Фотоны, спектры и цвет (стр. 3 из 3)

При увеличении концентрации возрастает вклад слабых полос в формирование цвета раствора. В частности, например, образец 4 при высокой концентрации, вероятно, будет «казаться» синим, а образец 5 – зеленоватым.

Структурная химическая формула одного из антоцианов показана на рис. 8. Большое число двойных сопряженных связей и анион оксония в гетероцикле приводят к общему смещению главного длинноволнового максимума ~ в середину оптического диапазона. Конкретное положение и амплитуда максимума зависят от pH раствора и катиона (рис. 8).

Рис. 10. Спектральные эффекты зрительного восприятия света:

a – спектр поглощения пигментов клеток сетчатки человеческого глаза (колбочек), ответственных за цветовосприятие; b – спектр цветовосприятия человека (спектральная чувствительность сетчатки, скорректированная зрительным анализатором); 1, 2, 3, 4, 5 – спектры зрительного восприятия окраски антоциана при разных pH растворов (см. рис. 7). Номера соответствуют номерам образцов.

По спектрам, представленным на рис. 7, можно рассчитать пропускание растворов и определить их цвет.

Зрительный эффект, производимый цветом светового луча некоторой длины волны, пропорционален интенсивности излучения и чувствительности зрительного анализатора к электромагнитному излучению этой длины волны:

эффект = Const·T·b,

где T – оптическое пропускание растворов пигмента, b – спектральная зависимость цветовосприятия.[3] Спектры цветовосприятия растворов антоциана с различными значениями pH представлены на рис. 10.

Из указанных спектров рассчитаны вклады цветовых составляющих палитры RGB в каждый из спектров растворов антоциана, суммой которых окрашены круги, показанные на рис. 11.

Совпадение с реальной окраской растворов антоциана очень хорошее. Синий цвет, подобный 4a, имеет экстракт ягод черники, в котором концентрация антоцианов достаточно велика, при щелочных pH.

Рис. 11. Реконструкция цвета растворов антоциана из ягод черники.

Цвета получены в палитре RGB (Red-Green-Blue) компьютера, соотношение интенсивностей цветов RGB рассчитано из спектров зрительного восприятия окраски растворов антоциана (рис. 10). Номера окрашенных кругов соответствуют номерам образцов. 4a – образец 4 при ~ пятикратно увеличенной концентрации антоциана: при высоких концентрациях происходит ассоциация (как правило, димеризация) молекул пигментов, вследствие которой происходит перераспределение амплитуд коротковолновых и длинноволновых полос поглощения в пользу последних. В результате этого в спектре 4 (рис. 10) наряду с общим уменьшением амплитуд произойдет значительное ослабление красной составляющей (650 нм) и существенное усиление синей составляющей (450 нм). Комбинирование RGB дает цвет 4a.

III. Особенности человеческого цветовосприятия

В сетчатке глаза имеется 3 типа специальных клеток – колбочек, содержащих 3 разных зрительных пигмента с различающимися спектрами поглощения. Общий спектр этих пигментов показан на рис. 9 (кривая a). Этих трех пигментов в трех типах колбочек достаточно для различения огромного количества цветовых оттенков.

При поглощении пигментом фотона колбочки посылают импульс в зрительный анализатор, расположенный в затылочной части коры головного мозга. Анализатор подразделен на три: анализатор контуров, анализатор движения и анализатор цвета. Первые два получают информацию от других клеток сетчатки – палочек, а сигналы от колбочек поступают в анализатор цвета, который выдает информацию о пространственном распределении цветовой палитры. В сознание поступает интегрированная информация всех трех анализаторов.

Колбочки первого типа (К1) содержат пигмент, поглощающий синий свет (~450 нм); колбочки второго (К2) и третьего (К3) типов содержат пигмент, поглощающие в широком спектральном диапазоне с максимумом в желто-зеленой области спектра (~550 нм); спектр К3 смещен относительно К2 ~ на 10 нм в длинноволновую сторону.

Частота нервных импульсов, поступающих в анализатор, зависит от λ и пропорциональна амплитуде поглощения колбочек при этой длине волны.

Обработка информации начинается уже в нервных волокнах: импульсы от К1 и К2 поступают непосредственно в анализатор, а импульс от К3 гасится импульсами от К2. Вследствие этого в спектральной области, где поглощение К2 ³ К3, импульс от К3 в анализатор проходит редко, т.к. высока вероятность его подавления импульсом от К2. В длинноволновой части спектра поглощение К3 >> К2, импульс от К3 гасится редко. В результате спектр импульсов от К3 оказывается в красной области спектра (~650 нм). Таким образом формируется третий квазипигмент.[4]

Очевидно, что амплитуды поглощения этих пигментов неодинаковы: поглощение и частота импульсов от пигмента К1 и квазипигмента К3 ~ в 5 раз меньше, чем у желто-зеленого пигмента К2. Анализатор корректирует спектральную чувствительность зрения с использованием всего накопленного опыта и запомненной информации, подравнивая спектральную чувствительность к виду (рис. 10, кривая b), близкому к спектру солнечного излучения, прошедшего через атмосферу.

Три типа детекторов цвета в сетчатке означает, что в цветовосприятии должны существовать три базовых цвета.. Предположительно это – красный, желтый и синий, комбинации которых показаны на рис. 12.

Рис. 12. Спектральные особенности зрительного анализатора человека.

1, 2 и 3 – комбинации трех базовых цветов, предположительно красного, желтого и синего, за распознавание которые отвечают три типа колбочек и три зрительных пигмента, в результате дают 3 промежуточных цвета[5] (в парах кругов один – полупрозрачный). При этом фиолетовый цвет оказывается между красным и синим. Это означает, что линейная цветовая шкала (соответствующая шкале длин волн) в анализаторе цвета свернута в кольцо (4), как это показано на рисунке.

Комбинации пар этих цветов дает промежуточные 3 цвета (фиолетовый, зеленый и оранжевый), при этом фиолетовый оказывается промежуточным между красным и синим. Это означает, что у зрительного анализатора линейная цветовая шкала свернута в непрерывное кольцо, как это показано на рис. 12 (см. подпись к рис. 12).[6]

Это наблюдение подтверждают и непосредственные эксперименты по восприятию цвета: цвет лучей в дальней красной области бордовый, который относится скорее к фиолетовой цветовой гамме, чем к красной. Соответственно, цвет лучей фиолетовой коротковолновой области приобретает красноватый оттенок (пурпурный цвет). Смыкание шкалы происходит при длинах волн, которые глаз и анализатор уже не видят (около 350 и 780 нм).

Эта свертка создает возможность для компактной формы записи и хранения информации: необходимо хранить коды трех базовых цветов и для любого оттенка – 3 числа (вернее, их мозговые аналоги или коды), которые соответствуют интенсивности трех базовых цветов в окраске объекта. Большей информацией анализатор цвета и не располагает, поскольку пигментов всего 3.[7]

В линейной шкале тоже можно выделить базовые оттенки, но в эту базовую цветовую систему должны обязательно входить краевые цвета: дальний красный и дальний фиолетовый, которые для анализатора ничего не означают и зрительно не представимы, поскольку человек их никогда не видел. По этой же причине этим базовым компонентам невозможно приписать «число», соответствующее амплитуде компонента. Если же взять те же базовые цвета, что получились при кольцевой свертке, спектральные области ниже 450 нм и выше 650 нм не могут быть оцифрованы и выпадают из анализа.

В случае простых спектров шестиугольник цветовосприятия (рис. 12) позволяет предсказать цвет пигмента, если известно спектральное положение его максимума поглощения: цвет будет противоположным. Например, в спектре образца №1 (рис. 7) ярко выраженный максимум расположен при 520 нм, следовательно, цвет раствора – красный.

Для двухкомпонентных спектров излучения или пропускания с ~ одинаковыми амплитудами компонентов цвет будет промежуточным. Например, объект, спектр которого состоит из синей и зеленой полос, будет голубой etc. Сложение противоположных цветов дает цвет в черно-белой палитре.

Кроме трех «чисел», характеризующих цвет, цветовой анализатор передает в интегратор информацию о форме (по аналогии с цветом можно предположить, что анализатор имеет базовый набор форм – круг, квадрат etc.), размере (это «число») и координатах в пространстве (3 «числа») данного цветного пятна и, последовательно, всех таких пятен в поле зрения. Интегратор с использованием информации от анализатора контуров детализирует форму цветного пятна, и в сознание поступает четкая цветная картинка.

Литература

1. В.Л. Тетенькин, ВНИИ Сельскохозяйственной Радиологии и АгроЭкологии, г. Обнинск, 109 км Киевского шоссе, 2011 г.

[1] ~685 ккал (1 кал = 4,1868 Дж)

[2] Закон открыт экспериментально французом Пьером Бугером (1729 г.), проанализирован немцем И.Г. Ламбертом (1760 г.) и в отношении концентрации C проверен на опыте немцем А. Бером (1852 г.)

[3] Эта блестящая идея пришла в голову автору в процессе написания статьи.

[4] Эта блестящая гипотеза придумана автором в процессе написания статьи.

[5] На разных дисплеях цвета выглядят немного по-разному

[6] Эта блестящая гипотеза придумана автором в процессе написания статьи.

[7] Эта блестящая идея пришла в голову автору в процессе написания статьи.