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可見光的光譜

電磁波的波長(zhǎng)和強(qiáng)度可以有很大的區(qū)別，在人可以感受的波長(zhǎng)范圍內(nèi)（約380納米至780納米），它被稱為可見光，有時(shí)也被簡(jiǎn)稱為光。假如我們將一個(gè)光源各個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度列在一起，我們就可以獲得這個(gè)光源的光譜。一個(gè)物體的光譜決定這個(gè)物體的光學(xué)特性，包括它的顏色。不同的光譜可以被人接收為同一個(gè)顏色。雖然我們可以將一個(gè)顏色定義為所有這些光譜的總和，但是不同的動(dòng)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(gè)定義是相當(dāng)主觀的。

一個(gè)彌散地反射所有波長(zhǎng)的光的表面是白色的，而一個(gè)吸收所有波長(zhǎng)的光的表面是黑色的。

一個(gè)虹所表現(xiàn)的每個(gè)顏色只包含一個(gè)波長(zhǎng)的光。我們稱這樣的顏色為單色的。虹的光譜實(shí)際上是連續(xù)的，但一般人們將它分為七種顏色：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，但每個(gè)人的分法總是稍稍不同的。單色光的強(qiáng)度也會(huì)影響人對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)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?yàn)闆]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(dòng)方程是用來描寫光的方程，因此通過解波動(dòng)方程我們應(yīng)該可以得到顏色的信息。在真空中光的波動(dòng)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(biāo)，t是時(shí)間的坐標(biāo)，u(x,y,z)是描寫光的函數(shù)，下標(biāo)表示取偏導(dǎo)數(shù)。在空間固定的一點(diǎn)（x、y、z固定），u就成為時(shí)間的一個(gè)函數(shù)了。通過傅里葉變換我們可以獲得每個(gè)波長(zhǎng)的振幅。由此我們可以得到這個(gè)光在每個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度。這樣一來我們就可以從波動(dòng)方程獲得一個(gè)光譜。

但實(shí)際上要描寫一組光譜到底會(huì)產(chǎn)生什么顏色，我們還的理解視網(wǎng)膜的生理功能才行。

亞里士多德就已經(jīng)討論過光和顏色之間的關(guān)系，但真正闡明兩者關(guān)系的是艾薩克·牛頓。約翰·沃爾夫?qū)じ璧乱苍?jīng)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(fā)現(xiàn)了人眼內(nèi)部感受顏色的色素，從而確定了這個(gè)理論的正確性。

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

每種錐狀細(xì)胞的敏感曲線大致是鐘形的。因此進(jìn)入眼睛的光一般相應(yīng)這三種錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞被分為4個(gè)不同強(qiáng)度的信號(hào)。

因?yàn)槊糠N細(xì)胞也對(duì)其他的波長(zhǎng)有反映，因此并非所有的光譜都能被區(qū)分。比如綠光不僅可以被綠錐狀細(xì)胞接受，其他錐狀細(xì)胞也可以產(chǎn)生一定強(qiáng)度的信號(hào)，所有這些信號(hào)的組合就是人眼能夠區(qū)分的顏色的總和。

如我們的眼睛長(zhǎng)時(shí)間看一種顏色的話，我們把目光轉(zhuǎn)開就會(huì)在別的地方看到這種顏色的補(bǔ)色。這被稱作顏色的互補(bǔ)原理，簡(jiǎn)單說來，當(dāng)某個(gè)細(xì)胞受到某種顏色的光刺激時(shí)，它同時(shí)會(huì)釋放出兩種信號(hào)：刺激黃色，并同時(shí)擬制黃色的補(bǔ)色紫色。

事實(shí)上，某個(gè)場(chǎng)景的光在視網(wǎng)膜上細(xì)胞產(chǎn)生的信號(hào)并不是完全被百分之百等于人對(duì)這個(gè)場(chǎng)景的感受。人的大腦會(huì)對(duì)這些信號(hào)處理，并分析比較周圍的信號(hào)。例如，一張用綠色濾鏡拍的白宮照片——白宮的形象事實(shí)上是綠色的。但是因?yàn)槿舜竽X對(duì)白宮的固有印象，加上周圍環(huán)境的綠色色調(diào)，人腦的會(huì)把綠色的障礙剔除——很多時(shí)候依然把白宮感受成白色。這被稱作現(xiàn)象在英文中被稱作“Retinex”——合成了視網(wǎng)膜（retina）和大腦皮層（cortex）兩個(gè)單詞。梵高就曾使用過這個(gè)現(xiàn)象作畫。

人眼一共約能區(qū)分一千萬(wàn)種顏色，不過這只是一個(gè)估計(jì)，因?yàn)槊總€(gè)人眼的構(gòu)造不同，每個(gè)人看到的顏色也少許不同，因此對(duì)顏色的區(qū)分是相當(dāng)主觀的。假如一個(gè)人的一種或多種錐狀細(xì)胞不能正常對(duì)入射的光反映，那么這個(gè)人能夠區(qū)別的顏色就比較少，這樣的人被稱為色弱。有時(shí)這也被稱為色盲，但實(shí)際上這個(gè)稱呼并不正確，因?yàn)檎嬲荒軈^(qū)分黑白的人是非常少的。

桿狀細(xì)胞。桿狀細(xì)胞雖然一般被認(rèn)為只能分辨黑白，但它們對(duì)不同的顏色的靈敏度是略微不同的，因此當(dāng)光暗下來的時(shí)候，桿狀細(xì)胞的感光特性就越來越重要了，它可以改變我們對(duì)顏色的感覺。

從進(jìn)化論的角度來說人對(duì)基本顏色的感受應(yīng)該是一致的。

有些動(dòng)物感受顏色的細(xì)胞的種類比人少，比如大多數(shù)其它哺乳動(dòng)物。有些動(dòng)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(yīng)表示人的三種錐狀細(xì)胞最敏感的波長(zhǎng)的強(qiáng)度的話，那么我們就可以獲得一個(gè)三維的色彩空間。這個(gè)空間的原點(diǎn)代表的是黑色。離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，光的強(qiáng)度就越強(qiáng)。白色在這個(gè)空間中沒有固定的點(diǎn)，按照色溫以及周圍光的不同我們可能將這個(gè)圖中不同的點(diǎn)看做白色。人可以感受到的顏色在這個(gè)圖中是一個(gè)底部是馬踢形的錐體。理論上來說這個(gè)錐體沒有止點(diǎn)，但過于強(qiáng)烈的光會(huì)損壞人的眼睛。在光的強(qiáng)度低的情況下，人對(duì)顏色的感受會(huì)發(fā)生變化，但總的來說，人對(duì)右圖中黑線所描繪的部分是敏感的。

精確地說，在這個(gè)圖中不存在棕色或灰色這樣的顏色，這些顏色實(shí)際上是比周圍顏色暗的橙色和白色。這一點(diǎn)我們很容易證明：我們?cè)诳匆粋€(gè)投到一塊白布的投影機(jī)的圖象時(shí)我們會(huì)看到白布上投的黑字，但實(shí)際上這些黑字的顏色與白布本來還沒有被投影時(shí)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(wú)法看到純的紅色、綠色或藍(lán)色，這是因?yàn)槲覀兊腻F狀細(xì)胞對(duì)其他顏色也起反應(yīng)。在我們看純藍(lán)色時(shí)，我們的紅色和綠色的錐狀細(xì)胞也產(chǎn)生信號(hào)，就好象在藍(lán)色中還夾雜著紅色和綠色一樣。

不同的光譜可以在人眼中產(chǎn)生同樣的顏色感，比如日光燈的白光是由幾個(gè)相當(dāng)窄的光譜線構(gòu)成的，而太陽(yáng)光則是由連續(xù)的光譜構(gòu)成的。就其光而言，人眼無(wú)法區(qū)分兩者。只有當(dāng)它們反射在不同顏色的物體上時(shí)，我們才看得出來一個(gè)是日光燈的光，一個(gè)是太陽(yáng)光。

在大多數(shù)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(xiàn)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(wú)法完全達(dá)到它的效果。比如綠光（530納米）和藍(lán)光（460納米）搭配在一起可以產(chǎn)生青光。但這個(gè)青光總使人有不十分純的感覺。這是因?yàn)槿说募t色錐狀細(xì)胞同時(shí)也可以感受到綠色和藍(lán)色，它們對(duì)搭配的顏色的反映比對(duì)純的青色（485納米）的反映要強(qiáng)一些，因此我們會(huì)感到搭配的顏色有點(diǎn)“紅”，有點(diǎn)不純。

此外一般在技術(shù)上使用的元色本身也都不純，因此一般來說它們無(wú)法完全地表現(xiàn)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(gè)技術(shù)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的顏色的總和被稱為色域。

在通過照相機(jī)或掃描儀錄取顏色的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)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(yuǎn)。因此在特別的光照下這些儀器所產(chǎn)生的顏色可能會(huì)與人眼所感受到的相差很大。

與人眼的顏色感受不同的動(dòng)物（比如鳥可以感受四種不同的顏色）可以區(qū)分對(duì)人來說相同的顏色，因此對(duì)它們來說適合人看的圖象有時(shí)會(huì)非常不可理解。

RGB色彩立方體

發(fā)光的媒體（比如電視機(jī)）使用紅、綠和藍(lán)加色的三元色，每種光盡可能只刺激針對(duì)它們的錐狀細(xì)胞而不刺激其它的錐狀細(xì)胞。這個(gè)系統(tǒng)的色域占人可以感受到的色彩空間的大部分，因此電視機(jī)和計(jì)算機(jī)熒光屏使用這個(gè)系統(tǒng)。

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(lán)我們可以最大地達(dá)到人的色彩空間。遺憾的是對(duì)于紅、綠和藍(lán)色沒有固定的波長(zhǎng)的定義，因此不同的技術(shù)儀器可能使用不同的波長(zhǎng)從而在熒光屏上產(chǎn)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(shí)我們還加入黑色來產(chǎn)生比較暗的顏色。

衍射，一定顏色的光會(huì)被向一定的角度反射。這個(gè)物體的表面就會(huì)產(chǎn)生特別的彩虹般的閃光?？兹傅挠鹈⒃S多蝴蝶的翅膀、貝母等就會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)構(gòu)顏色。最近一些汽車制造商也使用特別的漆來達(dá)到這樣的熒光效果。