技術文章

可見光的波長范圍

可見光的光譜

顏色

波長

頻率

紅色

625780納米

480405兆赫

橙色

590625納米

510480兆赫

黃色

565570納米

530510兆赫

綠色

500565納米

600530兆赫

青色

485500納米

620600兆赫

藍色

440485納米

680620兆赫

紫色

380440納米

790680兆赫


電磁波的波長和強度可以有很大的區別,在人可以感受的波長范圍內(約380納米至780納米),它被稱為可見光,有時也被簡稱為光。假如我們將一個光源各個波長的強度列在一起,我們就可以獲得這個光源的光譜。一個物體的光譜決定這個物體的光學特性,包括它的顏色。不同的光譜可以被人接收為同一個顏色。雖然我們可以將一個顏色定義為所有這些光譜的總和,但是不同的動物所看到的顏色是不同的,不同的人所感受到的顏色也是不同的,因此這個定義是相當主觀的。

一個彌散地反射所有波長的光的表面是白色的,而一個吸收所有波長的光的表面是黑色的。

一個虹所表現的每個顏色只包含一個波長的光。我們稱這樣的顏色為單色的。虹的光譜實際上是連續的,但一般人們將它分為七種顏色:紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,但每個人的分法總是稍稍不同的。單色光的強度也會影響人對一個波長的光的顏色的感受,比如暗的橙黃被感受為褐色,而暗的黃綠被感受為橄欖綠,等等。

也有許多顏色是不可能是單色的,因為沒有這樣的單色的顏色。黑色、灰色和白色比如就是這樣的顏色,粉紅色或絳紫色也是這樣的顏色。

波動方程是用來描寫光的方程,因此通過解波動方程我們應該可以得到顏色的信息。在真空中光的波動方程如下:

utt = c2(uxx + uyy + uzz)

c在這里是光速,x、y和z是空間的坐標,t是時間的坐標,u(x,y,z)是描寫光的函數,下標表示取偏導數。在空間固定的一點(x、y、z固定),u就成為時間的一個函數了。通過傅里葉變換我們可以獲得每個波長的振幅。由此我們可以得到這個光在每個波長的強度。這樣一來我們就可以從波動方程獲得一個光譜。

但實際上要描寫一組光譜到底會產生什么顏色,我們還的理解視網膜的生理功能才行。

亞里士多德就已經討論過光和顏色之間的關系,但真正闡明兩者關系的是艾薩克·牛頓。約翰·沃爾夫岡·歌德也曾經研究過顏色的成因。托馬斯·楊1801年第一次提出三元色的理論,后來赫爾曼·馮·亥姆霍茲將它完善了。1960年代人們發現了人眼內部感受顏色的色素,從而確定了這個理論的正確性。

人眼中的錐狀細胞和棒狀細胞都能感受顏色,一般人眼中有三種不同的錐狀細胞:第一種主要感受紅色,它的最敏感點在565納米左右;第二種主要感受綠色,它的最敏感點在535納米左右;第三種主要感受藍色,其最敏感點在445納米左右。桿狀細胞只有一種,它的最敏感的顏色波長在藍色和綠色之間。

每種錐狀細胞的敏感曲線大致是鐘形的。因此進入眼睛的光一般相應這三種錐狀細胞和桿狀細胞被分為4個不同強度的信號。

因為每種細胞也對其他的波長有反映,因此并非所有的光譜都能被區分。比如綠光不僅可以被綠錐狀細胞接受,其他錐狀細胞也可以產生一定強度的信號,所有這些信號的組合就是人眼能夠區分的顏色的總和。

如我們的眼睛長時間看一種顏色的話,我們把目光轉開就會在別的地方看到這種顏色的補色。這被稱作顏色的互補原理,簡單說來,當某個細胞受到某種顏色的光刺激時,它同時會釋放出兩種信號:刺激黃色,并同時擬制黃色的補色紫色。

事實上,某個場景的光在視網膜上細胞產生的信號并不是完全被百分之百等于人對這個場景的感受。人的大腦會對這些信號處理,并分析比較周圍的信號。例如,一張用綠色濾鏡拍的白宮照片——白宮的形象事實上是綠色的。但是因為人大腦對白宮的固有印象,加上周圍環境的綠色色調,人腦的會把綠色的障礙剔除——很多時候依然把白宮感受成白色。這被稱作現象在英文中被稱作“Retinex”——合成了視網膜(retina)和大腦皮層(cortex)兩個單詞。梵高就曾使用過這個現象作畫。

人眼一共約能區分一千萬種顏色,不過這只是一個估計,因為每個人眼的構造不同,每個人看到的顏色也少許不同,因此對顏色的區分是相當主觀的。假如一個人的一種或多種錐狀細胞不能正常對入射的光反映,那么這個人能夠區別的顏色就比較少,這樣的人被稱為色弱。有時這也被稱為色盲,但實際上這個稱呼并不正確,因為真正只能區分黑白的人是非常少的。

桿狀細胞。桿狀細胞雖然一般被認為只能分辨黑白,但它們對不同的顏色的靈敏度是略微不同的,因此當光暗下來的時候,桿狀細胞的感光特性就越來越重要了,它可以改變我們對顏色的感覺。

從進化論的角度來說人對基本顏色的感受應該是一致的。

有些動物感受顏色的細胞的種類比人少,比如大多數其它哺乳動物。有些動物可以感受到人看不見的顏色,比如蜜蜂可以感受紫外線。


人的色彩空間

假如我們用歐氏空間中的x、y和z軸相應表示人的三種錐狀細胞最敏感的波長的強度的話,那么我們就可以獲得一個三維的色彩空間。這個空間的原點代表的是黑色。離原點越遠,光的強度就越強。白色在這個空間中沒有固定的點,按照色溫以及周圍光的不同我們可能將這個圖中不同的點看做白色。人可以感受到的顏色在這個圖中是一個底部是馬踢形的錐體。理論上來說這個錐體沒有止點,但過于強烈的光會損壞人的眼睛。在光的強度低的情況下,人對顏色的感受會發生變化,但總的來說,人對右圖中黑線所描繪的部分是敏感的。

精確地說,在這個圖中不存在棕色或灰色這樣的顏色,這些顏色實際上是比周圍顏色暗的橙色和白色。這一點我們很容易證明:我們在看一個投到一塊白布的投影機的圖象時我們會看到白布上投的黑字,但實際上這些黑字的顏色與白布本來還沒有被投影時的顏色是一樣的。投影后這些黑字周圍的白布被照亮了,因此我們感覺到它們比較黑了。

從圖中我們還可以看到,人無法看到純的紅色、綠色或藍色,這是因為我們的錐狀細胞對其他顏色也起反應。在我們看純藍色時,我們的紅色和綠色的錐狀細胞也產生信號,就好象在藍色中還夾雜著紅色和綠色一樣。



CIE 1931 chromaticity diagram

不同的光譜可以在人眼中產生同樣的顏色感,比如日光燈的白光是由幾個相當窄的光譜線構成的,而太陽光則是由連續的光譜構成的。就其光而言,人眼無法區分兩者。只有當它們反射在不同顏色的物體上時,我們才看得出來一個是日光燈的光,一個是太陽光。

在大多數情況下人能看得出的顏色可以由元色搭配而成。照片、印刷、電視等就使用這種方式來體現顏色的。

盡管如此搭配出來的顏色往往與純的單色不完全相同,尤其在可見光譜的中部搭配的顏色只能非常地接近單色光,但無法完全達到它的效果。比如綠光(530納米)和藍光(460納米)搭配在一起可以產生青光。但這個青光總使人有不十分純的感覺。這是因為人的紅色錐狀細胞同時也可以感受到綠色和藍色,它們對搭配的顏色的反映比對純的青色(485納米)的反映要強一些,因此我們會感到搭配的顏色有點“紅”,有點不純。

此外一般在技術上使用的元色本身也都不純,因此一般來說它們無法完全地表現純的單色光。不過自然界中很少有真正的純的單色光,因此一般來說由元色組成的顏色可以很好地反映原來的顏色。一個技術系統能夠產生的顏色的總和被稱為色域。

在通過照相機或掃描儀錄取顏色的時候也會產生誤差。一般這些儀器中的感光元件的感光特性與人眼的感光特性相差甚遠。因此在特別的光照下這些儀器所產生的顏色可能會與人眼所感受到的相差很大。

與人眼的顏色感受不同的動物(比如鳥可以感受四種不同的顏色)可以區分對人來說相同的顏色,因此對它們來說適合人看的圖象有時會非常不可理解。



RGB色彩立方體

發光的媒體(比如電視機)使用紅、綠和藍加色的三元色,每種光盡可能只刺激針對它們的錐狀細胞而不刺激其它的錐狀細胞。這個系統的色域占人可以感受到的色彩空間的大部分,因此電視機和計算機熒光屏使用這個系統。

理論上我們也可以使用其他顏色作為元色,但使用紅、綠和藍我們可以最大地達到人的色彩空間。遺憾的是對于紅、綠和藍色沒有固定的波長的定義,因此不同的技術儀器可能使用不同的波長從而在熒光屏上產生稍微不同的顏色。



CMYK色彩立方體

將青色、洋紅色和黃色透明的色素涂在白色的底上我們可以獲得更大的色域。這三種顏色是減色的三元色。有時我們還加入黑色來產生比較暗的顏色。

衍射,一定顏色的光會被向一定的角度反射。這個物體的表面就會產生特別的彩虹般的閃光。孔雀的羽毛、許多蝴蝶的翅膀、貝母等就會產生這樣的結構顏色。最近一些汽車制造商也使用特別的漆來達到這樣的熒光效果。


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