SỰ NHÌN, cảm GIÁC về màu sắc và các màu cơ bản

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 h

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

Trang

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 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 1 Cấu tạo của mắt người

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 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

Hình 3 Bệnh đục nhãn mắt

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 dương-xanh 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 ra cảm giác màu vàng, mặc

dù kết quả cuối cùng 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

Hình 6 Phổ hấp thụ của các sắc tố thị

giác của con người

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

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

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

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

Hình 7

Phép kiểm tra

sự mù màu Ishihara

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 đặt 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