Chuyên đề: SỰ NHÌN, CẢM GIÁC VỀ MÀU SẮC VÀ CÁC MÀU CƠ BẢN
LỜI NÓI ĐẦU
Kiến thức về mắt, sự nhìn, cảm giác về màu sắc và các màu cơ bản được trình bày trong sách giáo
khoa còn mang nhiều hạn chế. Với các nội dung này cần trang bị nhiều hơn cho học sinh giỏi, đặc biệt
là các học sinh trong hệ thống các trường Chuyên. Hưởng ứng đề nghị của giáo viên các trường thuộc
hội các trường ĐBDH Bắc Bộ, chúng tôi, dựa vào kinh nghiệm giảng dạy và các tài liệu sưu tầm có
được, viết chuyên đề "Sự nhìn, cảm giác về màu sắc và các màu cơ bản". Nhằm cung cấp cho học
sinh những kiến thức sâu rộng hơn về vấn đề này.
Chuyên đề chắc còn nhiều thiếu xót, chúng tôi mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp!
Bắc Ninh, tháng 7 năm 2015
Tổ Vật lý - KTCN trường THPT Chuyên Bắc Ninh
MỤC LỤC
I. Sự nhìn, cảm giác về màu sắc
II. các màu cơ bản
Tài liệu tham khảo
Trang
2
13
17
I. SỰ NHÌN VÀ CẢM GIÁC VỀ MÀU SẮC
Sự nhìn màu sắc nổi của con người là một quá trình rất phức tạp đến nay vẫn chưa được hiểu trọn
vẹn, mặc dù hàng trăm năm nghiên cứu và mô phỏng đã trôi qua. Sự nhìn yêu cầu sự tương tác gần
như tức thời của hai mắt và não thông qua mạng lưới thần kinh, các cơ quan thụ cảm và những tế bào
chuyên biệt khác. Bước thứ nhất trong quá trình cảm giác này là sự kích thích của cơ quan cảm thụ ánh
sáng trong mắt, biến kích thích sáng hoặc hình ảnh thành tín hiệu, và truyền tín hiệu điện chứa thông
tin nhìn từ mỗi mắt đến não thông qua dây thần kinh thị giác. Thông tin này được xử lí tiếp trong vài
giai đoạn, sau cùng thì truyền đến phần vỏ não có liên quan đến thị giác.
Mắt người có các thành phần quang
đa dạng, gồm giác mạc, mống mắt, con
ngươi, thủy dịch và thủy tinh dịch, một
thủy tinh thể có tiêu cự thay đổi, và
võng mạc (như minh họa trong hình 1).
Những thành phần này phối hợp với
nhau, tạo nên ảnh của các vật rơi vào
tầm nhìn của mắt. Khi một vật được
quan sát, trước tiên nó hội tụ qua
thành phần giác mạc lồi và thủy tinh
thể, hình thành nên ảnh lộn ngược
trên mặt võng mạc, một màng nhiều lớp
chứa hàng triệu tế bào thị giác. Để đến
được võng mạc, các tia sáng bị hội tụ
bởi giác mạc phải lần lượt đi qua thủy
dịch (trong khoang phía trước), thủy
tinh thể, thủy tinh dịch sền sệt, và lớp
mạch máu và dây thần kinh của võng
mạc trước khi chúng đi đến phần nhạy
sáng bên ngoài của các tế bào hình nón
Hình 1. Cấu tạo của mắt người
và hình que. Những tế bào thị giác này
nhận diện ảnh và biến nó thành tín hiệu
điện truyền lên não.
Bất chấp một số quan niệm sai lầm do có quá nhiều thuật ngữ dùng để mô tả cấu tạo mắt, nhưng
chính giác mạc, chứ không phải thủy tinh thể, mới chịu trách nhiệm chính cho khả năng khúc xạ toàn
bộ của mắt. Nhẵn bóng và trong suốt như thủy tinh, mềm dẻo và bền như plastic, phần trong suốt, có
độ cong cao, nằm phía ngoài này của thành trước của nhãn cầu cho phép các tia sáng tạo ảnh truyền
qua vào phần trong. Giác mạc cũng bảo vệ mắt bằng cách làm một rào chắn vật lí che chắn phần
trong của mắt khỏi vi sinh vật, bụi bặm, các sợi nhỏ, các chất hóa học và những chất gây hại khác.
Mặc dù chiều rộng nhỏ hơn nhiều so với thủy tinh thể, nhưng giác mạc mang lại khoảng 65%
khả năng khúc xạ của mắt. Đa phần sức mạnh bẻ cong ánh sáng tập trung gần chính giữa của
giác mạc, nơi tròn hơn và mỏng hơn so với các phần ngoại biên của mô.
Như cánh cửa sổ điều khiển ánh sáng đi vào mắt, giác mạc (hình 2) là yếu tố cần thiết cho sự nhìn
tốt và cũng đóng vai trò là bộ lọc ánh sáng tử ngoại. Giác mạc loại trừ một số bước sóng tử ngoại
gây phá hủy nhất có mặt trong ánh sáng Mặt Trời, do đó bảo vệ được võng mạc dễ thương tổn và
thủy tinh thể khỏi bị phá hoại. Nếu giác mạc cong quá nhiều, như trường hợp cận thị, các vật ở xa sẽ
xuất hiện dạng ảnh mờ, do sự khúc xạ ánh sáng chưa hoàn chỉnh tới võng mạc. Trong trường hợp loạn
thị, sự không hoàn hảo hay không đều ở giác mạc gây ra sự khúc xạ không đồng đều, làm cho ảnh
chiếu lên võng mạc bị méo dạng.
Hình 2. Cấu tạo của giác mạc
Không giống như đa số các mô của cơ thể người, giác mạc không có các mạch máu nuôi
dưỡng hoặc bảo vệ chống lại sự xâm nhiễm. Cả những mao mạch nhỏ nhất cũng sẽ gây trở ngại cho
quá trình khúc xạ chính xác. Giác mạc nhận nuôi dưỡng từ nước mắt và thủy dịch, chúng chiếm đầy
khoang nằm phía sau cấu trúc này. Lớp biểu mô phía ngoài của giác mạc chứa hàng nghìn đầu mút dây
thần kinh nhỏ, khiến cho giác mạc cực kì nhạy với sự đau đớn khi bị chà xát hoặc cào xước. Chiếm
khoảng 10% chiều dày của mô, lớp ngoài của giác mạc chặn các đối tượng lạ không cho đi vào mắt,
đồng thời mang lại bề mặt nhẵn cho sự hấp thụ oxy và chất dinh dưỡng. Lớp chính giữa của giác mạc,
gọi là chất nền, chiếm khoảng 90% mô, và gồm một mạng sợi protein bão hòa nước mang lại sức bền,
sức đàn hồi, và hình dạng chống đỡ cho biểu mô. Các tế bào cấp dưỡng chiếm phần còn lại của lớp
chất nền. Vì chất nền có xu hướng hấp thụ nước, nên nhiệm vụ chính của mô màng trong là bơm nước
dư thừa khỏi chất nền. Không có hoạt động bơm này, chất nền sẽ đầy ứ nước, trở nên mờ sương, và
cuối cùng chuyển thành giác mạc mờ đục, tức là mắt bị mù.
Sự mất trong suốt một phần hoặc toàn
bộ do thủy tinh thể, hoặc lớp bao ngoài
của nó, gây ra một chứng bệnh phổ biến gọi
là đục nhãn mắt. Đục nhãn mắt là nguyên
nhân gây mù lòa hàng đầu trên thế giới, và là
nguyên nhân quan trọng của sự suy giảm thị
lực ở nước Mĩ. Sự phát triển của bệnh đục
nhãn mắt ở người trưởng thành liên quan tới
sự lão hóa bình thường, sự phơi sáng trước
ánh sáng Mặt Trời, hút thuốc, thức ăn
nghèo dinh dưỡng, chấn thương mắt, các
chứng bệnh như tiểu đường, tăng nhãn áp,
và tác dụng phụ phiền toái do sử dụng một số
dược phẩm, như steroid. Trong giai đoạn
đầu, người bị đục nhãn mắt sẽ nhận thấy
thế giới mờ đi hoặc không sắc nét nữa. Sự
nhìn rõ bị cản trở do sự suy giảm lượng ánh
sáng đi tới võng mạc và sự kéo mây của hình
ảnh (do sự nhiễu xạ và tán xạ ánh sáng) cứ
Hình 3. Bệnh đục nhãn mắt
như thể là người đó nhìn thế giới qua một
màn sương mù (xem hình 3). Để chữa bệnh
đục nhãn mắt, người ta phẫu thuật cắt bỏ
phần thủy tinh thể mờ đục, và thay thế
bằng một thủy tinh thể plastic.
Chức năng của võng mạc giống như sự kết hợp của một bộ cảm biến ảnh kĩ thuật số (như dụng cụ
tích điện kép CCD) với một bộ chuyển đổi tương tự sang số, như có mặt trong các hệ camera kĩ thuật
số hiện đại. Cơ quan thụ cảm bắt lấy ảnh của mắt, gọi là các tế bào hình nón và hình que, liên kết với
các bó sợi dây thần kinh thị giác qua một loạt tế bào chuyên biệt phối hợp truyền tín hiệu lên
não. Lượng ánh sáng được phép đi vào mỗi mắt được điều chỉnh bởi mống mắt, một màng chắn
tròn mở rộng ở mức ánh sáng thấp và đóng lại nhằm bảo vệ con ngươi (lỗ) và võng mực ở mức rọi sáng
rất cao.
Khi nguồn sáng thay đổi, đường kính của con ngươi (nằm phía trước thủy tinh thể) tự điều
chỉnh kích thước giữa 2 đến 8mm, điều chỉnh lượng ánh sáng đi tới võng mạc. Khi nguồn chiếu sáng
rất chói, con ngươi thu hẹp lại và các phần ngoài của các thành phần khúc xạ bị chặn khỏi đường đi tia
sáng. Kết quả là các tia sáng tạo ảnh bị quang sai ít hơn và ảnh trên võng mạc trở nên sắc nét hơn. Con
ngươi rất hẹp (khoảng 2mm) tạo ra sự nhiễu xạ làm trải rộng ảnh của một nguồn điểm lên trên võng
mạc.
Trong não, các sợi dây thần kinh thị giác từ mỗi mắt cắt nhau một tại nơi giao thoa quang,
nơi đó thông tin thị giác từ cả hai phần võng mạc truyền song song tương quan nhau, giống như vai trò
của máy phát đồng bộ thời gian dùng trong máy ghi video kĩ thuật số. Từ đó, thông tin thị giác
truyền qua ống quang đến bộ phận cong gập hình đầu gối, ở đó tín hiệu được phân bố qua bức xạ
quang tới hai phẩn vỏ não thị giác nằm trên phần phía sau, ở dưới của mỗi bán cầu não. Trong lớp vỏ
não ở dưới, thông tin từ mỗi mắt được duy trì dưới dạng cột vạch trội thị giác. Khi tín hiệu thị giác
được truyền tới lớp trên của vỏ não, thông tin từ hai mắt hợp nhất với nhau và sự nhìn hai mắt được
thiết lập. Trong những trường hợp mắt không bình thường, như mắt xiên, mắt lác, sự nhìn ảnh nổi bị
phá vỡ. Trong trường hợp phẫu thuật mắt không đảm bảo, thì thấu kính gắn trên kính đeo mắt có thể
chữa được một số tật thuộc loại này. Nguyên nhân gây ra sự gián đoạn đối với sự hợp nhất tín hiệu từ
hai mắt có thể do chấn thương, do bệnh cơ thần kinh, hoặc do khuyết tật bẩm sinh.
Hình 4. Sự phân bố tế bào hình que và hình nón trên võng mạc
Hố mắt giữa nằm trong khu vực gần chính giữa võng mạc, và nằm thẳng dọc theo trục chính của
mỗi mắt. Cũng gọi là “điểm vàng”, hố mắt nhỏ (dưới 1mm2 ), nhưng rất chuyên biệt. Những vùng này
chứa các tế bào hình nón chi chít, mật độ cao (trên 200.000 tế bào hình nón/mm2 đối với mắt người
trưởng thành, xem hình 4). Hố mắt giữa là khu vực nhìn sắc nét nhất, và tạo ra độ phân giải không
gian, độ tương phản và màu sắc rõ nhất. Mỗi mắt có chừng bảy triệu tế bào hình nón, chúng rất mỏng
(đường kính 3µm) và thon dài. Mật độ tế bào hình nón giảm ở bên ngoài hố mắt do tỉ lệ tế bào hình
que so với tế bào hình nón tăng dần lên (hình 4). Tại vùng rìa của võng mạc, tổng số cả hai loại cơ
quan thụ cảm thị giác này đều giảm về cơ bản, gây ra sự mất mát sâu sắc độ nhạy thị giác tại rìa ngoài
của võng mạc. Điều này có thể bù lại bởi thực tế thì người ta nhìn liên tục các vật trong tầm nhìn (do cử
động mắt nhanh tự nhiên), nên ảnh nhận được có độ nét đồng đều. Trong thực tế, khi ảnh bị ngăn cản
không cho chuyển động tương đối so với võng mạc (thông qua một quang cụ nào đó), thì mắt không
còn cảm nhận được cảnh sau một vài giây.
Sự sắp xếp của các cơ quan cảm giác trong các phần bên ngoài của võng mạc một phần xác định
giới hạn độ phân giải trong những vùng khác nhau của mắt. Để phân giải ảnh, một hàng cơ quan thụ
quang ít bị kích thích phải nằm giữa hai hàng cơ quan thụ quang bị kích thích cao. Nếu không thì
không thể phân biệt được sự kích thích xuất phát từ hai ảnh nằm rất gần nhau hay từ một ảnh nối đến
hai hàng cơ quan thụ cảm. Với khoảng cách tâm-nối-tâm biến thiên từ 1,5 đến 2 µm đối với các tế bào
hình nón trong hố mắt giữa, kích thích quang có độ phân tách chừng 3 đến 4 µm sẽ tạo ra một bộ phân
giải cường độ trên võng mạc. Lấy ví dụ tham khảo, bán kính của cực tiểu thứ nhất đối với hình
ảnh nhiễu xạ hình thành trên võng mạc khoảng chừng 4,6 µm đối với ánh sáng 550nm và đường
kính con ngươi 2mm. Như vậy, sự sắp xếp của các thành phần cảm giác trong võng mạc sẽ xác định
độ phân giải giới hạn của mắt. Một nhân tố khác, gọi là độ sắc nét thị giác (khả năng của mắt nhận ra
những vật nhỏ và phân giải độ phân tách của chúng), thay đổi theo nhiều thông số, bao gồm định
nghĩa của thuật ngữ và phương pháp người ta đo độ sắc nét. Trên võng mạc, độ sắc nét thị giác nói
chung cao nhất ở hố mắt giữa, hố này mở rộng ra tầm nhìn chừng 1,4 độ.
Sự sắp xếp không gian của các tế bào hình que và hình nón cũng với sự liên kết của chúng với các
dây thần kinh trong võng mạc được biểu diễn trong hình 5. Các tế bào hình que, chỉ chứa sắc tố
vàng, có độ nhạy cực đại với ánh sáng xanh dương-xanh lá (bước sóng khoảng 500nm), mặc dù
chúng biểu hiện sự phản ứng rộng đối với toàn phổ khả kiến. Chúng là những tế bào thụ cảm thị
giác chủ yếu nhất, với mỗi mắt chứa khoảng 125-130 triệu tế bào hình que. Độ nhạy sáng của tế bào
hình que gấp 1000 lần so với tế bào hình nón. Tuy nhiên, ảnh phát sinh chỉ bởi sự kích thích tế bào
hình que thì tương đối không sắc nét và có bóng xám phía ngoài, giống như ảnh chụp đen trắng.
Sự nhìn hình que thường được gọi là sự nhìn tối do trong điều kiện ánh sáng yếu, hình dạng và độ sáng
của vật có thể phân biệt được, nhưng màu của chúng thì không. Cơ chế thích nghi tối này cho phép
nhận dạng ra con mồi và động vật ăn thịt thông qua hình dáng và chuyển động ở nhiều loài động vật
có xương sống.
Hệ thị giác của con người phản ứng theo hàm mũ, chứ không tuyến tính, cho khả năng nhận một
phạm vi độ sáng khó tin đến trên 10 bậc. Trong ánh sáng ban ngày, người ta có thể nhận dạng các vật
dưới ánh sáng chói chang từ Mặt Trời, còn vào ban đêm, những vật lớn có thể được nhận ra bởi ánh
sáng sao khi Mặt Trăng tối đen. Ở độ nhạy ngưỡng, mắt người có thể phát hiện sự có mặt của khoảng
100-150 photon ánh sáng xanh dương-xanh lá (500nm) đi vào con ngươi. Đối với bảy bậc độ sáng trên,
sự nhìn sáng chiếm ưu thế, và sự cảm quang chủ yếu do các tế bào hình nón trên võng mạc mang lại.
Trái lại, đối với bốn bậc độ sáng thấp, được gọi là sự nhìn tối, thì các tế bào hình que đóng vai trò
chính.
Hình 5. Cấu trúc hiển vi của võng mạc
Sự thích nghi của mắt cho phép sự nhìn thực hiện chức năng dưới những điều kiện độ sáng
cực đoan như thế. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian trước khi sự thích nghi xảy ra, mỗi người có
thể cảm nhận một phạm vi độ sáng chỉ trong khoảng ba bậc. Một vài cơ chế là nguyên nhân làm
cho mắt thích nghi với những mức độ sáng cao. Sự thích nghi có thể xảy ra trong vài giây (bằng
phản ứng con ngươi lúc đầu) hoặc có thể mất vài phút (đối với sự nhìn tối), tùy thuộc vào mức
thay đổi độ sáng. Độ nhạy của tế bào hoàn toàn hình nón đạt chừng 5 phút, trong khi đó phải mất
khoảng 30 phút để thích nghi từ sự nhạy sáng vừa phải sang sự nhạy tối hoàn toàn bởi các tế
bào hình que.
Khi hoàn toàn thích nghi với ánh sáng, mắt người có phản ứng bước sóng từ khoảng 400 đến
700nm, với độ nhạy cực đại ở 555nm (trong vùng xanh lá cây của phổ ánh sáng khả kiến). Mắt thích
nghi tối phản ứng với phổ bước sóng thấp hơn, từ 380 đến 650nm, với cực đại tại 507nm. Đối với cả sự
nhìn sáng lẫn nhìn tối, những bước sóng này là không tuyệt đối, mà thay đổi theo cường độ ánh sáng.
Sự truyền ánh sáng qua mắt trở nên thấp hơn dần ở những bước sóng ngắn. Trong vùng xanh dươngxanh lá (500nm), chỉ khoảng 50% ánh sáng đi vào mắt tới được điểm ảnh trên võng mạc. Ở
400nm, giá trị giảm xuống còn vừa đúng 10%, kể cả mắt người trẻ tuổi. Sự tán xạ và hấp thụ ánh
sáng bởi các thành phần trong thủy tinh thể góp phần làm giảm thêm độ nhạy ở màu xanh dương
nhạt.
Các tế bào hình nón gồm có ba loại, mỗi loại “điều khiển” một phản ứng bước sóng riêng có
cực đại tập trung tại 430, 535, hoặc 590nm. Cơ sở cho từng cực đại là việc sử dụng ba sắc tố quang
khác nhau, mỗi sắc tố có một phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến đặc trưng. Các sắc tố thay đổi thể cấu tạo
của chúng khi một photon được phát hiện, cho phép chúng phản ứng với transducin khởi động một đợt
sự kiện thị giác. Transducin là một loại protein có mặt trong võng mạc và có khả năng chuyển
hóa hiệu quả năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện. Số lượng tế bào hình nón nhỏ hơn nhiều so với
tế bào hình que, với mỗi mắt chứa từ 5 tới 7 triệu cơ quan thụ cảm màu sắc thuộc loại này. Sự nhìn màu
sắc thực do sự kích thích của các tế bào hình nón mang lại. Cường độ tương đối và sự phân bố bước
sóng ánh sáng đi tới mỗi một trong ba loại cơ quan thụ cảm hình nón xác định màu sắc nhìn được,
theo kiểu tương tự như màn hình video RGB cộng màu hoặc camera màu CCD. Một chùm sáng chứa
chủ yếu là bức xạ xanh dương bước sóng ngắn làm kích thích các tế bào hình nón phản ứng với ánh
sáng 430nm ở quy mô lớn hơn nhiều so với hai loại tế bào hình nón kia. Chùm này sẽ kích hoạt
sắc tố màu xanh dương trong những tế bào hình nón nhất định, và ánh sáng đó nhận được là
màu xanh dương. Ánh sáng có đa số bước sóng tập trung ở khoảng 550nm được nhìn là màu xanh lá
cây, và chùm tia chứa hầu hết là bước sóng 600nm hoặc dài hơn được trông có màu đỏ. Như đã nói ở
phần trên, sự nhìn thuần túy bằng tế bào hình nón được gọi là sự nhìn sáng, và nó chiếm ưu thế ở các
mức sáng bình thường, cả trong nhà và ngoài phố. Đa số động vật có vú là loài nhị sắc, thường có thể
chỉ phân biệt được giữa các thành phần màu hơi lam và hơi lục. Trái lại, một số động vật bậc cao (đáng
chú ý nhất là con người) biểu hiện sự nhìn màu tam sắc, phản ứng đáng kể với các kích thích sáng đỏ,
lục, và lam.
Minh họa trong hình 6 là phổ hấp thụ của bốn sắc tố thị giác của con người, biểu hiện cực đại trong
vùng đỏ, lục, và lam của phổ ánh sáng khả kiến như mong đợi. Khi cả ba loại tế bào hình nón được
kích thích như nhau, thì ánh sáng nhận được sẽ không có màu, hoặc màu trắng. Ví dụ, ánh sáng
Mặt Trời lúc giữa trưa có vẻ là ánh sáng trắng đối với con người, do nó chứa các lượng ánh sáng đỏ,
lục, và lam hầu như bằng nhau. Một bằng chứng khác cho phổ màu sắc từ ánh sáng Mặt Trời là sự
chặn ánh sáng bằng một lăng kính thủy tinh, nó làm khúc xạ (hoặc bẻ cong) các bước sóng khác
nhau ở mức độ khác nhau, làm trải ánh sáng thành các màu thành phần của nó. Sự cảm nhận màu sắc
của con người phụ thuộc vào tương tác của tất cả các tế bào thụ cảm với ánh sáng, và sự kết hợp này
mang lại sự kích thích gần như tam sắc. Có sự lệch độ nhạy màu sắc theo sự thay đổi mức độ sáng, nên
màu xanh trông tương đối sáng hơn trong ánh sáng lờ mờ và màu đỏ trông sáng hơn trong ánh sáng
chói chang. Hiệu ứng này có thể quan sát bằng cách trỏ một ngọn đèn flash vào một bản in màu, sẽ
thấy ngay là màu đỏ trông sáng hơn nhiều và đậm hơn.
Trong những năm gần đây, sự quan tâm đến độ nhạy màu sắc thị giác của con người đã dẫn đến
những thay đổi trong thực tế lâu nay của việc sơn các xe tình trạng khẩn cấp, như xe chữa cháy và xe
cấp cứu, toàn là màu đỏ. Mặc dù màu này dành cho các xe dễ nhìn thấy và tránh né, nhưng sự phân bố
bước sóng không dễ nhìn thấy ở mức ánh sáng yếu và gần như trông tối đen vào ban đêm. Mắt người
nhạy hơn nhiều với màu vàng-lục hoặc các màu tương tự, đặc biệt vào ban đêm, và ngày nay đa số
các xe tình trạng khẩn cấp ít nhất phải có một phần sơn màu xanh hơi vàng sặc sỡ hoặc màu trắng,
hường vẫn giữ lại một số chỗ nổi bật nhất sơn màu đỏ theo sở thích truyền thống.
Khi chỉ có một hoặc hai loại tế bào hình
nón được kích thích, thì ngưỡng màu sắc
nhận được có giới hạn. Ví dụ, nếu một dải hẹp
ánh sáng lục (540-550nm) được dùng để kích
thích tất cả các tế bào hình nón, thì chỉ có một
loại chứa sắc tố lục sẽ phản ứng lại, tạo ra cảm
giác nhìn thấy màu lục. Sự cảm nhận của thị
giác con nó với các màu trừ chủ yếu, ví dụ như
màu vàng, có thể tăng theo một hoặc hai cách.
Nếu tế bào hình nón đỏ và lục được kích thích
đồng thời với ánh sáng đơn sắc vàng có bước
sóng 580nm, thì mỗi cơ quan thụ cảm tế bào
hình nón phản ứng lại hầu như bằng nhau do sự
chồng lần phổ hấp thụ của chúng xấp xỉ như
nhau trong vùng này của phổ ánh sáng khả kiến.
Cảm giác màu tương tự có thể thu được bằng
cách kích thích các tế bào hình nón đỏ và lục
riêng rẽ với hỗn hợp bước sóng đỏ và lục riêng
biệt chọn lọc từ các vùng phổ hấp thụ của cơ
quan thụ cảm không có sự chồng lấn đáng kể.
Kết quả, trong cả hai trường hợp, là sự kích thích
đồng thời của các tế bào hình nón đỏ và lục tạo
Hình 6. Phổ hấp thụ của các sắc tố
ra cảm giác màu vàng, mặc dù kết quả cuối cùng
thị giác của con người
thu được bằng hai cơ chế khác nhau. Khả năng
nhận được các màu sắc khác đòi hỏi phải kích
thích một, hai, hoặc cả ba loại tế bào hình nón,
đến mức độ khác nhau, với bảng màu bước sóng
thích hợp.
Mặc dù hệ thị giác của con người có ba loại tế bào hình nón với các sắc tố màu tương ứng của
húng, cộng với các tế bào hình que cảm thụ ánh sáng cho sự nhìn tối, nhưng não người bù đắp cho
những biến đổi bước sóng ánh sáng và nguồn sáng trong sự cảm nhận màu sắc của nó. Đồng phân dị vị
là các cặp phổ ánh sáng khác nhau được não người nhận ra dưới dạng cùng một màu. Thật thú vị, các
màu có thể nhận thức là như nhau hoặc tương đương bởi con người đôi khi lại được phân biệt rõ ràng
bởi những động vật khác, đáng chú ý nhất là chim chóc.
Các neuron trung gian chuyên chở thông tin thị giác giữa võng mạc và não không hề liên kết đơn
giản một-nối-một với các tế bào cảm giác. Mỗi tế bào hình nón và hình que trong hố mắt gởi tín hiệu
đến ít nhất là ba tế bào tam cực, trong khi ở những vùng ngoại vi hơn của võng mạc, tín hiệu từ một số
lượng lớn tế bào hình que cùng đổ về một tế bào hạch trung tâm. Độ phân giải không gian ở những
phần ngoài của võng mạc bị tổn hại bởi có một số lượng lớn tế bào hình que nối với một rãnh, nhưng
có nhiều tế bào cảm giác tham gia vào việc bắt lấy tín hiệu yếu làm cải thiện đáng kể độ nhạy ngưỡng
của mắt. Đặc điểm này của mắt người tương tự như sự hoạt động của hệ camera kĩ thuật số CCD quét
chậm.
Các tế bào cảm giác, tam cực, và các tế bào hạch trung tâm của võng mạc cũng liên kết với các
neuron khác, tạo nên một mạng đường dẫn ngăn chặn và kích thích phức tạp. Kết quả là tín hiệu từ 5
đến 7 triệu tế bào hình nón và 125 triệu tế bào hình que trong võng mạc người được xử lí và chuyên
chở đến phẩn vỏ não thị giác bằng chỉ khoảng 1 triệu sợi thần kinh thị giác. Cơ mắt được kích thích và
điều khiển bởi tế bào hạch trung tâm trong phần cong gập hình đầu gối, đóng vai trò như bộ điều khiển
phản hồi giữa võng mạc và vỏ não thị giác.
Mạng đường dẫn kích thích và ngăn cản phức tạp ở võng mạc sắp xếp trong ba lớp tế bào thần
kinh phát sinh từ một vùng đặc biệt của não trong sự phát triển thời kì đầu. Các mạch điện và vòng
phản hồi này mang lại sự kết hợp các hiệu ứng tạo ra sự sắc nét cạnh, tăng cường độ tương phản, lấy
tổng không gian, tính trung bình nhiễu, và các dạng khác của việc xử lí tín hiệu, có lẽ bao gồm cả một
số dạng đến nay chưa khám phá ra. Trong sự nhìn của con người, một mức độ đáng kể của việc xử lí
ảnh xảy ra trong não, nhưng chính võng mạc cũng có liên quan ở quy mô rộng của nhiệm vụ xử lí.
Một khía cạnh khác của sự nhìn của con người được gọi là bất biến màu, giá trị màu của một vật
không thay đổi trên một phạm vi chiếu sáng rộng. Năm 1672, Isaac Newton chứng minh được bất biến
màu ở cảm giác thị giác của con người và mang lại manh mối cho lí thuyết cổ điển về sự cảm nhận
màu sắc và hệ thần kinh. Edwin H.Land, nhà sáng lập tập đoàn Polaroid, đã đề xuất lí thuyết Retinex
của sự nhìn màu, dựa trên những quan sát của ông về bất biến màu. Khi một màu (hoặc một giá trị
xám xịt) được quan sát dưới một ngọn đèn tương xứng, thì mảng màu sẽ không thay đổi màu sắc của
nó ngay cả khi độ chói của quang cảnh thay đổi. Trong trường hợp này, gradient của nguồn chiếu sáng
quang cảnh không làm thay đổi màu nhận được hoặc sắc thái xám xịt của màng quan sát. Nếu mức độ
rọi sáng đạt đến ngưỡng đối với sự nhìn tối, thì cảm giác màu sẽ tan biến. Trong thuật toán
của Land, giá trị sáng của các khu vực màu được tính toán, và năng lượng tại một khu vực đặc biệt
trong quang cảnh được đem so sánh với tất cả các khu vực khác trong quang cảnh đối với dải sóng đó.
Tính toán được thực hiện ba lần, một cho mỗi dải sóng (sóng dài, sóng ngắn, và sóng trung), và bộ ba
giá trị sáng thu được xác định một vị trí đối với khu vực đó trong không gian màu ba chiều được định
nghĩa bởi lí thuyết Retinex.
Thuật ngữ mù màu là một từ không chính xác, thường được sử dụng trong trò chuyện hàng ngày,
để ám chỉ bất cứ sự khó khăn nào trong việc phân biệt giữa các màu. Sự mù màu thật sự, hay không có
hả năng nhìn thấy bất cứ màu nào, thì cực kì hiếm, mặc dù có đến 8% nam giới và 0,5% phụ nữ sinh ra
có một số dị tật về sự nhìn màu (xem bảng 1). Sự khiếm khuyết di truyền ở sự nhìn màu thường là kết
quả của những khuyết tật ở các tế bào thụ quang trong võng mạc, một màng thần kinh đóng vai trò
màn ảnh nằm ở phía sau của mắt. Các khuyết tật về sự nhìn màu cũng có thể do bệnh tật, do tác dụng
phụ của việc dùng một số loại dược phẩm nhất định, hoặc do quá trình lão hóa tự nhiên, và
những khiếm khuyết này có lẽ ảnh hưởng đến các bộ phận của mắt chứ không phải các tế bào thụ
quang.
Hình 7.
Phép kiểm tra
sự mù màu
Ishihara
Các tế bào hình nón bình thường và độ nhạy sắc tố cho phép một người phân biệt tất cả các màu
khác nhau cũng như các hỗn hợp màu tinh vi. Loại nhìn màu bình thường này được gọi là tam sắc và
dựa trên sự tương tác qua lại từ ngưỡng độ nhạy chồng lấn của ba loại tế bào hình nón thụ quang. Một
tật nhìn màu nhẹ xảy ra khi sắc tố thuộc một trong ba loại tế bào hình nón bị mất, và độ nhạy cực đại
của nó bị lệch sang bước sóng khác, tạo ra một sự khiếm khuyết thị giác gọi là tam sắc dị thường, một
trong ba loại tật nhìn màu phổ biến. Nhị sắc, một dạng mù màu nặng hơn, xảy ra khi một trong các sắc
tố bị nhầm một cách nghiêm trọng trong đặc trưng hấp thụ của nó, hoặc khi một sắc tố nhất định không
được tạo ra. Sự thiếu hoàn toàn cảm giác màu, hay tật đơn sắc, cực kì hiếm, còn những người bị mù
màu toàn phần chỉ nhìn thấy sự thay đổi mức độ sáng, và thế giới trước mắt có màu đen, trắng và bóng
xám. Tật này chỉ xảy ra với những cá nhân thừa hưởng một gen rối loạn từ cả bố lẫn mẹ.
Người bị tật nhị sắc có thể phân biệt một số màu, và do đó ít bị ảnh hưởng đến cuộc sống hàng
ngày hơn so với người bị tật đơn sắc, nhưng họ luôn luôn lo lắng rằng họ có vấn đề với sự nhìn
màu của mình. Tật nhị sắc chia nhỏ thành ba loại: mù màu đỏ, mù màu lục, và mù màu lam (xem
hình 7). Xấp xỉ 2% nam giới trên thế giới thừa hưởng một trong hai loại đầu, còn loại thứ ba
hiếm thấy hơn nhiều.
Mù màu đỏ là chứng thiếu màu đỏ-lục, nguyên nhân do mất cảm giác màu đỏ, gây ra sự thiếu phân
biệt có thể nhận thấy được giữa màu đỏ, cam, vàng, và lục. Ngoài ra, độ sáng của các màu đỏ, cam,
và vàng giảm đột ngột so với mức bình thường. Hiệu ứng cường độ suy giảm có thể làm cho đèn tín
hiệu giao thông màu đỏ trông tối đen (không có ánh sáng), và màu đỏ (nói chung) trông đen nghịt hoặc
xám đen. Người bị mù màu đỏ thường học cách phân biệt chính xác giữa màu đỏ và màu lục, và màu
đỏ từ màu vàng, chủ yếu dựa trên độ sáng biểu kiến của chúng, chứ không dựa trên bất kì sự khác
biệt màu sắc có thể nhận thức được nào. Màu lục nói chung thường trông sáng hơn màu đỏ đối với
những người này. Vì ánh sáng đỏ xuất hiện ở một đầu của phổ khả kiến, nên có một chút chồng lấn
trong độ nhạy với hai loại tế bào hình nón kia, và người mù màu đỏ bị mất cảm giác rõ rệt với ánh sáng
ở phía bước sóng dài (màu đỏ) của quang phổ. Những người có khiếm khuyết về sự nhìn màu này có
thể phân biệt giữa màu lam và màu vàng, nhưng nhạt hơn, màu tím, và màu tía không thể phân biệt từ
các bóng khác nhau màu lam, do sự suy giảm thành phần đỏ trong những màu này. Những người bị mù
màu lục, chứng thiếu cảm giác màu lục, có nhiều vấn đề về phân biệt màu sắc tương tự như người mù
màu đỏ, nhưng có mức độ nhạy khá bình thường trong phổ khả kiến. Do vị trí của ánh sáng lục nằm ở
giữa của phổ ánh sáng khả kiến, và đường cong độ nhạy chồng lấn của các cơ quan thụ cảm hình nón,
nên có một số phản ứng của các cơ quan thụ quang đỏ và lam với các bước sóng lục. Mặc dù mù
màu lục có liên quan với ít nhất là một phản ứng độ sáng với ánh sáng lục (và ít suy giảm cường độ dị
thường), nhưng những cái tên đỏ, cam, vàng, và lục đối với người mù màu lục dường như là quá nhiều
thuật ngữ cho những màu trông y hệt nhau. Tương tự, các màu lam, tím, tía, và những màu nhạt
hơn cũng không thể phân biệt được với những người mắc chứng mù màu này.
Bảng 1. Tỉ lệ mắc phải chứng mù màu và nguyên nhân
Phân loại
Nguyên nhân
Tam sắc dị thường
Tỉ lệ mắc (%)
6.0
Mù màu đỏ
Sắc tố cảm biến màu đỏ bất thường
1.0
Mù màu lục
Sắc tố cảm biến màu lục bất thường
5.0
Mù màu lam
Sắc tố cảm biến màu lam bất thường
0.0001
Nhị sắc
2.1
Mù màu đỏ
Thiếu sắc tố cảm biến màu đỏ
1.0
Mù màu lục
Thiếu sắc tố cảm biến màu lục
1.1
Mù màu lam
Thiếu sắc tố cảm biến màu lam
0.001
Đơn sắc que
Không có tế bào hình nón chức năng
< 0.0001
Mù màu lam là sự thiếu cảm giác màu lam, và tạo ra sự thiếu màu lam-vàng trong sự nhìn màu.
Những người bị khuyết tật này không thể phân biệt màu lam và màu vàng, nhưng thật sự có thể ghi
nhận sự khác biệt giữa màu đỏ và màu lục. Chứng này khá hiếm, và xảy ra ngang ngửa ở cả hai
giới. Những người mù màu lam thường không có nhiều khó khăn trong việc thực hiện những công
việc hàng ngày như những người mắc chứng nhị sắc đỏ-lục. Vì các bước sóng lam chỉ xuất hiện ở một
đầu của quang phổ, và có một chút sự chồng lấn độ nhạy với hai loại tế bào hình nón kia, nên toàn
bộ sự mất cảm giác trong vùng phổ đó có thể khá gay gắt đối với kiểu tật này.
Khi có một sự mất cảm giác màu do một tế bào thụ cảm hình nón, nhưng các tế bào hình nón vẫn
hoạt động, thì sự khiếm khuyết màu sắc nhìn được xem là tam sắc bất thường, và chúng được phân
loại tương tự như loại nhị sắc. Sự lộn xộn thường tăng thêm do các chứng tật này lại được đ ặt
tên tương tự, nhưng có thêm hậu tố dị thường. Như vậy, sự mù màu đỏ dị thường và mù màu lục dị
thường mang lại các vấn đề ghi nhận màu sắc tương tự như chứng nhị sắc đỏ-lục, mặc dù không rõ rệt
lắm. Mù màu đỏ dị thường được xem là sự nhìn màu “yếu màu đỏ”, với màu đỏ (hoặc bất kì màu nào
có thành phần đỏ) trông nhạt hơn bình thường, và màu sắc lệch về phía màu lục. Người bị mù màu
lục biểu hiện “sự yếu màu lục”, và có những khó khăn tương tự trong việc phân biệt giữa những
dao động nhỏ trong màu sắc rơi vào vùng đỏ, cam, vàng, và lục của phổ khả kiến. Điều này xảy ra do
màu sắc trông có vẻ lệch về phía đỏ. Trái lại, những người mù màu lục không bị mất độ sáng như
người mù màu đỏ. Nhiều người có các biến thể tam sắc dị thường này có chút ít khó khăn trong việc
thực hiện công việc đòi hỏi sự nhìn màu bình thường, và một số thậm chí còn không nhận thức được là
sự nhìn màu của họ bị suy yếu. Mù màu lam dị thường, hay sự yếu màu lam, không được xem là một
khiếm khuyết di truyền. Trong một số trường hợp sự khiếm khuyết đó được ghi nhận, người ta cho
rằng nó là do tự có chứ không phải di truyền. Một số bệnh về mắt (như bệnh tăng nhãn áp, tấn công
các tế bào hình nón lam) có thể gây ra chứng mù màu lam. Sự mất tế bào hình nón màu lam vùng
ngoại biên là phổ biến nhất trong số các bệnh này.
Không kể các hạn chế, có một số lợi thế thị giác độc đáo đối với bệnh mù màu, như tăng khả năng
phân biệt các vật ngụy trang. Đường nét, chứ không phải màu sắc, chịu trách nhiệm ghi nhận hình ảnh,
và sự cải thiện tình trạng nhìn đêm có thể do những khiếm khuyết nhìn màu nhất định. Trong quân sự,
những người lính bắn tỉa và chỉ điểm mù màu có giá trị cao vì những lí do này. Hồi đầu những năm
1900, trong một nỗ lực nhằm đánh giá sự nhìn màu bất thường của con người, kính nhìn Nagel đã được
phát triển. Sử dụng thiết bị này, người quan sát điều chỉnh các nút điều khiển để canh chỉnh hai trường
màu cho màu sắc và độ sáng. Một phương pháp đánh giá khác, phép kiểm tra đĩa Ishihara cho chứng
mù màu, đặt theo tên tiến sĩ Shinobu Ishihara, phân biệt giữa sự nhìn màu sắc bình thường và chứng
mù màu đỏ-lục (xem hình 7). Một phép kiểm tra đưa ra cho sự nhìn màu bình thường có thể phát hiện
sự khác biệt màu sắc giữa hình và nền. Với nhà quan sát bị khiếm khuyết màu đỏ-lục, các đĩa trông
cùng một màu, không có sự phân biệt giữa hình và hoa văn nền.
Là một phần tự nhiên của quá trình lão hóa, mắt người bắt đầu nhận màu sắc khác đi trong những
năm về sau, nhưng không trở nên “mù màu” như ý nghĩa thật sự của thuật ngữ. Sự lão hóa làm vàng và
tối thủy tinh thể cùng giác mạc, hiệu ứng thoái hóa cũng đi cùng với sự co rút kích thước con ngươi.
Với sự vàng hóa, các bước sóng ngắn của ánh sáng khả kiến bị hấp thụ, nên màu lam trông tối đi. Hệ
quả là những người già thường gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa các màu sắc khác biệt cơ bản ở
thành phần lam của chúng, như màu lam và xám, hoặc màu đỏ và tía. Ở tuổi 60, khi so với năng lực
nhìn ở tuổi 20, chỉ có 33% ánh sáng tới trên giác mạc đi tới các tế bào thụ quang trong võng mạc.
Giá trị này giảm xuống còn khoảng 12,5% khi tuổi giữa 70.
Sự điều tiết của mắt là hoạt động sinh lí điều chỉnh thành phần thủy tinh thể nhằm làm thay đổi hệ
số khúc xạ và mang các vật ở gần mắt vào điểm hội tụ sắc nét. Các tia sáng ban đầu bị khúc xạ tại bề
mặt giác mạc sẽ bị hội tụ thêm sau khi đi qua thủy tinh thể. Trong sự điều tiết, sự co cơ tròn làm thư
giãn sức căng trên thủy tinh thể, mang lại sự thay đổi hình dạng của mô trong suốt và mềm dẻo đó,
đồng thời cũng hơi đưa nó ra trước. Kết quả dây chuyền của sự biến đổi thủy tinh thể là điều chỉnh
tiêu cự của mắt để mang ảnh chính xác vào tiêu điểm trên lớp tế bào nhạy sáng có trên võng
mạc. Sự điều tiết cũng làm giãn sức căng tác dụng lên thủy tinh thể bởi các sợi zoule, và cho phép mặt
trước của thủy tinh thể tăng độ cong của nó. Mức độ tăng khúc xạ, cùng với sự hơi lệch vị trí của thủy
tinh thể, mang vật ở gần mắt vào tiêu điểm.
Tiêu điểm trong mắt được điều
khiển bởi sự kết hợp của các thành
phần gồm mống mắt, thủy tinh thể,
giác mạc, và mô cơ, có thể làm thay
đổi hình dạng của thủy tinh thể sao
cho mắt có thể hội tụ cả những
vật ở gần lẫn ở xa. Tuy nhiên, trong
một số trường hợp, các cơ này không
hoạt động thích đáng hoặc mắt hơi bị
biến đổi hình dạng, và tiêu điểm
không cắt qua võng mạc (một trạng
thái thường gọi là sự nhìn hội tụ). Khi
già, thủy tinh thể trở nên cứng hơn và
không thể làm hội tụ một cách chính
xác, dẫn đến sự nhìn nghèo nàn. Nếu
điểm hội tụ rơi vào phía trước võng
mạc, trạng thái được gọi là cận thị, và
những người có tật này không thể hội
tụ các vật ở xa. Trong trường hợp mà
tiêu điểm nằm phía sau võng mạc,
mắt sẽ gặp rắc rối khi hội tụ những
Hình 8. Sự điều tiết của mắt người
vật ở gần, tạo ra một trạng thái gọi
là viễn thị. Những tật này của mắt
luôn có thể chữa bằng cách đeo kính
(hình 8), dùng một thấu kính lõm để
chữa cận thị và một thấu kính lồi để
chữa viễn thị.
Sự nhìn hội tụ không phải hoàn toàn do sinh lí và có thể ảnh hưởng bằng cách tập luyện, nếu
như mắt không bị dị tật. Những bài tập lặp đi lặp lại có thể được sử dụng để phát triển sự nhìn hội tụ
mạnh. Các vận động viên, ví dụ vận động viên bóng rỗ, có sự nhìn hội tụ tốt. Tại mỗi thời điểm, hai
mắt phải phối hợp với nhau để duy trì sự nhìn hai mắt, với hệ thống cơ thần kinh phản ứng nhanh
và chính xác thường không biết mệt mỏi, điều khiển tính linh động và sự phối hợp của chúng. Những
thay đổi độ tụ của mắt hoặc chuyển động của đầu được xem xét trong những tính toán thực hiện bởi
hệ thị giác phức tạp nhằm tạo ra thông tin thần kình thích hợp cho cơ mắt. Một chuyển động 10 độ
của mắt có thể hoàn thành trong khoảng 40 mili giây, với những tính toán xảy ra nhanh hơn mắt có thể
đạt tới mục tiêu dự định của nó. Chuyển động nhỏ của mắt được gọi là giật mắt, và chuyển động lớn
hơn từ điểm này đến điểm khác được gọi là xoay mắt.
Hệ thị giác của con người không phải chỉ phát hiện ánh sáng và màu sắc, mà như trong quang hệ, nó
phải có thể phân biệt rõ giữa các vật, hoặc một vật và phông nền của nó. Được gọi là độ tương phản
sinh lí, hoặc sự nhận thức độ tương phản, mối quan hệ giữa độ sáng khả kiến của hai vật nhìn tại
cùng một thời điểm (tương phản đồng thời) hoặc nhìn liên tiếp (tương phản liên tiếp) so với nền, có
thể, hoặc không thể giống nhau. Với hệ thị giác của con người, độ tương phản giảm trong môi trường
tối và người ta sẽ chịu sự khiếm khuyết màu sắc giống như người mù màu đỏ-lục. Độ tương phản phụ
thuộc vào sự nhìn hai mắt, độ sắc thị giác, và việc xử lí ảnh bởi vỏ não thị giác. Một vật có độ tương
phản thấp, không thể nào phân biệt được nó với phông nền trừ khi nó đang chuyển động, được gọi là
ngụy trang. Tuy nhiên, những người mù màu thường có khả năng phát hiện các vật ngụy trang do tăng
sự nhìn bởi tế bào hình que và mất khả năng xử lí các màu sai lạc. Sự tăng độ tương phản có nghĩa là
tăng độ khả kiến, và giá trị định lượng cho sự tương phản thường được biểu diễn bằng phần trăm
hoặc tỉ số. Dưới những điều kiện tốt nhất, mắt trần có thể phát hiện sự có mặt của 2% độ tương phản.
Với sự nhìn của con người, sự tăng biểu kiến độ tương phản nhận được trong một vùng hẹp trên mỗi
mặt ranh giới giữa hai khu vực có độ sáng và/hoặc màu sắc khác nhau. Vào cuối thế kỉ 19, nhà vật lí
học người Pháp Michel E. Chevreul đã phát hiện thấy độ tương phản đồng thời. Là một chức năng đặc
biệt của nhận thức thị giác của con người, phần rìa hay đường biên của vật luôn trông nổi bật, tách vật
ra khỏi phông nền của nó và làm dịu đi sự định hướng không gian. Khi đặt trên một nền sáng chói,
vùng rìa của một vật tối trông nhạt hơn phần còn lại của nền (trong thực tế, độ tương phản đã tăng lên).
Với hiện tượng nhận thức này, màu sắc có độ tương phản mạnh nhất, màu bù, được tạo ra (bởi não)
tại vùng rìa. Vì màu sắc và phần bù của nó được nhận thức đồng thời, nên thu được kết quả là sự
tương phản đồng thời. Khung viền và các đường ranh giới khác tách rời khu vực tương phản có xu
hướng làm giảm hiệu ứng (hoặc sự chiếu sáng) bằng việc loại trừ sự tương phản ở mép rìa. Nhiều dạng
kính hiển vi quang học, đáng chú ý nhất là kính hiển vi rọi sáng tương phản pha, đã khai thác đặc
điểm này của hệ thị giác con người. Bằng cách làm tăng độ tương phản vật lí của ảnh mà không phải
làm biến đổi vật thông qua nhuộm màu hoặc những kĩ thuật khác, mẫu vật tương phản pha được bảo
vệ khỏi bị phá hủy hoặc chết (trong trường hợp mẫu vật sống).
Phản ứng tần số không gian của mắt người có thể đánh giá bằng việc xác định khả năng phát
hiện một dãy vạch trong cách tử điều biến sin. Cách tử kiểm tra có các vùng (vạch) xen kẽ sáng và tối,
tăng tuyến tính từ tần số cao đến tần số thấp dọc theo trục ngang, còn độ tương phản giảm theo
hàm mũ từ trên xuống dưới. Ranh giới giữa các vạch chỉ có thể phân biệt bởi những người
có sự nhìn bình thường từ 7 đến 10 chu kì/độ. Đối với sự nhìn không màu, khi tần số không gian rất
thấp (khoảng cách giữa các vạch rộng), yêu cầu phải có độ tương phản cao mới phát hiện được sự
biến đổi cường độ theo dạng sin. Khi tần số không gian tăng, con người có thể phát hiện những
chu kì có độ tương phản thấp, đạt tới cực đại khoảng 8 chu kì/độ trong trường thị giác. Bên ngoài điểm
đó, một lần nữa phải yêu cầu có độ tương phản cao hơn nữa mới có thể phát hiện các vạch sin mảnh
hơn.
Việc kiểm tra hàm truyền điều tiết của hệ thị giác con người cho thấy độ tương phản là cần
thiết để phát hiện ra sự biến đổi độ chói ở cách tử dạng sin chuẩn hóa khi tăng lẫn giảm tần số không
gian. Về mặt thì mắt xử sự hơi khác với một dụng cụ tạo ảnh đơn giản (ví dụ như camera phim hoặc
bộ cảm biến CCD). Hàm truyền điều biến của một hệ camera hội tụ, đơn giản đạt cực đại tại tần số
không gian bằng không, với mức độ điều biến giảm xuống 0 tại tần số ngưỡng của camera.
Khi độ chói của quang cảnh dao động tuần hoàn vài lần trong một giây (như xảy ra với màn hình
máy tính và tivi), con người nhận thức được một cảm giác kích thích, mặc dù các cảnh liên tiếp là tách
rời nhau. Khi tần số dao động tăng, sự kích thích cũng tăng và đạt tới cực đại ở khoảng 10 hertz, nhất là
khi lóe sáng xen kẽ với cảnh tối. Ở những tần số cao hơn, các cảnh không còn xuất hiện rời rạc, và các
vật bị dời chỗ từ cảnh này sang cảnh khác bây giờ được nhận thức là đang chuyển động êm ái. Thường
được gọi là sự rung hình, cảm giác dao động sáng kích thích có thể duy trì lên đến 50-60 hertz. Ở ngoài
một tần số và độ chói nhất định, gọi là tần số rung hình tới hạn, sự rung màn ảnh không còn được nhận
thấy. Đây là nguyên nhân chủ yếu vì sao mà việc tăng tốc độ làm tươi màn hình máy tính từ 60 lên
85-100 hertz tạo ra sự hiển thị ổn định, không rung hình.
Những tiến bộ trong công nghệ chế tạo bán dẫn, đặc biệt là kĩ thuật oxit kim loại bổ chính (CMOS)
và CMOS lưỡng cực (BiCMOS) đã đưa tới một thế hệ mới của các bộ cảm quang mini có phạm vi
động học khác lạ và phản ứng nhanh. Gần đây, dãy chip cảm biến CMOS đã được sắp xếp để mô
phỏng hoạt động của võng mạc con người. Những cái gọi là mắt chip này, bằng cách kết hợp quang
học, sự nhìn của con người, và các bộ vi xử lí, đang phát triển khoa mắt qua lĩnh vực mới quang sinh
thái học. Võng mạc bị hỏng do các chứng bệnh suy nhược thị giác, như viêm màng lưới võng mạc
hoặc thoái hóa, cũng như sự lão hóa và các thương tổn đến võng mạc, cướp đi sự nhìn, đang được
chữa bằng cách cấy mắt chip. Mắt chip silicon chứa khoảng 3500 bộ dò sáng mini gắn trên các điện
cực kim loại bắt chước chức năng của các tế bào hình que và hình nón ở mắt người. Các bộ dò sáng
hấp thụ ánh sáng tới khúc xạ bởi giác
mạc và thủy tinh thể và tạo ra một lượng
nhỏ điện tích kích thích các neuron võng
mạc. Có đường kính 2mm (xem hình 9),
võng mạc thay thế dày phân nửa một
mảnh giấy bình thường, và được cấy
vào một lỗ nằm phía dưới võng mạc bị
hỏng.
Là một sự thay thế cho mắt chip, việc
thay ghép võng mạc bằng một bộ xử lí
tín hiệu số và một camera gắn trên một
cặp kính, thu lấy và truyền hình ảnh của
vật hoặc quang cảnh. Không có dây
truyền, ảnh được gởi tới một chip nhận
ghép phía sau lớp võng mạc, nơi các
xung thần kinh được truyền lên não.
Tuy nhiên, võng mạc nhân tạo sẽ không
trị được bệnh tăng nhãn áp hoặc các tật
nhìn hỏng các sợi thần kinh dẫn tới dây
thần kinh thị giác. Khi quang sinh thái
học phát triển, người ta có thể hiểu tốt
hơn về hệ thị giác phức tạp của con
người.
Hình 9. Mắt chip cảm biến thị giác nhân tạo
II. CÁC MÀU CƠ BẢN
Ánh sáng đến từ Mặt Trời gồm một phổ bức xạ điện từ gần như liên tục, với đa số năng lượng tập
trung trong vùng bước sóng nằm giữa 220 và 3200 nanomét. Khi chúng truyền qua bầu khí quyển
của Trái Đất, đa phần sóng ánh sáng trên 2000nm (các bước sóng hồng ngoại) bị hấp thụ bởi
cacbon dioxit, hơi nước, và ozon cho nên đa số chưa bao giờ đến được mặt đất. Các sóng tử ngoại
ngắn hơn cũng bị hấp thụ bởi lớp ozon. Hiệu ứng lọc lựa này của bầu khí quyển làm giới hạn
phổ ánh sáng đến được mặt đất có bước sóng giữa 320 và 2000nm.
Hình 10. Các bộ cảm thụ quang hình que và hình nón trong mắt người
Mắt người nhạy cảm với một dải hẹp bức xạ điện từ nằm trong vùng bước sóng giữa 400 và
700nm, thường được gọi là phổ ánh sáng khả kiến, đó là nguồn duy nhất của màu sắc. Khi kết hợp
với nhau, tất cả các bước sóng có mặt trong ánh sáng khả kiến, khoảng một phần ba toàn dải phân bố
phổ truyền qua được bầu khí quyển Trái Đất, hình thành nên ánh sáng trắng không màu có thể bị khúc
xạ và tán sắc thành các màu thành phần của nó bằng cách sử dụng lăng kính. Các màu đỏ, lục, và
lam trước nay vốn được xem là màu cơ bản vì chúng là cơ sở cho sự nhìn của con người.
Mắt người chứa các cơ quan thụ quang tế bào hình nón (xem hình 10) gắn trong một hố nhỏ
ở chính giữa võng mạc được điều chỉnh nhằm phản ứng với các bước sóng nằm trong ba vùng này
(đỏ, lục, và lam) với các protein sắc tố chuyên biệt. Tất cả các màu của phổ ánh sáng khả kiến, từ
tím tới đỏ, có thể được tạo ra bằng cách cộng hoặc trừ những kết hợp khác nhau của ba màu
cơ bản này. Ánh sáng được con người nhận thức là trắng khi cả ba loại tế bào hình nón bị kích thích
đồng thời bởi lượng ánh sáng đỏ, lục, và lam bằng nhau. Vì cộng ba màu này mang lại ánh sáng trắng,
nên các màu đỏ, lục, và lam được gọi là các màu cộng cơ bản.
Khi chỉ có một hoặc hai loại tế bào hình nón bị kích thích, thì vùng màu sắc cảm nhận được bị giới
hạn. Ví dụ, nếu một dải hẹp ánh sáng lục (540 đến 550nm) được dùng để kích thích tất cả các tế bào
hình nón, thì chỉ có tế bào nào có chứa cơ quan thụ quang lục mới phản ứng lại, tạo ra cảm giác nhìn
thấy màu lục. Sự cảm nhận các màu cộng không cơ bản, ví dụ như màu vàng, có thể phát sinh theo
một trong hai cách. Nếu như các tế bào hình nón đỏ và lục bị kích thích đồng thời với ánh sáng vàng
đơn sắc có bước sóng 580nm, thì mỗi cơ quan thụ quang tế bào hình nón phản ứng hầu như ngang nhau
vì sự chồng lấn phổ hấp thụ của chúng xấp xỉ như nhau trong vùng này của phổ ánh sáng khả kiến.
Cùng một cảm giác màu như vậy có thể thu được bằng cách kích thích từng tế bào hình nón đỏ và
lục với một hỗn hợp bước sóng đỏ và lục riêng biệt chọn lựa từ các vùng thuộc phổ hấp thụ của cơ
quan thụ quang không có sự chồng lấn đáng kể. Kết quả, trong cả hai trường hợp, là sự kích
thích đồng thời của các tế bào hình nón đỏ và lục, tạo ra cảm giác màu vàng, mặc dù kết quả cuối
cùng thu được bởi hai cơ chế khác nhau. Khả năng cảm nhận những màu sắc khác yêu cầu kích thích
một, hai, hoặc cả ba loại tế bào hình nón đến mức độ khác nhau với bộ bước sóng thích hợp.
Nếu như các phần bằng nhau của ánh sáng lục và lam được cộng với nhau, thì màu thu được được
gọi là màu lục lam. Tương tự như vậy, các phần bằng nhau của ánh sáng lục và đỏ tạo ra màu vàng, và
các phần bằng nhau của ánh sáng đỏ và lam mang lại màu đỏ tươi. Các màu lục lam, đỏ tươi, và
vàng thường được gọi là màu bù, vì mỗi phần bù thuộc các màu cơ bản trong hỗn hợp ánh sáng trắng.
Màu vàng (đỏ cộng với lục) là phần bù của màu lam vì khi hai màu này cộng với nhau thì ánh sáng
trắng được tạo ra. Tương tự, màu lục lam (lục cộng với lam) là phần bù của màu đỏ, và màu đỏ
tươi (đỏ cộng với lam) là phần bù của ánh sáng lục.
Các màu bù (lục lam, vàng, và đỏ tươi) cũng còn được
gọi là các màu trừ cơ bản vì mỗi màu có thể hình thành
bằng cách trừ đi một trong các màu cộng cơ bản (đỏ,
lục, và lam) từ ánh sáng trắng. Ví dụ, ánh sáng vàng
được quan sát thấy khi toàn bộ ánh sáng lam bị tách
khỏi ánh sáng trắng, màu đỏ tươi được hình thành khi
màu lục bị lấy đi, và màu lục lam được tạo ra khi màu đỏ
bị tách mất. Màu sắc quan sát thấy bằng cách trừ đi một
màu cơ bản khỏi ánh sáng trắng thu được vì não cộng
gộp các màu còn lại để tạo ra phần bù hoặc màu trừ
tương ứng. Hình 11 minh họa các vòng màu chồng lấn
của cả các màu cơ bản cộng và trừ. Những vùng chồng
Hình 11. Các màu cơ bản
lấn cho biết những màu mới được tạo ra bằng cách cộng
hoặc trừ những kết hợp khác nhau sử dụng sáu màu cơ
bản này, và cũng cho thấy các màu cộng và trừ bù nhau
như thế nào.
Khi bất kì hai màu trừ cơ bản nào được cộng lại, chúng tạo ra một màu cộng cơ bản. Ví dụ, cộng
màu đỏ tươi và màu lục lam với nhau tạo ra màu lam, còn cộng màu vàng và màu đỏ tươi với nhau tạo
ra màu đỏ. Tương tự, cộng màu vàng với màu lục lam tạo ra màu lục (xem hình 11). Khi cả ba màu trừ
cơ bản được cộng lại, ba màu cộng cơ bản sẽ bị lấy khỏi ánh sáng trắng, để lại màu đen (không có bất
kì màu nào). Màu trắng không thể tạo ra bằng bất cứ sự kết hợp nào của các màu trừ cơ bản, đó là lí do
chủ yếu vì sao không có hỗn hợp nước sơn hoặc mực in nào có thể dùng để in màu trắng.
Một ví dụ hay về sự cộng màu và trừ màu là những thay đổi quan sát thấy ở màu sắc ánh sáng Mặt
Trời khi Mặt Trời mọc, truyền trên bầu trời, và khi Mặt Trời lặn. Màu sắc của ánh sáng Mặt Trời thay
đổi khi nó truyền qua bầu khí quyển của Trái Đất vì sự va chạm của các photon với những mật độ khác
nhau của các phân tử không khí làm loại mất một số màu. Khi Mặt Trời ở cao trên bầu trời vào cuối
buổi sáng hoặc đầu buổi chiều, ánh sáng trông có màu vàng. Khi Mặt Trời tiến đến đường chân
trời, ánh sáng phải truyền qua phần không khí nhiều hơn và bắt đầu chuyển sang màu cam và rồi
thì màu đỏ. Hiện tượng này xảy ra vì không khí hấp thụ một lượng tăng dần ánh sáng lam từ Mặt Trời,
chỉ để lại những bước sóng dài hơn trong vùng đỏ của phổ ánh sáng khả kiến.
Hình 12. Sự thay đổi màu theo sự chiếu sáng
Loạt ảnh trong hình 12 là những bức cảnh chụp của một quân bài (con ba cơ), một trái ớt hình quả
chuông màu lục, và một chùm nho màu tía-hơi xanh đặt trên nền tối đen. Trong bức ảnh phía bên
trái (hình 12a), ba vật được rọi bằng ánh sáng trắng và trông giống như chúng ta mong đợi chúng
xuất hiện dưới ánh sáng tự nhiên. Trong bức ảnh thứ hai (hình 12b), các vật được rọi bằng ánh sáng
đỏ. Chú ý là quân bài phản xạ toàn bộ ánh sáng đỏ chạm tới nó, đồng thời chỉ có cuống chùm nho và
những chỗ óng ánh trắng trên chùm nho và quả ớt phản xạ ánh sáng đỏ. Đa phần ánh sáng đỏ đi tới
chùm nho và quả ớt đều bị hấp thụ.
Bức thứ ba của loạt ảnh (hình 12c) biểu diễn các vật dưới sự rọi sáng bằng ánh sáng màu lục. Các kí
hiệu trên quân bài bây giờ trông có màu đen và thân quân bài phản xạ ánh sáng màu lục. Chùm nho
phản xạ một số ánh sáng lục, còn quả ớt trông bình thường (nhưng óng ánh xanh). Bức ảnh thứ tư (hình
12d) minh họa các vật dưới sự rọi sáng màu lam. Chùm nho trông bình thường với những chỗ nổi bật
màu lam, nhưng cuống thì chuyển sang đen và bây giờ không còn nhìn thấy. Quân bài phản xạ ánh
sáng lam có các kí hiệu màu đen và quả ớt chỉ phản xạ ánh sáng lam ở những chỗ nổi bật.
Loạt ảnh này chứng tỏ một vật trông có màu đỏ (ví dụ, trong ánh sáng trắng) hấp thụ các bước sóng
lam và lục, nhưng phản xạ các bước sóng trong vùng đỏ của quang phổ. Do đó vật trông có màu đỏ.
Mắt người nhạy cảm với những sự chênh lệch rất nhỏ về
màu sắc và có lẽ có khả năng phân biệt giữa 8-12 triệu sắc
thái màu khác nhau. Đa số màu sắc chứa một số phần của
toàn bộ bước sóng trong phổ khả kiến. Cái thực sự thay đổi
từ màu này sang màu khác là sự phân bố bước sóng trong
một màu cho trước. Bước sóng chiếm ưu thế xác định sắc
thái cơ bản của màu sắc có thể là, ví dụ, màu tía, màu mòng
két, màu be, màu hồng hoặc màu cam. Tỉ số của bước sóng
ưu thế và những bước sóng khác xác định độ bão hòa màu
của vật và xem nó trông bão hòa nhạt hay đậm. Cường
độ màu và hệ số phản xạ của vật được quan sát xác định độ
sáng của màu (ví dụ, màu lam tối hoặc lam nhạt). Điều này
được minh họa thú vị bên dưới đây bằng Cây màu Munsell,
trong đó mỗi màu được biểu diễn bằng một vị trí riêng ở trên
cây (xem hình 13). Giá trị màu được biểu diễn bằng sự sắp
Hình 13. Cây màu Munsell
đặt trên đường tròn, và độ bão hòa được biểu diễn bằng
khoảng cách ngang của một màu tính từ trục ở chính giữa, và
độ sáng được biểu diễn bằng vị trí đứng trên thân cây.
Phần nhiều trong bài này tập trung vào tính chất của ánh sáng trắng liên quan đến sự cộng màu và
trừ màu của ánh sáng khả kiến truyền đi có thể hình dung trên màn hình máy tính hoặc ti vi. Tuy nhiên,
đa số cái thực sự quan sát thấy là ánh sáng phản xạ từ những vật xung quanh chúng ta, như những
người khác, nhà cửa, xe cộ, phong cảnh, vân vân… Những vật này tự chúng không tạo ra ánh sáng, mà
phát ra màu bằng một quá trình gọi là phép trừ màu, trong đó những bước sóng ánh sáng nhất định bị
trừ đi (hấp thụ) và những bước sóng khác thì phản xạ lại (như minh họa trong hình 12). Ví dụ, một
chiếc lá màu lục trông có màu này dưới ánh sáng Mặt Trời tự nhiên vì nó phản xạ các bước sóng lục và
hấp thụ tất cả những màu sắc khác. Sắc thái, độ sáng, và sự bão hòa màu của ánh sáng màu lục phản xạ
được xác định bởi phổ bước sóng chính xác bị phản xạ.
Các sắc tố và thuốc nhuộm chịu trách nhiệm cho đa số màu sắc chúng ta nhìn thấy trong thế giới
thực. Mắt, da, và tóc có chứa các protein sắc tố tự nhiên phản xạ màu sắc hình dung ở những người
xung quanh chúng ta (tính luôn cả sự hỗ trợ của màu sắc trang điểm mặt và nhuộm tóc). Sách vở,
báo chí, bảng hiệu và các bản thông báo in bằng mực màu tạo ra màu sắc thông qua quá trình trừ
màu. Tương tự như vậy, xe cộ, máy bay, nhà cửa và những công trình xây dựng khác được sơn lớp
nước sơn chứa nhiều sắc tố đa dạng. Khái niệm trừ màu, như đã nói ở trên, là nguyên nhân
gây ra đa số màu sắc tạo ra bởi các vật vừa mô tả. Trong nhiều năm trời, những người họa sĩ và thợ in
đã tìm kiếm các chất chứa thuốc nhuộm và sắc tố đặc biệt tốt ở việc trừ những màu nhất định.
Tất cả ảnh màu, và những hình khác
được sơn hoặc chụp, được tạo ra chỉ
bằng bốn loại mực màu – đỏ tươi, lục
lam, vàng (các màu cơ bản trừ) và màu
đen (xem hình 14). Mực trộn có những
màu này với tỉ lệ thay đổi có thể tạo ra
màu sắc cần thiết cho việc tái tạo lại hầu
như bất kì hình ảnh hoặc màu sắc nào. Ba
màu trừ cơ bản có thể (về lí thuyết)
dùng độc lập, tuy nhiên các hạn chế
của đa số thuốc nhuộm và sắc tố khiến
cần phải thêm màu đen mới thu được
bình mực màu thực sự. Khi một hình ảnh
được chuẩn bị in trong một cuốn sách
hoặc tạp chí, trước tiên nó được tách
thành các thành phần màu trừ cơ bản,
hoặc bằng kĩ thuật nhiếp ảnh hoặc với
máy tính như minh họa trong hình 5. Mỗi
thành phần màu độc lập được đưa vào
một phim dùng chuẩn bị bản in cho màu
đó. Ảnh cuối cùng được tạo ra bằng cách
in liên tục từng bản màu, chồng lên
nhau, bằng mực in thích hợp, hình
thành nên một hỗn hợp tái tạo lại diện
mạo ban đầu. Việc sơn cũng tương tự như
vậy. Những sắc tố chính chứa các màu
Hình 14. Bốn bản in màu riêng rẽ
trừ cơ bản trộn lẫn với nhau hình thành
nên những màu khác nhau dùng bình
nước sơn pha chế sau cùng.
Bài này bao quát nhiều khía cạnh khác nhau của sự cộng và trừ các màu cơ bản. Được dùng trong
kính hiển vi để quan sát và chụp ảnh màu, khái niệm về các màu cơ bản cộng và trừ rất quan trọng.
Nguồn ánh sáng cho kính hiển vi thường là bóng đèn volfram-halogen có thể phát ra ánh sáng chói có
nhiệt độ màu tập trung khoảng 3200K, hoặc đèn hồ quang cho kính hiển vi huỳnh quang tạo ra
nhiệt độ màu trong phạm vi 5500K. Đối với người quan sát, những nguồn này trông như ánh sáng
trắng có thể bị hấp thụ, khúc xạ, phản xạ, phân cực, và/hoặc truyền qua bởi một mẫu vật nằm trên bàn
soi hiển vi. Các quy luật màu cơ bản áp dụng xem mẫu vật tương tác với ánh sáng kính hiển vi như thế
nào và xác định màu nào được hiển thị khi mẫu vật được hình dung qua thị kính. Những quy luật
này cũng áp dụng được cho phim dùng trong máy quay phim truyền thống hoặc dụng cụ ghi ảnh kĩ
thuật số gắn trên kính hiển vi, cả hai đều phụ thuộc vào mối tương quan giữa các màu cơ bản để ghi
ảnh.
III. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 – Nguyễn Thế Khôi (chủ biên) - Sách giáo khoa Vật lý lớp 11 - NXBGD 2005
2 – Kenneth R.Spring, Michael Davidson (
[email protected]) - Tập bài giảng về quang học
3 – N.I. Kariakin, K.N. Buxtrôv, P.X. Kirêêv – Sách tra cứu tốm tắt Vật lý – NXB MIR Maxcơva
.PDF 
17 
975 
138 
