Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа восемнадцатая ФИЗИКА ЦВЕТА И ФИЗИОЛОГИЯ ЗРЕНИЯ

Любознайкин. — Мой дядюшка Радиоль сейчас путешествует и поэтому не смог записать на магнитофоне очередной из своих рассказов, в которых объясняет тебе, дорогой друг, различные аспекты электронной техники.

Незнайкин. — Досадно, что он в отъезде. Это лишило его такого удовольствия, какое испытал я, рассматривая чудесную радугу, украсившую сегодня небо; возможно, что ты тоже ее видел.

Л. — Действительно, она пересекла значительную часть неба.

Н. — Я спрашиваю себя, почему солнце, которое обычно излучает белый свет, испускает красивую гамму цветов от красного до фиолетового и охватывает столько других тонов?

Л. — Разве ты, Незнайкин, не знаешь, что белый свет состоит из смеси всех этих цветов, которые, будучи разделенными, образуют радугу?

Н. — В этом я не сомневался, но не вижу, чем может быть вызвано такое разделение.

Л. — Два столетия тому назад знаменитому английскому математику, физику и астроному Исааку Ньютону удалось разложить белый свет на гамму цветных полос, пропуская свет через стеклянную призму (рис. 203).

Рис. 203. При прохождении через призму белый свет разлагается на непрерывный спектр цветов.

Цвет, как ты, вероятно, знаешь, определяется длиной волны света. Коэффициент преломления, т. е. угол, на который отклоняется луч при переходе из одной среды в другую, изменяется в зависимости от длины волны. Вот почему, проходя через призму, белый свет разлагается на составляющие его компоненты и на экране появляется спектр цветов, плавно переходящих один в другой.

Н. — Однако на твоем рисунке я вижу семь различных цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный.

Л. — Каждый из этих терминов обозначает некоторую полосу тонов, а не один тон, порождаемый волной одной длины. Видимый свет имеет волны длиной от 380 до 780 нм. Это соответствует частотам от 790 до 385 ГГц.

Н. — Так, значит, человеческий глаз воспринимает лишь узкую полосу частот электромагнитных волн. Световые лучи занимают только около одной целой октавы.

Л. — Да, Незнайкин. Волны длиннее волны красных лучей соответствуют инфракрасным лучам, которые для нас так же невидимы, как и ультрафиолетовые лучи, длина волны которых короче, чем у фиолетовых (рис. 204). К счастью, существуют фотоэлектрические элементы, чувствительные к невидимым для нас лучам.

Рис. 204. Длина волны света различных цветов.

Н. — Я вновь думаю о прекрасной радуге. Следует ли полагать, что она создана призмой, находящейся в верхних слоях атмосферы?

Л. — Разумеется, нет. В небе находится облако, состоящее из мельчайших капелек, на которых солнечные лучи претерпевают двойное преломление, что и определяет распределение различных цветов по длине волн.

H. — Значит, не следует говорить о белом цвете, так как в действительности он состоит из целой гаммы цветов. И так как в физике обратимые явления встречаются очень часто, я предполагаю, что при рассматривании через стеклянную призму рисунка, представляющего собой весь спектр цветов от красного до фиолетового, у нас сложится впечатление, что мы видим белую поверхность.

Л. — Прими мои поздравления, Незнайкин! Твое предположение справедливо, но ни в одной из прочитанных мною книг по физике я не нашел изложения такой гипотезы. Она в самом деле оригинальна.

Н. — Твоя оценка для меня очень лестна… Неужели ни у кого никогда не возникала идея поэкспериментировать со сложением различных цветов, чтобы получить белый?

Л. — Ну, разумеется, возникала. Уже Ньютон развлекался раскрашиванием диска семью различными цветами, он закрашивал ими различные сектора диска. При достаточно быстром вращении диск казался белым. Почему? Потому что цвета благодаря сохранению зрительных ощущений складываются в нашем восприятии и дают впечатление белого цвета.

Н. — Одним словом, сложение цветов во времени, производимое диском Ньютона, дает такой же эффект, как и их сложение в пространстве. Но во всех случаях для получения белого цвета необходимо располагать всей гаммой цветов спектра, не так ли?

Л. — Совсем нет! Ты можешь получить белый цвет, складывая только три цвета: красный, зеленый и синий. Это основные цвета, лежащие в основе того, что называют трехцветным способом цветовоспроизведения.

H. — A как ты объясняешь это явление?

Л. — Мне следовало бы более подробно объяснить тебе различные физиологические аспекты зрения.

Как ты знаешь, человеческий глаз похож на фотографический аппарат. Хрусталик играет роль объектива с переменным фокусным расстоянием. Кривизна поверхностей хрусталика изменяется, что позволяет производить наводку на резкость в зависимости от расстояния до рассматриваемых предметов. Эта управляемая мышцами линза проецирует изображение на светочувствительную поверхность, какой является сетчатка.

Н. — Вспомнив то, что ты объяснил мне относительно коэффициента преломления, изменяющегося в зависимости от цвета лучей при переходе из одной среды в другую, я спрашиваю себя, насколько совершенно действие нашего хрусталика. Подобно линзе он, несомненно, ведет себя как призма. Фиолетовые лучи должны отклоняться больше, чем красные. Следовательно, если изображение многоцветное, его проекция не полностью располагается в плоскости сетчатки. Фиолетовые и синие части изображения окажутся перед сетчаткой, а красные — позади нее. И только зеленая часть, находящаяся посередине спектра, будет точно совпадать с плоскостью сетчатки.

Л. — Должен признать, что исключительная логичность твоего рассуждения меня поражает. Наш глаз действительно страдает от хроматической аберрации, суть которой ты так хорошо показал в ходе своих рассуждений. Поэтому мы с трудом различаем мелкие детали цветных изображений.

Н. — А какие светочувствительные элементы находятся в сетчатке?

Л. — Существует два типа таких элементов, которые из-за своей формы получили названия колбочек и палочек. Колбочки чувствительны к цвету. В сетчатке их насчитывается около 6 миллионов. Основная часть этих колбочек расположена в центральной части сетчатки, носящей название желтого пятна (рис. 205).

Рис. 205. Прохождение лучей разного цвета через линзу (а) и схематический разрез глаза (б).

_{Изображение многоцветного предмета образуется в нескольких плоскостях; если крутизна хрусталика такова, что зеленое изображение оказывается в плоскости сетчатки, то синее изображение располагается впереди, а красное — позади сетчатки.}

Что же касается палочек, обладающих чувствительностью в несколько тысяч раз более высокой, чем колбочки, то в сетчатке их содержится примерно 120 миллионов. Они чувствительны к интенсивности световых лучей, но не различают их цвета.

Н. — Я предполагаю, что существует множество типов колбочек, так как должны существовать элементы, чувствительные к каждому из различных цветов спектра.

Л. — Раньше действительно так думали, но в конечном счете пришли к тому, что существуют лишь три категории колбочек: одни чувствительны к синему цвету, другие к зеленому и третьи — к красному.

Н. — Это, как я предполагаю, объясняет возникновение трехцветного способа цветовоспроизведения.

Л. — Совершенно верно. Наибольшей чувствительностью обладают колбочки, принимающие зеленые лучи, а наименьшей — колбочки, принимающие синие лучи. Впрочем, вот как выглядит хроматическая чувствительность человеческого глаза (рис. 206).

Рис. 206. Кривая относительной чувствительности глаза к различным цветам спектра.

Н. — Здесь одно мне остается непонятным. Если колбочки наших глаз чувствительны лишь к трем цветам, то как мы воспринимаем другие цвета? Судя по кривой, наши глаза в большей или меньшей степени чувствительны ко всем цветам спектра. Я убеждаюсь в этом, разглядывая многоцветные изображения. Как ты это объяснишь?

Л. — Очень просто. Дело в том, что смешивание трех основных цветов — красного, зеленого и синего — позволяет получить всю гамму видимых цветов. Вот несколько примеров, приведенных для тебя в арифметической форме:

красный + зеленый = желтый;

красный + синий = пурпурный;

зеленый + синий = голубой;

красный + зеленый + синий = белый.

Само собой разумеется, что, дозируя интенсивность каждого из основных цветов, можно получить все желаемые оттенки.

Н. — Теперь я лучше понимаю, как в типографии удается напечатать репродукции цветных картин. Рассматривая цветные отпечатки в лупу, я убедился, что, кроме черного контура, они состоят еще из трех цветных: красного, желтого и синего. За исключением желтого, это как раз три твоих основных цвета.

Л. — Действительно, в этом способе типографской печати, именуемом четырехкрасочным способом цветовоспроизведения, зеленый цвет получают путем наложения синего на желтый.

В цветном телевидении используют три основных цвета, воспринимаемых сетчаткой глаза: красный, зеленый и синий. При приеме передач можно выделить сигналы, соответствующие каждому из трех цветов. Но передаются также и сигналы, характеризующий сумму этих цветов.

Н. — Я не вижу, какую пользу могут принести эти последние сигналы. Я думаю, что в телевизоре необходимо иметь экран, на котором подобно типографским цветным отпечаткам содержатся люминесцентные элементы, соответствующие каждому из этих трех цветов. Поэтому достаточно иметь сигналы, соответствующие каждому из них.

Л. — Твое рассуждение справедливо. Однако ты не учитываешь принципов совместимости, сформулированных известным французским специалистом в области телевидения Жоржем Валенси. Он высказал принципы совместимости между монохромным телевидением (которое не совсем правильно называют «черно-белым») и цветным.

В соответствии с его идеями цветные передачи должны приниматься не только цветными телевизорами, но также и черно-белыми, на которых они, разумеется, появляются без разнообразия цветов.

Валенси не ограничился высказыванием этих требований совместимости. Он также сформулировал основной принцип, позволяющий их удовлетворить; этот принцип лежит в основе всех современных систем цветного телевидения: передача одновременно содержит три основных цвета и сигнал яркости. Последний идентичен видеосигналу монохромного телевидения и, следовательно, позволяет принимать эти передачи цветными телевизорами.

Н. — Эта совместимость — очень хорошая штука, но она должна привести к очень сложной конструкции, потому что в итоге приходится передавать четыре сигнала: три цвета плюс яркость.

Л. — Успокойся: при передаче цветных программ научились обходиться только тремя сигналами. Мой дядюшка объяснит тебе, как это осуществляется на практике.