Цветное телевидение?.. Это почти просто!

Он отличается от других излучений лишь длиной своих волн. Впрочем, я читал, что удалось почти классическими методами генерировать радиоволны такие же короткие, как инфракрасные лучи, этот невидимый свет, который располагается рядом с наиболее длинными световыми волнами. А по другую сторону видимого спектра располагаются тоже невидимые ультрафиолетовые лучи. А если идти дальше в сторону более коротких волн, то мы попадаем в область рентгеновских лучей, а затем в область гамма-лучей и дойдем до космических лучей.

Л. — Ты говоришь как по книге! Можешь ли ты уточнить длины световых волн и сказать, какое место они занимают в спектре электромагнитных колебаний?

Н. — У меня плохая память на цифры. Но я помню, что по частоте световые волны занимают лишь одну октаву; это означает, что частота волны фиолетового цвета вдвое больше частоты волны красного цвета.

Л. — Правильно. Видимый свет располагается на участке спектра от 790 до 385 Тгц. Я позволю себе напомнить тебе, что терагерц (Тгц) равен 1000 000 000 000 гц. По длине же волн спектр видимого света соответствует волнам от 380 до 780 нм. Ты, очевидно, знаешь, что нанометр (нм) или миллимикрон (ммкм) соответствует 0,000000001 м; а, кстати говоря, правильнее было бы сказать «миллимикрометр». А ты также знаешь, что сейчас практически не пользуются единицей длины «ангстремом» (Å), которая равна 0,1 нм.

Н. — Границы волн, которые ты даешь для видимого света, определяются как раз нашими органами зрения. И возможно, что в другом мире, населенном существами с иной, чем у нас, анатомией и физиологией, воспринимаемые органами зрения электромагнитные волны расположены в другой части спектра частот. Представь себе одно из таких существ, высаживающихся у нас из летающего блюдца и… ослепленное волнами радиопередатчика.

Л. — Я вижу, что ты читаешь много научно-фантастических книг. Я совершенно не намерен осуждать тебя за это, так как сегодняшняя фантастика завтра часто становится реальностью. Разумеется, можно сказать, что свет и цвет существуют лишь в той мере, в какой мы их воспринимаем. Некоторые философы утверждают, что мир существует лишь в нашем сознании. Но это уводит нас от нашей темы, а мы должны сейчас заняться изучением света. Свет, который доходит к нам от солнца…

Белый свет

Н. — Сверкающий Феб (второе имя Аполлона как божества солнечного света) заливает нас белым светом, который, как доказал Ньютон, на самом деле состоит из излучений всех цветов.

Классический эксперимент с призмой позволяет разложить белый свет на непрерывный цветной спектр. Угол преломления зависит от частоты. Поэтому, проходя через призму, фиолетовые лучи в большей, а красные в меньшей степени отклоняются от своей первоначальной траектории. Между этими двумя крайними точками размещаются синий, голубой, зеленый, желтый и оранжевые цвета.

Л. — Я счастлив слышать, как ты сказал «непрерывный цветной спектр». Действительно, в полученной с помощью призмы полосе цветовые тона постепенно без четкой границы переходят один в другой (рис. 4).

Рис. 4. При прохождении через призму белый свет разлагается и дает непрерывный спектр цветов.

И лишь для удобства определенные участки этой полосы условно обозначают различными названиями (фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный). Существование среди этих условных названий цвета «синий» объясняется лишь стремлением наших дедушек иметь семь цветов; цифра 7 играла известную роль в различных мистических рассуждениях. На самом же деле более обоснованно дать специальное название цвету, занимающему промежуточное положение между зеленым и голубым; это бирюза, но для его обозначения приняли английский термин «циан» (сине-зеленый). Как бы там ни было, мы имеем в спектре излучение всех частот в пределах указанных границ.

Н. — И перед нашими глазами появляются как на показ все возможные цвета?

Л. — Далеко не все. Ибо полученные с помощью призмы спектр или радуга (возникающая в небе тоже в результате преломления света на дождевых капельках) не содержат пурпурного цвета, который получается в результате смешения красного и фиолетового, этих двух крайних цветов спектра видимого света. Но этот пурпурный цвет существует лишь в нашем восприятии; он получается в результате одновременного восприятия красного и фиолетового излучений, соотношения между которыми, впрочем, могут изменяться в широких пределах.

Н. — А можно ли здесь, как и в радиотехнике, излучать не всю полосу частот, какой является солнечный свет, а только колебания одной частоты.

Л. — Такой результат можно получить, накаляя различные газы. Накаленные, газы дают прерывистый (линейчатый) спектр испускания. Так, например, используемые для уличного освещения мощные натриевые лампы излучают желтый цвет с длиной волны 589 и 589,6 нм, т. е. практически монохроматический, что позволяет лучше видеть.

Н. — Почему? Разве желтый цвет лучше воспринимается человеческим глазом?

Хроматическая аберрация

Л. — Совсем нет. Максимальная разрешающая способность человеческого глаза приходится на желто-зеленый свет с длиной волны 555 нм. Но использование монохроматического света позволяет освободиться от явления хроматической аберрации.

Н. — Я никогда не слышал об этом искажающем явлении.

Л. — Как ты знаешь, Незнайкин, глаз можно уподобить фотографическому аппарату, где хрусталик играет роль объектива, а сетчатка — роль светочувствительного слоя. Только что говоря о призме, мы разве не отмечали, что коэффициент преломления изменяется в зависимости от длины волны?

Линзу или объектив, состоящие из нескольких линз, можно рассматривать как множество призм (рис. 5). Лучи здесь преломляются и собираются в одной точке, именуемой «фокусом».

Рис. 5. Схематический разрез глаза.

_{а — исходящие из одной какой-либо точки лучи разного цвета собираются линзой в более или менее удаленных фокусах в зависимости от частоты различных составляющих света;}

_{б — хрусталик играет роль линзы. Изображение многоцветного предмета образуется в нескольких плоскостях, если аккомодация (достигающаяся изменением кривизны хрусталика) производится по зеленым лучам (к которым глаз наиболее чувствителен), зеленое изображение оказывается в плоскости сетчатки; синее изображение располагается впереди, а красное позади сетчатки. Это означает, что два последних изображения получаются нерезкими.} 

Теперь ты понимаешь, что у синих лучей фокус располагается ближе к объективу, а у красных лучей — дальше от него.

Когда мы рассматриваем многоцветное изображение, хрусталик настраивается (т. е. изгибается) таким образом, чтобы фокус для желто-зеленых лучей оказался в плоскости сетчатки.

Н. — Но тогда фокус для синих лучей окажется перед сетчаткой, а фокус для красных лучей — позади нее?

Л. — Превосходно. Я вижу, что ты хорошо понял суть этой хроматической аберрации, из-за которой мы не можем одновременно видеть одинаково четко все элементы многоцветного изображения. Но при монохроматическом освещении, как это имеет место при использовании натриевых ламп, аккомодация глаза производится точно на единственную волну в данном случае на волну желтого света, и видимое изображение образуется строго в плоскости сетчатки.

Н. — Если я правильно понял, мы не можем видеть цветные изображения с такой же хорошей четкостью, как изображения монохроматические.

Л. — Ты прав, дорогой друг. Однако разрешающая способность среднего глаза по оси взгляда также хороша как для цветных, так и для черно-белых изображений. Она примерно равна одной угловой минуте, т. е. 1/60 части градуса. На расстоянии в 1 м «средний глаз» способен различить две точки, разнесенные на 0,3 мм. Но такая разрешающая способность не распространяется на изображения, сфокусированные впереди или позади плоскости сетчатки.

Статистические фикции

Н. — Что ты называешь «средним глазом»!?

Л. — Это такая же статистическая фикция, как «средний француз». О нем известно, что за год он потребляет 101,5 кг хлеба, 2,7 кг парижской (вареной) ветчины, 16,6 кг говядины, 37,1 л пива и 170 л виноградного вина. В природе же такого индивидуума не существует. Точно так же нельзя найти и настоящий «средний глаз». Его характеристики составлены на основе измерений, проведенных на тысячах людей, подобранных таким образом, чтобы по их показателям можно было вывести средние значения для всего человечества. Именно так была составлена кривая хроматической чувствительности среднего глаза, которая показывает, что при равной мощности излучения способность восприятия снижается по мере удаления от максимума, который, как я уже говорил, приходится на желто-зеленый участок спектра (рис. 6).

Рис. 6. Кривая относительной чувствительности среднего глаза к различным цветам спектра.

А когда восприятие становится равным нулю, мы выходим за пределы видимого света. Эта кривая играет очень важную роль в технике цветного телевидения. Но я должен повторить еще раз, что она относится к «среднему глазу», и это означает, что в реальной жизни могут быть значительные индивидуальные отклонения.

Н. — Ну, если продолжать разговор на эту тему, я могу сказать, что имеются люди, вообще не способные различать цвета. Их называют дальтониками. Один мой приятель страдает таким недугом. Он признался мне в этом, когда я однажды увидел его разгуливающим в одном зеленом и в одном красном носках.

Л. — Примерно один человек из двухсот не способен различать цвета. Весьма любопытно, что этот недостаток чаще встречается у мужчин, чем у женщин. Имеются также индивидуумы, глаза которых абсолютно нечувствительны к цветам, расположенным близко к красному краю спектра.

Н. — Значит, наш глаз очень далек от того совершенного инструмента, достойного самого большого доверия, о котором свидетельствует выражение «Я это видел своими глазами»…

Это очень печально! Кому же и чему же верить?

Рациональное использование недостатков

Л. — Не сетуй на это. Я очень часто говорил тебе, что величайшее искусство жизни заключается в умении извлекать пользу из несовершенства органов человека и людей. Кино и телевидение удалось создать лишь потому, что наши органы зрения обладают известной медлительностью, обеспечивающей устойчивость наших зрительных ощущений в течение доброй десятой доли секунды. И ты увидишь, что методы цветного телевидения с выгодой используют некоторые несовершенства нашего зрения, как, например, вызываемый хроматической аберрацией недостаток четкости при рассматривании цветных изображений, или некоторый недостаток «избирательности», мешающей четко различать два цвета, у которых длины волн мало различаются одна от другой. Может быть, ты заметил, что человеческий- глаз вообще не различает цвета очень маленьких или очень тонких предметов?

Н. — Это я знаю. Моя мать, когда она хочет подобрать нитки к цвету ткани, накладывает на ткань не одну нитку, а всю катушку.

Л. — По этой же причине хорошо знающий свое дело типограф берет для печати цветных текстов жирный шрифт; при использовании тонкого шрифта нельзя разобрать, каким цветом напечатан текст. Это должно помочь тебе, Незнайкин, понять, что нам незачем заботиться о воспроизведении в цвете очень мелких деталей нашего изображения.

Н. — Я догадываюсь, что благодаря этому при передаче цветной программы по телевидению можно ограничиться относительно узкой полосой частот.

Л. — Совершенно верно. Но прежде чем подойти к этому, целесообразно внимательнее рассмотреть физиологические свойства цвета и их соотношение с его физическими характеристиками. Для этого нужно ближе познакомиться с органом восприятия световых лучей, которым является наш глаз.

Анатомия и физиология глаза

Н. — Мне думается, что я достаточно хорошо знаю этот вопрос. Мы уже говорили, что человеческий глаз можно уподобить фотографическому аппарату! Хрусталик похож на автоматически наводящийся на резкость объектив; окружающие его мышцы изменяют его кривизну, чтобы навести на резкость в зависимости от расстояния до объекта и тем самым сделать предельно четким проецируемое на сетчатку изображение.

Л. — Очень хорошо, мой друг. Продолжай свой рассказ и объясни устройство и роль сетчатки.

Н. — Сетчатка как ковром покрывает дно глаза. Она служит как бы светочувствительным слоем. Я знаю, что свет вызывает в ней химические и электрические реакции и что зрительный нерв передает сведения о них в мозг, где они воспринимаются как световая картина. Но я не могу детально проанализировать эти реакции.

Л. — И я не могу сделать этого, так как пока еще нет научного объяснения многих явлений из этой области. Но мы уже знаем устройство светочувствительных элементов сетчатки. В соответствии с их формой их называют «колбочками» и «палочками». Каждый глаз содержит около 120 миллионов палочек и около 6 миллионов колбочек. Это показывает тебе, как малы эти элементы.

Н. — А какие функции они выполняют?

Л. — Колбочки воспринимают цвета, а палочки реагируют только на интенсивность света независимо от его окраски. К тому же они неодинаково чувствительны к различным длинам волн; наибольшей чувствительностью они обладают в зелено-желтом участке спектра, в красном участке их чувствительность примерно вдвое ниже, а на синие лучи они реагируют очень слабо (см. рис. 6). Поэтому если чувствительность к зеленым лучам обозначить буквой G, а чувствительность к красным и синим — соответственно R и В, то для палочки, на которую воздействуют лучи только этих трех цветов, общая воспринимаемая яркость будет не G + R + B, а

0,59G + 0,30R+0,11B;

эти три коэффициента выбраны так, чтобы сохранить истинное соотношение и в сумме получить единицу. Они намного (в несколько тысяч раз!) чувствительнее к свету, чем колбочки.

Это должно показать тебе, что при малой освещенности только палочки участвуют в создании зрительного изображения (такое зрение называют «сумеречным») и потому цвета не воспринимаются глазом.

Н. — Теперь я понимаю, откуда произошла пословица «ночью все кошки серы». Но днем…