Принцип цветного зрения. Основные характеристики цвета

Большую часть информации об окружающем мире человек получает че­рез органы зрения, и активным носителем этой информации является видимое излучение электромагнитного спектра, называемое светом. Устройство человеческого глаза имеет много общего с фотоаппаратом. В состав глаза входят: светочувствительная нервная ткань (сетчатка) аналог фотопленки; оптическая система (роговица и хрусталик), фокусирующая изображение рассматриваемых предметов на сетчатку, — аналог объекти­ва (фокусное расстояние около 20 мм) и радужная оболочка — аналог ди­афрагмы (диаметр зрачка изменяется от 2 до 8 мм, т. е. диафрагменное число изменяется от 10,4 до 2,3). В формировании зрительного образа большую роль играет преобразование первичных сигналов нервных раз­дражителей в коре головного мозга.

Пройдя роговицу, хрусталик и стекловидное тело, свет попадает на сет­чатку, которая выстилает глазное дно. Она представляет собой переплетение нервных волокон, заканчивающихся светочувствительными клетками (рецепторами). Различают два вида рецепторов: палочки, имеющие удлиненную форму, и грушевидные колбочки.

Палочки обладают очень высокой светочувствительностью и обеспе­чивают зрение в условиях очень низкой освещенности (так называемое ночное зрение). Исследования ученых доказывают, что ночью в условиях достаточной прозрачности атмосферы и при прямой видимости (без уче­та кривизны земной поверхности) человеческий глаз способен зарегист­рировать процесс зажигания обыкновенной спички на расстоянии 420 м.

Однако палочки не позволяют различать цвета и создают ахроматичес­кий (черно-белый) зрительный образ. Народная мудрость отметила эту особенность ночного зрения поговоркой: «Ночью все кошки серы». В па­лочках содержится особый краситель — родопсин (зрительный пурпур). Под действием света родопсин разлагается, что вызывает возникновение нервного импульса. После прекращения действия света родопсин быстро восстанавливается. При высокой освещенности зрительный пурпур не ус­певает восстанавливаться и палочки практически не работают. В этих усло­виях работа глаза обеспечивается колбочками. Они обладают меньшей, чем палочки, светочувствительностью, но обеспечивают цветное восприятие картины окружающего мира. Колбочковое зрение называют еще дневным.

При некотором среднем уровне освещенности в работе глаза участву­ют как колбочки, так и палочки (сумеречное зрение). Вся сетчатка содер­жит приблизительно 6 млн колбочек и 120 млн палочек. Палочки имеют толщину около 1 нм, а колбочки — 2 нм.

Трехкомпонентная теория цветового зрения, объясняющая механизм цветового зрения человека, основывается на следующих положениях. Колбочки различных групп вызывают в мозгу разнообразные ощущения. Наиболее чувствительные к свету с длиной волны 360-510 нм вызывают ощущение синего цвета, 470-560 нм — зеленого, а 540-760 нм — красно­го. Соответственно принято различать сине-, зелено- и красночувствительные колбочки (для краткости их именуют С-, 3- и К-приемниками). Красный, синий и зеленый цвета называют первичными.

Свет, действующий только на колбочки одного вида, вызывает соот­ветствующее ощущение синего, зеленого или красного цвета. При одно­временном воздействии на колбочки двух видов рождается ощущение промежуточных цветов, причем в зависимости от степени возбуждения той или иной группы колбочек изменяется и цвет. Например, при одина­ковом воздействии на красно- и зеленочувствительные колбочки возни­кает ощущение желтого цвета, а при неодинаковом — от зеленого, зелено-желтого, желтого, оранжевого и до красного.

Большинство цветов воспринимается при одновременном возбужде­нии всех трех групп колбочек. Если на какой-либо участок сетчатки попа­дает свет достаточно большой интенсивности, который вызывает одина­ковое воздействие колбочек всех трех видов, то у человека возникает ощущение белого цвета, а при меньшей интенсивности — одного из серых цветов. При воздействии света, очень малой интенсивности или при от­сутствии воздействия — появляется ощущение черного цвета.

Если колбочки различных групп возбуждаются неодинаково, возника­ет ощущение цвета, которое зависит от степени этих различий. Такой про­цесс получения множества разнообразных цветов с помощью ограничен­ного их набора (в нашем случае трех) называется синтез цвета.

Свет, отраженный от рассматриваемого предмета, попадает в глаз и со­здает оптическое изображение на сетчатке. Благодаря тому, что в сетчат­ке имеются три вида колбочек с различной спектральной светочувстви­тельностью, в каждой точке изображения происходит разделение света (в оптике принят термин «разложение света») на три составляющие. В сумме каждая из них является изображением предмета в одном из трех световых потоков и несет информацию о распределении соответствующе­го потока по площади изображения. Такой процесс называется цветоде­лением, а сами изображения — цветоделенными.

Кроме того, степень возбуждения колбочек (и палочек) несет инфор­мацию о яркости (светлоте) деталей наблюдаемого объекта — это града­ционный процесс.

От каждой точки на сетчатке глаза поступают сигналы в мозг. В зави­симости от степени возбуждения колбочек различного типа (цветоделе­ние и градационный процесс) в мозгу возникают ощущения синего, зе­леного и красного цветов различной интенсивности. Эти ощущения синтезируются в ощущения определенного цвета и ассоциируются в на­шем мозгу с цветом соответствующей точки рассматриваемого предмета.

Таким образом, в основе механизма цветового зрения человека лежат три процесса: цветоделение, градационный процесс и синтез цвета. Это позволяет сделать вывод: все воспринимаемое человеком многообразие цветов передается смешением синего, зеленого и красного цветов в раз­личных пропорциях. Именно на этих принципах основаны все способы воспроизведения цвета, используемые в полиграфии, фотографии, теле­видении и т. п.