Цветное телевидение?.. Это почти просто!

Л. — …ты можешь любоваться расцветкой тигровой, сиамской или персидской кошки, а также различать окраску их красивых глаз. Тогда в действие вступают и колбочки сетчатки. Какой в точности механизм их действия? Я не могу этого сказать. Но в конце прошлого века английский физик Томас Юнг сформулировал гипотезу, по которой существуют три категории колбочек: одни чувствительны к красным лучам, другие — к зеленым, а третьи — к синим. Это была правильная гипотеза; в 1964 г. биофизики из американского университета Джона Гопкинса экспериментально доказали, что Юнг был прав. Колбочки производят настоящий анализ спектрального состава света. Каждая категория колбочек передает в мозг информацию о яркости воспринимаемого излучения в своем участке цветного спектра.

Индивидуальные и коллективные послания

Н. — Я представляю себе, как мозг получает, например, такое сообщение: «Говорит колбочка, расположенная на таком-то градусе северной широты и на таком-то градусе долготы сетчатки: я воспринимаю поток в столько-то люменов в диапазоне волн оранжевого цвета от 590 до 640 нм».

Л. — На самом же деле мозг не получает индивидуальных посланий от каждой колбочки или каждой палочки, так как общее количество линий связи, в данном случае волокон зрительного нерва, порядка одного миллиона. Это означает, что каждое волокно должно передавать «групповые послания» от одной группы элементов, несомненно, одной и той же категории.

Для полноты картины я добавлю, что в центре сетчатки имеется небольшая зона, именуемая «желтым пятном», где с максимальной плотностью размещаются одни колбочки. Это означает, что лучше всего глаз различает детали в той части цветного изображения, которая соответствует оси взгляда.

Плотность размещения палочек, которых совершенно нет на желтом пятне, возрастает по мере приближения к краю сетчатки. Вот почему «периферийное зрение» дает наибольшую резкость для изображений, которые отличаются только своей яркостью.

Напротив, вне оси зрения в связи с уменьшением количества колбочек способность к восприятию цветов существенно снижается.

Н. — Это все кажется мне достаточно ясным. Но картина еще больше бы осветилась, если бы ты мог посоветовать мне провести несколько конкретных экспериментов, какие обычно показывают в физическом кабинете.

Л. — Нет ничего легче. Если ты пожелаешь, Незнайкин, в следующий раз мы можем встретиться в Зале оптики Дворца открытий (Музей науки и техники в Париже, аналогичный Политехническому музею в Москве).

Глава 3

ВО ДВОРЦЕ ОТКРЫТИЙ

Несколько экспериментов позволяют Любознайкину помочь своему другу лучше понять различные законы, определяющие жизнь мира красок. В связи с этим наши друзья обсуждают следующие вопросы:

_{Синтез цветов с помощью диска Ньютона. Цвет предметов. Субстрактивный и аддитивный методы. Цветовой тон, яркость и насыщенность. Основные цвета. Принцип трехцветного способа получения цветного изображения. Цилиндр Манселла. Это только иллюзия.}

Разложение и восстановление

Незнайкин. — Как здесь темно! А я то думал, что этот зал, предназначенный для изучения света, должен быть залит солнцем!

Любознайкин. — Не удивляйся. Точно так же, как заболевший лучше понимает, что такое хорошее здоровье, так и в темноте нагляднее проявляется поведение света. Впрочем, вот и доказательство этой моей идеи. Ты видишь здесь основной опыт разложения света с помощью призмы — об этом опыте более подробно мы поговорим в следующий раз. Здесь солнце заменили вольтовой дугой, которая тоже дает белый свет. Но можно и как бы перевернуть условия опыта. Подойди сюда и посмотри через призму на эту полосу цветов спектра.

Н. — Как я и думал, я вижу белый свет. Собираясь воедино, различные цвета спектра вновь образуют белый свет. В этом случае мы еще раз наблюдаем обратимость физических явлений. Вращайте динамомашину, и она даст электрический ток. Подайте в нее электрический ток, и она превратится в двигатель.

Л. — Включите паяльник в розетку, и он нагреется. Нагрейте жало паяльника, и вы получите на концах его провода переменный ток с частотой 50 гц!

Н. — Не смейся надо мною, Любознайкин! Я прекрасно знаю, что далеко не все явления природы настолько обратимы. Но что это за диск, на котором так красиво расположены все цвета спектра?

Л. — Это диск Ньютона (рис. 7). Если ты нажмешь на кнопку, он начнет вращаться.

Рис. 7. Если достаточно быстро вращать диск Ньютона, то цвета в нашем восприятии накладываются один на другой и создают впечатление белого света.

Н. — Так приступим! Что же получится? Смотри, он стал белым! Ну конечно, как я не догадался! И в этом случае цвета вновь воссоединяются.

Л. — Однако то, что мы сейчас видим, отличается от восстановления белого цвета в призме, где происходит наложение всех составляющих в пространстве, а на диске Ньютона происходит сложение во времени. В последнем эксперименте это явление имеет место благодаря сохранению зрительного ощущения, своеобразной «памяти зрения». Коль скоро мы сейчас находимся в главе, посвященной восприятию, проведем один очень забавный эксперимент. Что ты здесь видишь?

Цвет предметов

Н. — Квадраты из плотной бумаги разного цвета: белый, красный, зеленый и синий (рис. 8).

Рис. 8. При освещении белым светом (а) глаз видит белый, синий, красный и зеленый квадраты. При освещении красным светом (б), синим светом (в) и зеленым (г) только квадраты, имеющие такую же окраску, сохраняют свой цвет.

Л. — Они освещены белым светом. А теперь нажми на кнопку, помеченную буквой R. Ты видишь, что теперь квадраты освещены красным светом. Для этого перед источником света поставлен красный светофильтр. Он задерживает все световые волны, кроме узкой полоски, расположенной вокруг 700 нм.

Н. — Это то, что в радиотехнике мы называем полосовым фильтром. Итак, при этом освещении белый квадрат стал красным. Красный таким же и остался. Но, черт возьми, почему зеленый и синий квадраты стали черными?

Л. — Очень просто. Предмет имеет зеленую окраску, когда он поглощает все световые волны, кроме зеленых, которые он отражает. В нашем случае красный свет не содержит зеленых лучей. Поэтому наш квадрат не отражает никаких лучей. А отсутствие света на правильном французском языке называется «черным цветом».

Н. — Значит это же самое происходит и с синим квадратом, поглощающим все лучи, за исключением синих, которые он отражает. А в красном освещении, которое не содержит синих лучей, наш квадрат становится черным. Могу ли я из этого сделать вывод, что цвет предметов зависит как от их способности поглощения и отражения, так и от состава падающего на них света?

Л. — Это логичный вывод из демонстрируемого здесь опыта.

Вычитание цветов

Н. — Теперь я нажимаю на кнопку В. Какой красивый этот синий свет. Как я и ожидал, красный и зеленый квадраты стали черными, а синий вновь стал синим, а белый… тоже стал синим. Значит, если я правильно понимаю, белый предмет тот, который не поглощает никакого света и отражает все световые волны.

Л. — Разумеется. И точно так же предмет черен, если он поглощает все световые волны и не отражает никакого света.

Н. — Теперь я понимаю, почему космические корабли окрашены с одной стороны в черный, а с другой стороны в белый цвет. Когда космонавты желают согреться, они так ориентируют свою ракету, чтобы к солнцу была обращена черная сторона, которая поглощает солнечные лучи. Когда им становится слишком жарко, они поворачивают к солнцу белую сторону, которая отражает лучи.

Л. — Я вижу, что ты хорошо усвоил всю информацию из научно-фантастических книжек…

Н. — Раздумывая о том, что я только что видел, я прихожу к выводу, что воспринимаемый нами цвет определяется своего рода «вычитанием». Светофильтры ведут себя точно так, как и окрашенные предметы: они отнимают соответствующую часть спектрального состава света. Фильтры достигают этого, задерживая световые волны некоторой длины, а окрашенные поверхности поглощают их.

Л. — Да, в обоих случаях цвет получают субстрактивным методом (методом вычитания). Примером может служить демонстрация цветных диапозитивов, где каждый элемент изображения представляет собой маленький фильтр. В природе мы наблюдаем чаще субстрактивный метод. Однако цвета можно получить также и аддитивным методом (методом сложения). Но тогда мы имеем дело с психофизиологическим явлением; воспринимаемые одновременно световые волны различной длины вызывают ощущение, что они смешиваются в нашем мозгу. Подойди сюда и позабавься, составляя собственноручно различные цвета, накладывая, для этого друг на друга сходящиеся на одном белом экране вые лучи этих трех фонарей (рис. 9).

Рис. 9. Три источника белого света оснащены красным, синим и зеленым фильтрами и регулируемыми диафрагмами, позволяющими дозировать силу проецируемых на белый экран лучей. Полученная таким образом аддитивная смесь позволяет воспроизвести большинство цветов.

Один из фонарей снабжен красным фильтром, второй — синим, а третий — зеленым. И каждый из них оснащен регулируемой диафрагмой, позволяющей дозировать интенсивность падающего на экран света. С помощью этого оборудования ты можешь получить очень большое количество смесей этих трех цветов. Так за дело! Я представляю тебе полную свободу, чтобы ты мог, как тебе заблагорассудится, поэкспериментировать с этим оборудованием.

Открытие яркости

Н. — Посмотрим сначала, что даст один фонарь. Я полностью закрываю диафрагмы на красном и синем фонарях и постепенно открываю диафрагму зеленого фонаря. Я вижу, как один и тот же чистый зеленый цвет становится все более ярким.

Л. — Ты экспериментируешь с практически чистым цветом, т. е. с излучением волн почти одной длины. Воздействуя на диафрагму, ты увеличиваешь лишь количество падающей на экран световой энергии. Графически спектр этого света можно представить в виде одной вертикальной линии, амплитуда которой изменяется в зависимости от действующего отверстия диафрагмы. Поэтому в нашем восприятии свет сохраняет один и тот же цветовой тон (или, как иногда говорят, «тональность» или «оттенок»), но яркость его изменяется. Запомни хорошенько, Незнайкин, значение двух этих терминов. А теперь начинай смешивать цвета.

Получение белого цвета из трех

Н. — Сначала я установлю диафрагмы всех трех фонарей на одинаковую величину, например на половину максимальной. Но что я вижу? Экран стал белым! Фильтры исчезли?

Л. — Совсем нет, дорогой друг. Но интенсивность источников света сейчас отрегулирована так, что при одинаковом отверстии диафрагмы аддитивная смесь дает точное впечатление белого света. В этом нет ничего удивительного, ибо ты знаешь, что то, что мы воспринимаем как белый свет, на самом деле представляет собой смесь различных цветов. И совершенно нет необходимости смешивать все краски спектра видимого излучения: как мы видим, для получения белого света достаточно трех цветов. И сама природа как бы подсказывает нам трехцветный способ — как мы видели, сетчатка глаза содержит светочувствительные элементы, приспособленные для восприятия одного из трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Н. — Что касается белого, согласен. Но как обстоит дело с другими цветами? Что, и* тоже получают простым смешением трех основных цветов?

Л. — Попробуй и увидишь.

Открытие насыщенности

Н. — Хорошо. Посмотрим, что даст усиление красного света. Я открываю немного побольше диафрагму красного фонаря, и вот освещенная поверхность из белой становится бледно-розовой. Я еще больше открываю диафрагму красного фонаря; мой розовый цвет становится более интенсивным и постепенно переходит в красный, который, однако, даже при полностью открытой диафрагме красного фонаря остается довольно бледным.

Л. — Это естественно, так как рассматриваемый красный цвет представляет своеобразную смесь с белым, полученным в результате сложения синего, зеленого и части красного лучей.

Н. — А! Мне пришла в голову одна идея! Чтобы увеличить интенсивность красного, нужно одновременно снизить интенсивность синего и зеленого. Посмотри, Любознайкин, посмотри, красный становится интенсивнее! А теперь, когда зеленый и синий фонари полностью закрыты, красный цвет стал очень красивым.

Л. — Да, теперь твой цвет стал «насыщенным». Термином насыщенность обозначают восприятие степени чистоты цвета. В твоем эксперименте цветовой тон не изменяется. Это всегда красный. Он лишь в большей или меньшей дозе входит составной частью в белый. Такое же повышение насыщенности можно наблюдать, если в стакан с водой вливать по капле красные чернила. Сначала вода будет розоветь, затем станет бледно-красной, а когда количество влитых чернил значительно превысит первоначальный объем воды, ты получишь действительно красную жидкость.