Эффект Фехнера-Бенхема
Эффект Фехнера-Бенхема - следует относить к динамическим эффектам зрения проявляющимся в возникновении ощущения цветов, возникающих при наблюдении модулированного по времени светового потока естественного белого света. Наиболее известной реализацией эффекта является т.н. диск Бенхема, вращающийся диск, с нанесенными на него в определённом порядке чёрно-белыми полосами - секторами.
История[править | править код]
Эффект назван по именам знаменитого естествоиспытателя Фехнера и создателя игрушек, Чарльза Бенхема.
В один из дней 1956 года, английская телевизионная компания попросила телезрителей, обладателей обычных черно-белых телевизоров, в определенный час посмотреть на экран и сообщить свои впечатления. Можно себе представить удивление зрителей, когда на черно-белом экране появился... цветной кубик.
Само по себе ощущение цвета от действия неокрашенного белого света с позиций трёхкомпонентной теории кажется просто невероятным. Белый свет в одинаковой степени должен действовать на все три типа колбочек; иначе действует он на палочку, но никакой цветовой информации (согласно трёхкомпонентной теории) она выдать не может. Попытки объяснить эти явления сводились к одному: коль цвета нет, то цветового сигнала рецептора быть не должно. Поэтому наблюдателю только кажется, что он видит цвет; ощущение цвета - субъективное явление, обусловленное непонятной особенностью работы мозга. Это явление было также отнесено к области с малопонятным названием «психофизика». Попыток дать объяснение этому эффекту в литературе мало. Его либо приводят без объяснений, либо предпочитают вообще не упоминать о нем.
Диск Бенхема[править | править код]
Диск Бенхема - игрушка, простое устройство (волчок), предназначенное для демонстрации субъективных цветовых явлений (субъективных цветов). При вращении круга по часовой стрелке, со скоростью 5-10 об./с возникает ощущение ненасыщенных синих, зеленых, желтых и красных тонов.
Объяснение эффекта Фехнера-Бенхема с позиции нелинейной теории цветового зрения[править | править код]
Любой процесс происходит не мгновенно. Для того чтобы он установился, требуется определённое время. С точки зрения энергетической работу рецептора можно грубо представить как процесс перекачки через него энергии от внешних источников. В начальном состоянии рецептор «заряжен» каким-то количеством энергии, при попадании на него света он разряжается. В заряженном рецепторе электрическое поле очень сильное, он находится в сильно поляризованном состоянии. Это соответствует случаю, когда рецептор долгое время пребывал в полной темноте. Поляризация настолько высока, что рецептор может «сработать» - выдать импульс под воздействием не только света, но и малейших тепловых, механических, электрических воздействий. Эта спонтанная импульсация вызывает появление в полной темноте зрительных шумов, фона, который ощущается как мелкие светящиеся точки, хаотически появляющиеся и исчезающие по всему полю зрения.
При включении света рецептор, находившийся в режиме максимальной чувствительности, начинает генерировать импульсы, частота следования которых вначале очень высока, мало зависит от интенсивности света и в первый момент времени определяется только свойствами мембраны рецепторной клетки. Если действие света продолжается, начинается ионизация и разложение молекул зрительного пигмента, физические свойства которого изменяются. При этом вероятность захвата фотонов снижается, так как пигмент начинает «выцветать». Образовавшиеся ионы тормозят восстановление двойного потенциального слоя. Два эти фактора вызывают уменьшение частоты импульсов. Как только в рецепторе процессы стабилизируются, стабилизируется и частота импульсации.
Само собой разумеется, что чем больше общая интенсивность света, тем меньше будет увеличение частоты при одном и том же изменении интенсивности; т. е. приращение частоты не пропорционально приращению интенсивности света. Это очень хорошо ощущается при выходе из темного помещения на освещённую солнцем улицу. Вначале свет кажется очень ярким. Спустя некоторое время глаза привыкают, свет уже не «режет» глаз. Поляризация рецепторов становится невысокой.
Обратное действие происходит при входе в темное помещение. Чтобы глаз «привык» к темноте, требуется определённое время, в течение которого устанавливается соответствующий уровень поляризации. Процесс поляризации, восстановления гораздо более длителен. Глаз быстрее привыкает к свету, чем к полумраку. Описанное свойство зрения называется адаптацией (приспосабливанием), Энергия «синего» фотона, в два раза выше энергии «красного». Чтобы реакция на «красный» фотон была такой же, как и на «синий», вероятность захвата первого должна быть больше, поэтому размер красночувствительной области должен быть значительнее, а следовательно, должны быть больше и её электрохимическая емкость и зависящая от нее постоянная времени. Это значит, что при включении света переходные процессы будут разной продолжительности для красно- и зелёночувствительной областей колбочки, а также для палочки. Поэтому процесс адаптации к свету зелёночувствительной области колбочки продолжительнее, чем палочки, но короче, чем красночувствительной области.
При включении света изменение физических свойств рецепторов приводит к тому, что процессы адаптации почти не вызывают ощущения изменения цвета.
При выключении света пигменты начинают восстанавливаться, ионизация, обусловленная действием света, прекращается, перераспределяются заряды, возрастает степень поляризации. Казалось бы, и при восстановлении, при темновой адаптации эти процессы должны происходить в том же порядке и с теми же скоростями. Однако здесь ждет сюрприз: скорости практически одинаковы, хотя электрохимические емкости различны. Это происходит потому, что чем больше емкость, тем меньше динамическое сопротивление, тем выше ток заряда. Происходит точно то же, что и с аккумуляторами: «садится» быстрее тот, у которого меньше емкость; время же зарядки их одинаково.
Эффект Бенхема возникает при чередовании яркого белого поля, серого и чёрного с частотой около 10 раз в секунду (эта частота намного ниже частоты смены кадров в кино - 48 раз в секунду, при которой изображения отдельных кадров сливаются в одно). За время наблюдения белого поля рецепторы возбуждаются, происходит их световая адаптация, при наблюдении чёрного поля - темновая адаптация. Предположим, что происходит чередование светлого и темного полей. Если длительность светлого поля достаточна для значительной деполяризации палочки и частичной деполяризации зелёночувствительной области колбочки, но недостаточна для значительной деполяризации красночувствительной, при замене светлого поля на темное на его фоне возникает последовательный цветовой образ, в котором сохранится знак разбаланса колбочки и системы колбочка - палочка, т. е. образ голубого оттенка. Если длительность темного поля будет достаточной для восстановления начальных условий палочки, но недостаточной для восстановления начальных условий красночувствительной области колбочки, в первый момент после смены темного поля светлым появится последовательный образ, определяемый красночувствительной областью колбочки с инверсией знака, т. е. голубого тона.
При таких условиях чередования темных и светлых полей будет сохраняться средний цветовой сигнал, соответствующий голубым тонам. При изменении соотношения белый - чёрный можно подобрать условия, при которых влияние палочки уменьшится, и начнут преобладать красноватые тона. В этом можно убедиться, если посмотреть на яркую раскаленную белую нить лампочки накаливания, затем плотно закрыть глаза: последовательный образ будет красноватого цвета.
Эффект можно значительно усилить, если на нужное время включить рецептор на зарядку или разрядку. Это можно сделать просто, если в соответствующее время «включать» на нужный срок серое поле, которое - затормаживает переходные процессы. Перемещая серое поле вдоль белого, можно, не меняя частоты чередования, изменять ощущаемый оттенок. Чередование полей можно осуществлять с помощью вращающегося диска, носящего название диска Бенхема.[1]
Объяснения эффекта Фехнера-Бенхема с позиции трёхкомпонентной гипотезы цветного зрения[править | править код]
Одной из возможных причин (с точки зрения трёхкомпонентная гипотезы цветного зрения), по которой люди видят цвета на вращающемся диске Бенхема называют например то, что рецепторы человеческого глаза - колбочки (красная, зелёная и синяя), по разному реагируют на смену раздражителя (наличие света / отсутствие света). При этом у каждого типа колбочек своя "инерционность". Так же в частности, различаются задержки центрального и периферийного механизмов различных типов клеток ганглиозного слоя. Это явление предположительно происходит из-за специфики нейронной активности в сетчатке и пространственных взаимодействий в первичной коре мозга в которой обрабатывается информация распознавания образов[2].
Литература[править | править код]
- ↑ С. Ременко Цвет и зрение. — Кишинёв: Картя Молдавеняска, 1982. — С. 35-37. — 160 с. с.о книге
- ↑ von Campenhausen C, Schramme J (1995). "100 years of Benham's top in colour science". Perception 24 (6): 695–717. DOI:10.1068/p240695. PMID 7478909.