Lärandemål
I slutet av det här avsnittet kommer du att kunna:
- förklara den enkla teorin om färgseende.
- Uttala om ljuskällors färgningsegenskaper.
- Beskriv retinex-teorin för färgseende.
Synens gåva blir rikare genom förekomsten av färg. Föremål och ljus överflödar med tusentals nyanser som stimulerar våra ögon, hjärnor och känslor. Två grundläggande frågor tas upp i denna korta behandling – vad betyder färg i vetenskapliga termer och hur uppfattar vi människor den?
Enklare teori om färgseende
Vi har redan noterat att färg är förknippad med våglängden hos synlig elektromagnetisk strålning. När våra ögon tar emot ljus med ren våglängd tenderar vi att se endast ett fåtal färger. Sex av dessa (oftast uppräknade) är rött, orange, gult, grönt, blått och violett. Dessa är den regnbåge av färger som uppstår när vitt ljus sprids enligt olika våglängder. Det finns tusentals andra nyanser som vi kan uppfatta. Dessa inkluderar brunt, kungsfisk, guld, rosa och vitt. En enkel teori om färgseende innebär att alla dessa nyanser är vårt ögons svar på olika kombinationer av våglängder. Detta stämmer till viss del, men vi finner att färguppfattningen är ännu mer subtil än vårt ögons svar på olika våglängder av ljus.
De två största typerna av ljuskänsliga celler (fotoreceptorer) i näthinnan är stavar och kottar
Experiment att ta med hem: Gå in i ett mörkt rum från ett starkt upplyst rum, eller från utomhus i solen. Hur lång tid tog det innan du började se formerna tydligare? Hur är det med färger? Gå tillbaka till det ljusa rummet. Tog det några minuter innan du kunde se saker tydligt?
Figur 1. Bilden visar den relativa känsligheten hos de tre typerna av kottar, som är namngivna efter de våglängder där känsligheten är störst. Stavar är ungefär 1000 gånger känsligare och deras kurva kulminerar vid ungefär 500 nm. Bevis för de tre typerna av tappar kommer från direkta mätningar i djur- och människoögon och från tester av färgblinda personer.
Tapparna är mest koncentrerade i fovea, den centrala delen av näthinnan. Här finns inga stavar. Fovea ligger i mitten av makula, ett område med en diameter på 5 mm som ansvarar för vår centrala syn. Kottarna fungerar bäst i starkt ljus och är ansvariga för synen med hög upplösning. Det finns cirka 6 miljoner tappar i människans näthinna. Det finns tre typer av kottar och varje typ är känslig för olika våglängdsområden, vilket illustreras i figur 1.
En förenklad teori om färgseende är att det finns tre primärfärger som motsvarar de tre typerna av kottar. De tusentals andra nyanser som vi kan urskilja skapas av olika kombinationer av stimuleringar av de tre typerna av kottar. Färg-TV använder ett trefärgssystem där skärmen är täckt med lika många röda, gröna och blå fosforpunkter. Det breda spektrum av nyanser som tittaren ser skapas av olika kombinationer av dessa tre färger. Till exempel uppfattar du gult när rött och grönt belyses med rätt förhållande mellan intensiteterna. Vit kan uppfattas när alla tre färgerna är upplysta. Det verkar alltså som om alla nyanser kan framställas genom att lägga till tre primärfärger i olika proportioner. Men det finns en indikation på att färgseende är mer sofistikerat. Det finns ingen unik uppsättning av tre primärfärger. En annan uppsättning som fungerar är gul, grön och blå. Ytterligare en indikation på behovet av en mer komplex teori om färgseende är att flera olika kombinationer kan ge samma nyans. Gult kan uppfattas med gult ljus, eller med en kombination av rött och grönt, och även med vitt ljus från vilket violett har avlägsnats. Aspekten med tre primära färger i färgseendet är väl etablerad; mer sofistikerade teorier utökar den snarare än förnekar den.
Fundera över varför olika föremål uppvisar färg – det vill säga, varför är fjädrar blå och röda i en karmosinröd rosella? Ett föremåls verkliga färg definieras av dess absorberande eller reflekterande egenskaper. Figur 2 visar vitt ljus som faller på tre olika föremål, ett rent blått, ett rent rött och ett svart, samt rent rött ljus som faller på ett vitt föremål. Andra nyanser skapas av mer komplexa absorptionsegenskaper. Rosa, till exempel på en galahkakadu, kan bero på svag absorption av alla färger utom rött. Ett föremål kan ha en annan färg vid icke-vit belysning. Ett rent blått föremål som belyses med rent rött ljus kommer till exempel att framstå som svart, eftersom det absorberar allt rött ljus som faller på det. Men föremålets sanna färg är blå, vilket är oberoende av belysningen.
Figur 2. Absorptionsegenskaperna bestämmer ett objekts sanna färg. Här belyses tre föremål med vitt ljus och ett med rent rött ljus. Vit är den jämna blandningen av alla synliga våglängder; svart är frånvaron av ljus.
På samma sätt har ljuskällor färger som definieras av de våglängder de avger. En helium-neonlaser avger rent rött ljus. Faktum är att uttrycket ”rent rött ljus” definieras av att det har ett skarpt begränsat spektrum, vilket är karakteristiskt för laserljus. Solen producerar ett brett gulaktigt spektrum, fluorescerande lampor avger blåvitt ljus och glödlampor avger rödvita nyanser, vilket framgår av figur 3. Som man kan förvänta sig uppfattar man dessa färger när man betraktar ljuskällan direkt eller när man belyser ett vitt föremål med dem. Allt detta passar väl in i den förenklade teorin att en kombination av våglängder ger olika nyanser.
Experiment att ta med sig hem: Denna aktivitet görs bäst med plastark i olika färger eftersom de släpper igenom mer ljus till våra ögon. Tunna pappersark och tyg kan dock också användas. Lägg över olika färger av materialet och håll upp dem mot ett vitt ljus. Förklara med hjälp av den teori som beskrivs ovan vilka färger du observerar. Du kan också prova att blanda olika kritfärger.
Figur 3. Emissionsspektra för olika ljuskällor visas. Kurva A är genomsnittligt solljus vid jordens yta, kurva B är ljus från en lysrörslampa och kurva C är effekten från en glödlampa. Spiken för en helium-neonlaser (kurva D) beror på dess emission med ren våglängd. Spikarna i fluorescensutgången beror på atomspektrum – ett ämne som kommer att undersökas senare.
Färgkonstans och en modifierad teori om färgseende
Ögonhjärnans färgsensorsystem kan, genom att jämföra olika objekt i dess synfält, uppfatta ett objekts sanna färg under varierande ljusförhållanden – en förmåga som kallas för färgkonstans. Vi kan känna att en vit duk, till exempel, är vit oavsett om den belyses av solljus, fluorescerande ljus eller stearinljus. De våglängder som kommer in i ögat är helt olika i varje fall, vilket graferna i figur 3 antyder, men vårt färgseende kan upptäcka den sanna färgen genom att jämföra duken med dess omgivning.
Figur 4. Betydelsen av kanter visas. Även om de grå remsorna är jämnt skuggade, vilket framgår av grafen omedelbart under dem, verkar de inte alls jämna. I stället upplevs de mörkare på den mörka sidan och ljusare på den ljusa sidan av kanten, vilket framgår av den nedre grafen. Detta beror på nervimpulsbehandling i ögat.
Teorier som tar hänsyn till färgkonstans bygger på ett stort antal anatomiska bevis samt perceptuella studier. Det finns nervförbindelser mellan ljusreceptorerna på näthinnan, och det finns betydligt färre nervförbindelser till hjärnan än det finns stavar och tappar. Detta innebär att det sker en signalbehandling i ögat innan informationen skickas till hjärnan. Ögat gör till exempel jämförelser mellan intilliggande ljusreceptorer och är mycket känsligt för kanter, vilket framgår av figur 4. I stället för att bara reagera på ljuset som kommer in i ögat, vilket är enhetligt i de olika rektanglarna i den här figuren, reagerar ögat på kanterna och känner av falska mörkervariationer.
En teori som tar hänsyn till olika faktorer framfördes av Edwin Land (1909-1991), den kreativa grundaren av Polaroid Corporation. Land föreslog, delvis baserat på sina många eleganta experiment, att de tre typerna av kottar är organiserade i system som kallas retinexer. Varje retinex bildar en bild som jämförs med de andra, och ögats hjärnsystem kan således jämföra en ljusbelyst vit duk med dess i allmänhet rödaktiga omgivning och avgöra att den faktiskt är vit. Denna retinexteori om färgseende är ett exempel på modifierade teorier om färgseende som försöker redogöra för dess subtiliteter. Ett slående experiment som utfördes av Land visar att någon typ av bildjämförelse kan ge färgseende. Två bilder tas av en scen på svartvit film, varav den ena med ett rött filter och den andra med ett blått filter. De resulterande svartvita diabilderna projiceras sedan och överlagras på en skärm, vilket ger en svartvit bild, som förväntat. Därefter placeras ett rött filter framför diabilden som tagits med ett rött filter, och bilderna överlagras återigen på en skärm. Man skulle förvänta sig en bild i olika nyanser av rosa, men i stället verkar bilden för människor i full färg med alla nyanser från den ursprungliga scenen. Detta innebär att färgseende kan framkallas genom att jämföra svartvita och röda bilder. Färgseende är inte helt förstått eller förklarat, och retinexteorin är inte helt accepterad. Det är uppenbart att färgseende är mycket mer subtilt än vad en första titt kan antyda.
PhET Explorations: Färgseende
Gör en hel regnbåge genom att blanda rött, grönt och blått ljus. Ändra våglängden hos en monokromatisk stråle eller filtrera vitt ljus. Se ljuset som en fast stråle eller se de enskilda fotonerna.
Klicka för att köra simuleringen.
Avsnittssammanfattning
- Ögatet har fyra typer av ljusreceptorer – stavar och tre typer av färgkänsliga tappar.
- Stängerna är bra för nattsyn, perifer syn och rörelseförändringar, medan tapparna ansvarar för central syn och färg.
- Vi uppfattar många nyanser, från ljus som har blandningar av våglängder.
- En förenklad teori om färgseende säger att det finns tre primärfärger, som motsvarar de tre typerna av tappar, och att olika kombinationer av primärfärgerna ger alla nyanser.
- Den verkliga färgen på ett föremål hänger samman med dess relativa absorption av olika våglängder av ljus. En ljuskällas färg är relaterad till de våglängder den producerar.
- Färgkonstans är förmågan hos ögon-hjärn-systemet att urskilja den sanna färgen hos ett föremål som belyses av olika ljuskällor.
- Retinexteorin om färgseende förklarar färgkonstans genom att postulera existensen av tre retinexer eller bildsystem, associerade med de tre typerna av tappar som jämförs för att erhålla sofistikerad information.
Begreppsfrågor
- Ett rent rött föremål på en svart bakgrund tycks försvinna när det belyses med rent grönt ljus. Förklara varför.
- Vad är färgkonstans och vilka är dess begränsningar?
- Det finns olika typer av färgblindhet som hänger samman med att olika typer av tappar fungerar dåligt. Varför skulle det vara särskilt användbart att studera de sällsynta individer som är färgblinda endast på ett öga eller som har en annan typ av färgblindhet på varje öga?
- Föreslå ett sätt att studera enbart stavarnas funktion, med tanke på att de kan uppfatta ljus som är ungefär 1000 gånger svagare än tapparna.
Glossar
färger: identitet hos en färg som specifikt hör till spektrumet
stänger och tappar: Två typer av fotoreceptorer i människans näthinna; stavar är ansvariga för synen vid låga ljusnivåer, medan tappar är aktiva vid högre ljusnivåer
simplified theory of color vision: En teori som säger att det finns tre primärfärger, som motsvarar de tre typerna av tappar
färgkonstans: en del av det visuella perceptionssystemet som gör det möjligt för människor att uppfatta färg under olika förhållanden och att se en viss konsistens i färgen
retinex: en teori som föreslås för att förklara färg- och ljushetsuppfattning och konsistenser; är en kombination av orden näthinna och hjärnbark, som är de två områden som ansvarar för bearbetningen av visuell information
retinex-teorin om färgseende: förmågan att uppfatta färg i en färgad omgivande miljö