este acoperit cu un număr egal de puncte fosforice roșii, verzi și albastre. Gama largă de nuanțe pe care o vede un telespectator este produsă de diverse combinații ale acestor trei culori. De exemplu, veți percepe galbenul atunci când roșul și verdele sunt iluminate cu un raport corect de intensități. Albul poate fi perceput atunci când toate cele trei sunt iluminate. Apoi, s-ar părea că toate nuanțele pot fi produse prin adăugarea celor trei culori primare în diferite proporții. Dar există un indiciu că vederea culorilor este mai sofisticată. Nu există un set unic de trei culori primare. Un alt set care funcționează este galben, verde și albastru. Un alt indiciu al necesității unei teorii mai complexe a viziunii culorilor este faptul că diverse combinații diferite pot produce aceeași nuanță. Galbenul poate fi perceput cu lumină galbenă, sau cu o combinație de roșu și verde, precum și cu lumină albă din care a fost eliminat violetul. Aspectul celor trei culori primare al viziunii culorilor este bine stabilit; teoriile mai sofisticate îl extind mai degrabă decât îl neagă.

Considerați de ce diverse obiecte afișează culoarea – adică, de ce sunt penele albastre și roșii într-o rozeta purpurie? Adevărata culoare a unui obiect este definită de caracteristicile sale absorbante sau reflectante. Figura 2 prezintă lumina albă care cade pe trei obiecte diferite, unul albastru pur, unul roșu pur și unul negru, precum și lumina roșie pură care cade pe un obiect alb. Alte nuanțe sunt create de caracteristici de absorbție mai complexe. Rozul, de exemplu pe un cacadu galah, se poate datora unei slabe absorbții a tuturor culorilor, cu excepția roșului. Un obiect poate apărea de o culoare diferită sub o iluminare care nu este albă. De exemplu, un obiect albastru pur iluminat cu lumină roșie pură va părea negru, deoarece acesta absoarbe toată lumina roșie care cade pe el. Dar, adevărata culoare a obiectului este albastru, care este independentă de iluminare.

În mod similar, sursele de lumină au culori care sunt definite de lungimile de undă pe care le produc. Un laser cu heliu-neon emite lumină roșie pură. De fapt, sintagma „lumină roșie pură” este definită prin faptul că are un spectru constrâns ascuțit, o caracteristică a luminii laser. Soarele produce un spectru gălbui larg, luminile fluorescente emit o lumină alb-albastră, iar luminile cu incandescență emit nuanțe alb-roșiatice, după cum se vede în figura 3. După cum v-ați aștepta, percepeți aceste culori atunci când priviți direct sursa de lumină sau când iluminați cu ele un obiect alb. Toate acestea se încadrează perfect în teoria simplificată conform căreia o combinație de lungimi de undă produce diferite nuanțe.

Figura 3. Sunt prezentate spectrele de emisie pentru diferite surse de lumină. Curba A reprezintă lumina medie a soarelui la suprafața Pământului, curba B este lumina provenită de la o lampă fluorescentă, iar curba C este emisia unei lămpi cu incandescență. Vârful pentru un laser cu heliu-neon (curba D) se datorează emisiei sale cu lungime de undă pură. Vârfurile din emisia fluorescentă se datorează spectrelor atomice – un subiect care va fi explorat mai târziu.

Constanța culorii și o teorie modificată a viziunii culorilor

Sistemul de detectare a culorilor din creierul ocular poate, prin compararea diferitelor obiecte pe care le vede, să perceapă adevărata culoare a unui obiect în condiții de iluminare variate – o abilitate care se numește constanța culorii. Putem simți că o față de masă albă, de exemplu, este albă indiferent dacă este luminată de lumina soarelui, de lumina fluorescentă sau de lumina lumânărilor. Lungimile de undă care intră în ochi sunt destul de diferite în fiecare caz, așa cum reiese din graficele din figura 3, dar vederea noastră cromatică poate detecta adevărata culoare prin compararea feței de masă cu împrejurimile sale.

Figura 4. Se arată importanța marginilor. Deși benzile gri sunt umbrite uniform, așa cum indică graficul imediat sub ele, ele nu par deloc uniforme. În schimb, ele sunt percepute mai întunecate pe partea întunecată și mai deschise pe partea deschisă a muchiei, așa cum se arată în graficul de jos. Acest lucru se datorează procesării impulsurilor nervoase în ochi.

Teoriile care iau în considerare constanța culorilor se bazează pe un număr mare de dovezi anatomice, precum și pe studii perceptuale. Există conexiuni nervoase între receptorii de lumină de pe retină și există mult mai puține conexiuni nervoase cu creierul decât există bastonașe și conuri. Acest lucru înseamnă că există o procesare a semnalului în ochi înainte ca informația să fie trimisă la creier. De exemplu, ochiul face comparații între receptorii de lumină adiacenți și este foarte sensibil la margini, așa cum se vede în figura 4. În loc să răspundă pur și simplu la lumina care intră în ochi, care este uniformă în diferitele dreptunghiuri din această figură, ochiul răspunde la margini și simte falsele variații ale întunericului.

O teorie care ia în considerare diverși factori a fost avansată de Edwin Land (1909-1991), fondatorul creativ al Polaroid Corporation. Land a propus, bazându-se parțial pe numeroasele sale experimente elegante, că cele trei tipuri de conuri sunt organizate în sisteme numite retinexuri. Fiecare retinex formează o imagine care este comparată cu celelalte, iar sistemul ochi-creier poate astfel să compare o față de masă albă luminată cu lumânarea unei lumânări cu împrejurimile sale în general roșiatice și să determine că este de fapt albă. Această teorie retinex a viziunii culorilor este un exemplu de teorii modificate ale viziunii culorilor care încearcă să explice subtilitățile acesteia. Un experiment surprinzător realizat de Land demonstrează că un anumit tip de comparare a imaginilor poate produce vederea culorilor. Se fac două fotografii ale unei scene pe un film alb-negru, una folosind un filtru roșu, iar cealaltă un filtru albastru. Diapozitivele alb-negru rezultate sunt apoi proiectate și suprapuse pe un ecran, producând o imagine alb-negru, așa cum era de așteptat. Apoi, un filtru roșu este plasat în fața diapozitivului realizat cu un filtru roșu, iar imaginile sunt din nou suprapuse pe un ecran. V-ați aștepta la o imagine în diverse nuanțe de roz, dar, în schimb, imaginea pare a fi cea a oamenilor în culori, cu toate nuanțele scenei originale. Acest lucru implică faptul că vederea în culori poate fi indusă prin compararea imaginilor alb-negru și a celor roșii. Vederea culorilor nu este complet înțeleasă sau explicată, iar teoria retinex nu este acceptată în totalitate. Este evident că vederea culorilor este mult mai subtilă decât ceea ce ar putea implica o primă privire.

Explorări PhET: Vederea culorilor

Realizați un întreg curcubeu amestecând lumina roșie, verde și albastră. Schimbați lungimea de undă a unui fascicul monocromatic sau filtrați lumina albă. Vizualizați lumina ca un fascicul solid sau vedeți fotonii individuali.

Click pentru a rula simularea.

Sinteza secțiunii

• Ochiul are patru tipuri de receptori de lumină – tije și trei tipuri de conuri sensibile la culoare.
• Bățioagele sunt bune pentru viziunea nocturnă, viziunea periferică și schimbările de mișcare, în timp ce conurile sunt responsabile de viziunea centrală și de culoare.
• Percepem multe nuanțe, din lumina care are amestecuri de lungimi de undă.
• O teorie simplificată a vederii culorilor afirmă că există trei culori primare, care corespund celor trei tipuri de conuri, și că diverse combinații ale culorilor primare produc toate nuanțele.
• Culoarea adevărată a unui obiect este legată de absorbția sa relativă a diferitelor lungimi de undă ale luminii. Culoarea unei surse de lumină este legată de lungimile de undă pe care le produce.
• Constanța culorii este capacitatea sistemului ochi-creier de a discerne adevărata culoare a unui obiect luminat de diferite surse de lumină.
• Teoria retinexului viziunii culorilor explică constanța culorilor prin postularea existenței a trei retinexuri sau sisteme de imagini, asociate cu cele trei tipuri de conuri care sunt comparate pentru a obține informații sofisticate.

Glosar

cuiburi: identitatea unei culori, așa cum se raportează în mod specific la spectru

conii și bastonașe: două tipuri de fotoreceptori din retina umană; bastonașele sunt responsabile de vederea la niveluri scăzute de lumină, în timp ce conurile sunt active la niveluri mai ridicate de lumină

teoria simplificată a vederii culorilor: o teorie care afirmă că există trei culori primare, care corespund celor trei tipuri de conuri

constanța culorilor: o parte a sistemului de percepție vizuală care permite oamenilor să perceapă culoarea într-o varietate de condiții și să vadă o anumită constanță a culorii

retinex: o teorie propusă pentru a explica percepția și constanțele culorii și ale luminozității; este o combinație a cuvintelor retină și cortex, care sunt cele două zone responsabile de procesarea informațiilor vizuale

teoria retinei viziunii culorilor: capacitatea de a percepe culoarea într-un mediu ambiental colorat

.