光?色?

从伦敦大瘟疫谈起

公元1665年,康熙皇帝才刚刚登基4年、并未亲政。而此时的欧洲,在英国首都却爆发了一次大规模传染病,史称“伦敦大瘟疫”。超过10万人在这次瘟疫中丧生,占到了当时伦敦总人数的五分之一。后来证实,这次瘟疫是欧洲黑死病的延续。

1665年4月12日首个病例被发现,1666年9月左右疫情才逐渐消散,这次疫情持续了18个月。1年半的“疫情期间”能干些什么呢?有的人学得一身厨艺,有的人又进一步研究了“能质转化效率”;而有的人,却利用这段时间决定物理科学的发展方向

1665年的牛顿同学也是一位面临毕业的应届大学毕业生。可是,因为疫情,剑桥停课,他被迫停课回家、足不出户、开启了田园农耕生活(艾萨克·牛顿,1643.1.4-1727.3.31)。

在老家伍尔索普村的庄园里帮工的牛顿,“不幸”被苹果砸了,于是万有引力定律被发现了;“为了避免再次受伤”,牛顿开始验算无穷级数,又不小心打开了令万千学子“头疼”的数学计算工具——微积分的大门;突然间,他想探究探究阳光到底是由什么组成的,所以又意外地揭示了光色的秘密,为光谱分析打下了基础。

在这一年半的“黑暗时光”里,无所事事的牛顿同学几乎同时发现了二项式定理、无穷级数展开、微积分、无穷小概念,又顺手打开了经典力学和光学世界的大门。

光的本质

在研究光的本质时,牛顿发现:阳光不是一种单一颜色的光,而是一种合成光。透过三棱镜后,阳光被分成了“红橙黄绿青蓝紫”七种颜色的光,这就是著名的色散现象。

但是呢,也不能绝对的说阳光中的可见光部分就只是由七种颜色混合组成的,因为自然中的阳光是一个准连续的光谱(因为存在“黑线”,所以是否是连续谱存在争议)。

牛顿在后续工作中发现,红、绿、蓝三种颜色的光混合之后,就能形成各种颜色的光,然而却没有办法采用其他颜色的光合成这三种颜色的光。这三种颜色的光就是大名鼎鼎的色光三原色。

在上个世纪初,英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young,1773-1829 )提出了三原色理论。后来,德国科学家亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz,1821~1894)在测定了神经脉冲速度之后,又重新提出了三原色理论,形成了杨-亥姆霍兹的三原色理论。

他们研究推断:人的眼睛具有三种类型的颜色感受器, 分别能对红、绿、 蓝三种色光产生基本感觉, 其他颜色都是这三种颜色混合得到的, 三种色光混合在一起能够获得白光 。这时,他们的论断仅仅是一种推测,随着生物医学的进一步发展,科学家发现,人类能够区分色光是“本能”使然。眼睛中感受颜色的细胞叫视锥细胞。人类有三种视锥细胞,分别对某种特点波长的光比较敏感。而这三种波长的光就分别对应蓝、绿、红三种颜色的色光。当入射光线刺激到眼睛中的视锥细胞,神经中枢才本能的产生了介于混合原色光之间的色光,从而感知到外部世界的缤纷多彩。

复杂的三原色

当理科生表明三原色是红、绿、蓝三种颜色时,隔壁的美术生坐不住了,毕竟他们一直用的三原色都是红、黄、蓝,这就是色彩三原色。

色彩三原色是艺术家Jacob Christoph Le Blon(1667-1741)受牛顿老爷子启发而开发出来的。现在,绘画、印刷等所用的颜料三原色则变成了:品红、青、黄。

我们知道了不同原色经过混合后会形成另外的一种颜色,但为什么色光的三原色和色彩的三原色会存在不同呢?这是因为两种三原色形成复合光/颜色时所遵循的机理不同。

色光是对光源,即主动发光物体的描述。色光三原色所遵循的是光的加法规则。当两种以上的光混合在一起,光亮度会提高,混合色的光的总亮度等于相混各色光亮度之和。

在颜色匹配实验中,当色光三原色光的相对亮度比例为1.0000:4.5907:0.0601时就能匹配出等能白光,所以CIE将这一亮度比例定为红、绿、蓝三原色的单位量1。在色光加色法中,红、绿、蓝三原色光按这个比例混合的结果就是白光。

而色彩三原色(颜料三原色),是对吸收和反射光线物体的描述。色彩三原色的叠加遵循的是光的减法规则。区别于光的加法规则,减法三原色是用于颜色减色法混合的基本色刺激。光经颜色滤光片或其他光吸收介质的组合而产生不同于原来的颜色。

举个例子,我们能看到红色的花、绿色的叶子,这是因为红色的花将自然光中除了红色之外的光全吸收了,将红光反射进了我们的眼睛;而绿叶将除绿色之外的光都吸收了,而将绿光反射进行我们的眼睛。

如果物体是白色的,它就会把多种颜色反射回来,我们也就看到了所有的反射光混合之后的白色;而如果一种物体能吸收所有颜色的光,它所呈现的颜色就是黑色了。

所以,理想情况下,将颜料三原色的颜料按照特定比例混合后,混合的颜料正好能够将人眼最为敏感的三种色光所吸收,因此我们看到的颜色也就变成了黑色。

RGB值是啥?

共同了解了不同类型三原色的作用机理之后,我们再来看一下什么是“RGB值”。显而易见,RGB中的三个字母分别对应的是红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三个英文单词的首字母,而RGB值的大小则代表这种光的强度大小,其取值范围在0-255之间。

在工业界,尤其是屏幕显示领域,RGB是从颜色发光的原理来设计定的,通俗点说它的颜色混合方式就好像有红、绿、蓝三盏灯,当它们的光相互叠合的时候,色彩相混,而亮度却等于三者亮度之总和,越混合亮度越高,即加法混合。

在这里大家要注意啦,虽然色光三原色和颜料三原色中都有红,但这两种红可是有很大区别的。

我们目前所使用的色光三原色的RGB值分别为红(255,0,0)、绿(0,255,0)和蓝(0,0,255)。而颜料三原色则为青(0,255,255)、品红(255,0,255)和黄(255,255,0)。从数值上可以看到,颜料三原色正好是色光三原色的补色。

最后,我们也应该明确一点就是:RGB三原色也不能表示所有的颜色。

三原色的应用

色光三原色最典型、也是最广泛的就是在工业界的各种屏显领域。手机、平板、电脑、电视,基本上都是用红、绿、蓝三种颜色的发光点组成了各种各样缤纷的色彩和图像。下图为显微镜下几种常见的手机屏幕上光点的排列方式,从图中,我们可以清晰的分辨出红、绿、蓝三种颜色。

颜料三原色的作用就是为我们提供各种美丽的色彩啦。不仅在绘画领域有重要的应用,我们日常生活中常见到的各种各样的彩色纸张、美丽的衣服、绚丽的鞋子,包括你打印出的美美的照片,都离不开研究色料三原色所得到的结果。

现在,你是不是对颜色有了更深的认识了呢?如果是的,就把本文分享给你的亲朋好友吧

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