颜色的科学

作者: 严浩

来源: 博士科普

发布日期: 2019-03-15 15:35:24

本文从科学角度探讨了颜色的产生原理,包括光谱成分、视锥细胞的作用、复合光的形成以及动物的视觉差异。文章还讨论了白色光源的色温、紫外视觉的缺失原因以及科技发展对颜色定义的影响。

是时候给你点颜色看看了:带你揭秘颜色的科学

在那遥远的童年,当你拿起画笔尽情创作的时候,你有没有想过这个世界为什么有这么多绚丽的色彩呢?下面我们就从科学的角度来聊一聊这些身边的颜色。

颜色是光被眼睛接收后产生的感觉。你应该听说过:光是一种电磁波。对我们人类产生视觉反应的电磁波的波长在400nm(纳米)至700 nm之间。我们之所以会产生千差万别的颜色感觉,是因为这个区间中,每一种波长的光所含能量不同(也就是光谱成分不同)。人类对于颜色的感知是大脑将眼睛接收到的光线经过处理产生的一种感觉,然后将这种感觉归类成红、橙、黄、军绿、深空灰、土豪金等等颜色。

人眼中一般有S、M、L三种视锥细胞,它们分别负责感受可见光中的短、中、长波段的光。如果进入人眼的是波长较长的650 nm的光,那么大脑接收到的视觉信号主要来自L型视锥细胞,就会产生红色的色觉;对于波长为590 nm的光来说,L、M型视锥细胞都会产生信号,使我们产生黄色的色觉。

以上只是针对只含有一种光谱成分的单色光进行的讨论,如果光谱中存在一种以上的光谱成分,就被称作复合光。通常的彩色屏幕只有红、绿、蓝三种颜色的像素。当红色与绿色同时开启且亮度相等时,我们就感觉到了黄色。这种黄色复合光给人的感觉与590 nm的单色光相差无几。红绿蓝这三种颜色两两开启,还能得到品红与青色;当三种颜色同时开启,我们就看到了白色。当然,这三种颜色以不同的亮度组合起来,就有上百万种颜色。

太阳光是白色的,它由红橙黄绿蓝靛紫的颜色复合而成的,但是这些颜色是怎样的混合比例呢?图六展示了太阳的从红外到紫外区域的光谱。图中的外包络线是太阳的发射光谱。然而,经过了大气层的吸收与散射,我们在地面得到的是图中内层的光谱,这个光谱中能量最高的地方正好在绿色的区域。

除了可见光以外,太阳光谱在近红外和紫外波段也有客观的能量。在我们身边,有很多白色的物体,但是如果你把它们放在一起对比,肯定会发现有的发蓝,有的泛黄。以照明设施来说,电灯泡就是那个泛黄的,而荧光灯显得更白一些。我们对白色还有另一种更具体的描述——色温,即高温黑体辐射光的颜色。

从今以后,如果有人跟你提到白色,你也许要问:你说的白是什么白?不仅如此,我们眼前的黑也不一定是真正的漆黑一片。你一定见过红外监控摄像机吗?它是很多地区的重要安保设备。这种摄像机偷偷地发射红外线进行照明,然后通过拍摄红外线进行录像,只是你很难看到红外线罢了。

普通人类为什么拥有这样的视觉呢?通过图六中的太阳光谱可以看出,在对于人类的可见光波段,太阳光的强度最强。这样一来,在这个波段产生视觉是最有效的。而色觉则依赖于视锥细胞的种类。很多种类的动物拥有四种视锥细胞,具有四色视觉,它们可以感受到更丰富的色彩,这些动物包括绝大多数的爬行类、鸟类以及昆虫类动物。

那为什么我们人类没有紫外视觉呢?首先要指出的是,对人眼增加紫外视觉要以牺牲视力为代价。光线进入人眼的过程中,要经过角膜、晶状体、玻璃体这些透明的物质,最后到达视网膜被感光细胞接收。对于紫外线,这些物质就不那么透明了。特别是玻璃体,由于它的厚度最大,对紫外线的吸收也最多,而到达视网膜的紫外线太弱,不能引起视觉反应。

我们眼中之所以有这么丰富的颜色,是千变万化的光谱与多种多样的物体质地的组合。随着科技的发展,光也许会以更奇妙的形式被人们操纵,到那时候也许会有新的颜色被定义。

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