Kuinka värinäkö toimii?
Kuva: juniorvelo (CC)
Värien näkeminen on ylipäätänsä mielenkiintoinen juttu, mutta tällä kertaa kimmoke kirjoittamiselle tuli Pinseristä, jossa esiteltiin Phillips LivingColors -värilamppu. Kyseinen lamppu pystyy kolmen pienen ledivalon avulla esittämään kaikki näkyvät värit. Eikö ole pieni ihme, että kolmen, yksivärisen lampun voi esittää kaikki näkyvät värit? Miten ihminen ylipäätänsä näkee värejä? Kehityskelpoinen ottaa asian tarkasteluun ja tutkii pintaa syvemmältä.
Esimerkkinä annetun, Pinserissä esitellyn LivingColors-värilampun värinmuodostus perustuu kolmen erillisen ledivalon, punaisen, vihreän ja sinisen käyttöön. Nämä värivalot muodostavat yhdessä kolmikon (RGB), joka pystyy esittämään kaikki näkyvät värit, jopa valkoisen. Värinmuodostus RGB-mallissa perustuu additiiviseen sekoitukseen: kun päälle laitetaan punainen ja sininen, syntyy violettia valoa. Vastaavasti punainen ja vihreä yhdessä näyttää keltaiselta. Ja niin edelleen: kaikki lamput yhtä aikaa päällä saavat aikaan aistimuksen valkoisesta.
Esimerkki additiivisesta värinmuodostuksesta punaisella, vihreällä ja sinisellä (Wikipedia)
RGB-värinmuodostusta käytetään myös televioissa ja tietokoneiden näytössä, oli tekniikkana sitten LCD tai CRT. Jokaista kuvapistettä vastaa siis kolme eriväristä valonlähdettä.
Mutta miksi juuri RGB, eikö värejä voisi muodostaa muutoinkin? Tähän kysymykseen vastaaminen vaatii hieman värien fysikaalisen ja fysiologisen tausta selittämistä.
Näkyvä valo on sähkömagneettista (SMG) -säteilyä. Fysikaalisesti kaikkea sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on välillä 400-700 nanometriä, kutsutaan näkyväksi valoksi. Näkyvästä valosta aallonpituudeltaan seuraavaksi pidempi SMG-säteily on infrapunasäteilyä, vastaavasti suurempienergisempi - siis pienemmän aallonpituuden säteily - on ultraviolettisäteilyä. Eri pituisten aaltojen muodostaman sähkömagneettisen spektrin ääripäissä ovat gammasäteily ja radioaallot, joita mikään näyttölaite ei toivottavasti emittoi.
Koko näkyvän valon kirjo kaikkine väreineen on siis hyvin kapea kaistale kaikesta mahdollisesta SMG-säteilystä. Näkyvät värit sijoittuvat tämän kaistaleen eri osille: sinisen valon aallonpituus on noin 475 nm, vihreän 510 nm ja punaisen 650 nm. Näiden välisiltä alueilta löytyy myös muita värejä, yhdessä nämä kaikki muodostavat tarkalleen ottaen sateenkaaren eri värit - värien skaala, joka on miltei loputtoman hienojakoinen.
On hankalaa rakentaa laitetta, joka tuottaisi säteilyä tasaisesti näkyvän valon kaikilla aallonpituuksilla. Punainen-vihreä-sininen yhdistelmällä päästään kuitenkin välttävän lähelle tätä: kun jokainen ledi tuottaa suurimmalla intensiteellä omanväristä valoaan, saadaan nämä kaikki yhdistelmällä kaikenlaista säteilyä näkyvän valon alueelta.
Punaisen, vihreän ja sinisen ledin tuottamien aallonpituuksien suhteelliset intensiteetit
Kuten kuvastakin näkyy, ei tällaisella tavalla saavutetun valon profiili ole täydellinen: värialueiden välille jää alueita, joiden toistovoimakkuus on pienempi. Matemaattisesti valkoinen väri on täydellinen sekoitus kaikkia mahdollisia värejä, mutta ledeillä tuotettu valkoinen väri ei ole täysin tasaista. Kuvaputkinäytöillä spektri on vielä hirveämmän näköinen.
Jos tällä tavoin ei voida tasaisesti tuottaa kaikkia värejä, miten RGB-näytöt voivat edes toimia? Vastataksemme tähän kysymykseen on avattava hieman sitä tapaa, jolla silmä toimii ja sitä miten ihminen havaitsee värejä.
Valon (siis SMG-säteilyn) tullessa silmään, on sillä vielä pitkä matka, jotta ihminen sen havaitsee. Optisesti valo taittuu sarveiskalvolta, silmän etuosan kammionesteen kautta mykiöön. Mykiöstä, silmän omasta “linssistä”, valo läpäisee edelleen silmämunan hyytelömäisen sisäosan, lasiaisen, jonka jälkeen se päätyy silmän valoa aistivaan sisäpintaan, eli verkkokalvolle (engl. retina).
Näköhavainnon muodostus alkaa valon osuessa verkkokalvolle, tarkalleen ottaen siellä sijaitseviin aistinelimiin. Nämä valoon reagoivat aistinelimet (fotoreseptorit) voidaan kahteen eri tyyppiin: sauva- ja tappisoluihin. Sauvasolut reagoivat valoon parhaiten hämärässä, kirkkaassa valossa ne ylistimuloituvat, eivätkä ne siis merkittävästi selitä ihmisen kykyä havaita ja erotella värejä. Sauvasoluilla aistimme kuitenkin harmaan eri sävyjä. Koska hämärä valo stimuloi pelkästään tappisoluja, tuntuvat vähässä valossa “väritkin katoavan” ja kaikki muuttuu sinertävän harmaaksi. Hämärässä ihminen aistii valoa ainoastaan sauvasoluilla. Koska sauvasolut eivät itsenäisesti kykene erottelemaan eri värisävyjä, näyttää pimeässä kaikki harmahtavalta.
Tappisolujen vastekäyrät valon eri aallonpituuksille (Wikipedia, Cone Cell).
Punaisen, vihreä ja sinisen valon aallonpituuksien (yläpuolella) ja silmän fotoreseptoreille optimaalisten aallonpituuksien (alapuolella) vertailu (Mukautettu lähteestä [2])
Selitys ihmisen kyvylle erotella värejä löytyy tappisoluista. Valokvantin osuessa retinaan, se absorboituu rodopsiiniin saaden näin aikaan kemiallisen muutoksen. Tässä kohdassa mielenkiintoinen tieto on, että yleensä näitä tappisoluja on kolmea eri tyyppiä, jokainen erityisen herkkä juuri tietyntaajuksiselle valolle. Tapit reagoivat optimaalisesti violetille, vihreälle ja vihertävänkeltaiselle valolle. “Kuitenkin usein sanotaan, että tapit ovat herkkiä siniselle, vihreälle ja punaiselle. Tällöin tarkoitetaan, että sininen valo aktivoi parhaiten ensimmäistä tappilajia, vihreä parhaiten toista ja punainen kolmatta lajia.” [1].
Se, että erilaisissa näyttölaitteissa värit koodataan ja esitetään RGB-muodossa, ei siis ole täysin sattumaa, vaan ihmisen värinäön kannalta jopa perusteltua. Kun aallonpituuksia, joille tappisolut ovat herkimmillään vertaillaan näyttölaitteiden käyttämään RGB-koodaukseen, näkyy hyvin, että miten lähellä nämä ovat tosiaan.
Näyttölaitteet kykenevät usein ihmissilmää tarkempaan värierotteluun. Kuten reseptorien herkkyysalueista käy ilmi, on varsinkin näkyvän valon aallonpituusalueen ylä- ja alapään signaalien havaitseminen heikompaa. Myös reseptorien herkkyyksissä on eroja: tiettävästi punaista ja vihreää väriä vastaavat reseptorit (kuvassa R2 ja R3) ovat sinistä (R1) huomattavasti herkempiä. Tätä piirrettä käytetään usein hyväksi digitaalisia kuvia ja videoita pakatessa.
Muuten: osaisitko edellä esitetyn perusteella sanoa, mistä värisokeus voisi johtua?
May 23rd, 2008 at 9:39 am
Silmän verkkokalvolla on tappisoluja, jotka aistivat eri värejä. Ne aistivat punaista, vihreää ja sinistä väriä sekä niiden eri sävyja ja väriyhdistelmiä. Kun yksi tai useampi tappisolutyyppi toimii puutteellisesti, niin tämä aiheuttaa puutteita sen värin näkemisessä. Tappisolujen puutteellinen toiminta voi olla vain värinäön heikkoutta tai ääritapauksessa värisokeutta. Värisokeudessa kaikkien tappisolutyyppien puutos aiheuttaa värisokeuden ja ihminen näkee tällöin vain mustan, valkoisen ja harmaan eri sävyt. Tavallisimmat värinäön häiriöt ovat periytyvät puna-viher- ja viher-punaheikkoudet, joissa punaista tai vihreää valoa erottava tappisolutyyppi toimii puutteellisesti.
June 9th, 2008 at 2:01 pm
[…] Kuinka värinäkö toimii […]
September 28th, 2008 at 10:29 pm
“Koska hämärä valo stimuloi pelkästään tappisoluja, tuntuvat vähässä valossa “väritkin katoavan” ja kaikki muuttuu sinertävän harmaaksi.”
[Sauvasolut ovat silmän verkkokalvolla sijaitsevia hämärässä näkemiseen erikoistuneita näköreseptorisoluja. Värien näkemiseen ovat erikoistuneet verkkokalvon tappisolut.] -Wikipedia
[Hämärässä näemme vain sauvoilla, emmekä siten pysty erottelemaan värejä toisistaan…-…Valo siis inhiboi reseptorisoluja, jotka pimeässä vapauttavat neurotransmitteria jatkuvasti; reseptoriin osunut valokvantti lopettaa erityksen.] -http://www.biomag.hus.fi/braincourse/L5.html
Jos noista lähteistä oikein ymmärsin, niin sauvasolut ovat aktiivisia niin kauan kun niihin ei osu valoa. Valon osuminen saa sen lopettamaan “neurotransmitterin” tuottamisen eli stimulointi lakkaa?
Noh, en ymmärrä tuota itsekään, mutta pitäisikö alkuperäisen lauseen mennä jotenkin muuten:
“Koska hämärä valo stimuloi pelkästään SAUVASOLUJA, tuntuvat vähässä valossa “väritkin katoavan” ja kaikki muuttuu sinertävän harmaaksi.”
September 29th, 2008 at 1:44 am
Hei “laamanni”,
Ja kiitos rakentavasta palautteesta!
Esittämässäsi kohdassa tuli asiassa sen verran oikaistua, että sauvat- ja tapit menivät tehokkaasti sekaisin. Esittämäsi korjaus on siis täysin aiheellinen: hämärässä valoa eivät aisti tapit vaan sauvat. Toinen antamistasi lähteistä antoi myös aihetta selvennykseen artikkelin loppuosassa: tarkalleen ottaen tappisolut eivät reagoi optimiaalisesti punaiseen, siniseen ja vihreään vaan violetille, vihreälle ja vihertävänkeltaiselle valolle.
Ohessa hieman lisäpohdintoja hämäränäön toiminnasta tarkemmin, toivottavasti tämä pohdinta “valottaa” ajatuksiani paremmin
Sekä sauva- että tappisolut aktivoituvat hyperpolarisoitumalla; kun niitä ei stimuloida (eli valo ei osu niihin), ne depolarisoituvat ja vapauttavat neurotransmitteria (http://en.wikipedia.org/wiki/Rod_cell). Mikäli ei sauva- eikä tappisoluihin osu yhtään fotona (eli kun ollaan säkkipimeässä), ne siis vapauttavat jatkuvasti neurotransmitteria.
“Reseptorisolut puolestaan inhiboivat bipolaarisoluja, joten valon vaikutus bipolaarisoluihin on eksitoiva” (http://www.biomag.hus.fi/braincourse/L5.html). Neurotransmitterin vaikutus viestinlähetyksessä on siis “käänteinen”: mitä enemmän sitä vapautuu, sen heikompana lähtee viesti havainnosta eteenpäin.
Himmeässä valossa on vähemmän fotoneja, jotka voisivat osua sauva- ja tappisolujen näköpigmentteihin. On siis pienempi todennäköisyys, että reseptorisolun neurotransmitterin lähetys estyisi. Kuten nyt tiedetään niin värinäkemiseen erikoistuneille tappisoluille ei tarpeeksi hämärässä fotoneita ole riittävästi havainnon syntymiseen.
Sauvasolut tosiaan kykenevät kuitenkin toimimaan myös hämärässä. Eräs teoria tähän on, että hämärässä sauvasoluista tulevat impulssit kerätään talteen niin suurelta joukolta, että riittävä signaali saadaan aikaan (ks. [1, s. 506]). Ilmeisestikään tappisoluissa vastaavaa mekanismia ei ole tai se toimii puutteellisemmin, kun nyt kerran värinäkö toimii heikosti hämärässä. Mitään muuta perustavanlaatuista fysikaalista tms. syytä värinäön puutteeseen hämärässä ei siis käsittääkseni ole. Heikko värien hämäränäkö siis lienee ihmiselle lajityypillinen ominaisuus.
[1] Nienstedt, W., Hänninen, O., Arstila, A., Björkqvist, S.-E. Ihmisen fysiologia ja anatomia. 12. uudistettu painos.
March 7th, 2009 at 2:35 pm
lg
I think this is very radical approach to this problem.
doliktrastin8