Nguyên lý của màu sắc và mắt người

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 1. 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 1) 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. Hình 2. Các màu cơ bản 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 2 minh họa các vòng màu chồng lấn của cả các màu cơ bản cộng và trừ. Những vùng chồng 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 2). 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 3. Sự thay đổi màu theo sự chiếu sáng Loạt ảnh trong hình 3 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 3a), 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 3b), 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 3c) 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 3d) 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 4). Giá trị màu được biểu diễn bằng sự sắp 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. Hình 4. Cây màu Munsell 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 3). 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 5). 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 trừ cơ bản trộn lẫn với nhau hình thành nên những màu khác nhau dùng bình nước sơn pha chế sau cùng. Hình 5. Bốn bản in màu riêng rẽ 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. Nguồn: sưu tầm