颜色研究

光电显示工程技术中心

    颜色是一种奇异的现象，并不真实存在于自然界中，而只存在人的大脑中。颜色的三要素：光、物体和观察者，缺一不可。
    光由亿万个电磁波组成，每一个波段有不同的大小，以波长来表示。可见辐射是一种能量的形式，它是由包含无线电波和X射线以及紫外线和红外线这个家族中的一份子。我们肉眼能见得辐射称为可见光。肉眼的相对不灵敏度使光谱的可见光部分限制在一个非常窄的谱带里，大约380-780nm之间。其中蓝光光辐射的波长大约小于480nm；绿光大致在480-560nm之间；黄光在560-590nm之间；橙光在590-630nm之间；红光的波长大于630nm。由光谱两端的红光与蓝光混合产生的紫光，是一种普通的色光，但在光谱中没有。我们认为是光源的很多物体——太阳、灯泡灯丝的热金属、日光灯等都发白光或接近白光的光。在很多年前，牛顿用棱镜将光分解成了光谱，这表明白光通常由所有可见光组成。任何光源发出的光都可用在每个波长发射的相对功率来表示。光源辐射的功率是波长的函数，用功率对波长作图得到光源的光谱功率分布曲线。

太阳光光谱功率分布图

    可见光照射到某一特定结构的物体表面，会发生一种或几种对入射光的作用，从而对颜色产生影响。主要发生光吸收、光散射、光反射、光透射及荧光现象。
    物体受到光的照射后，能够吸收全部或部分入射的光能量，物体分子的外层电子被激发到较高的能态，最终以发热的形式再释放出去。而从宏观上看，入射光在特定波长范围内被物体吸收，从而改变了入射光的相对光谱功率分布。如果没有光散射现象发生，那么该物体看上去是有色透明体或成黑色。许多物体如染料、颜料对于光的吸收是具有波长选择性的，这取决于物质分子结构。
    当光从周围介质照射到介质中的另一种物质的微小粒子时，如果粒子物质的折射率和周围介质有很大的差异，那么就会产生散射现象。这是由于当光从周围介质照射到另一种物质的微小粒子晶体内部，在介质和粒子的界面上由于折射率的差异而产生折射现象，即光的传播方向发生改变，如果光在粒子内部没有被吸收，当光从粒子内部出来时又产生一次折射，出来的光进入介质又射向另外的粒子。通过许多微小粒子对光的反复作用，使得一束入射光的传播方向变得杂乱无章，最终变成均匀的散射光。当光发生足够多的散射时，我们就说光从物体表面发生了漫反射。如果穿过物体的光只有部分发生散射或部分发生透射，该物体就是透明的；如果散射非常强烈，没有光穿过物体，那么该物体是不透明的。物体的颜色由发生的光散射和光吸收量及类型决定：如果没有吸收，在每一波长散射相同量的光，这时物体看起来是白色的；否则就是彩色的。
    在一特定光源照明和观察条件下，一个不透明物体的光反射性质是决定该物体的颜色的决定性因素。一般日常见到的表面无光的不透明物质或物体均非理想的无光表面，因此，一小部分入射光在物体表面就被或多或少地镜面反射，这决定了该物体表面光泽度的大小，但与物体的颜色无关。绝大部分的入射光穿过表面进入物体表层内部，光在表层内部受到物质对光的波长选择性吸收和光散射作用，被物质吸收后剩余的光最后以近乎无方向的状态重新从物体表面射出。这部分物体内部出来的散射光是物体的光反射中与颜色有关的部分。从颜色的角度来讲，物体对光的影响可用它的光谱透射率或反射率曲线（分别用于透明或不透明材料，而半透明物体二者都需要）来描述。这些曲线表示出光在每个波长从物体表面反射的反射光的因数，或透过材料的透射光的因数。
    当物体对入射光有光谱吸收作用而无光散射作用时，此物体看上去是有色透明物体，在颜色测量中，光透射用光谱透射比度量。
    当光束照射入一种物质，如果没有吸收和散射，全部透过，那么这种物质看上去是无色透明的；如果没有吸收，一部分光被散射，一部分光被透过，那么这种物质看上去是白色半透明的；如果全部被散射，没有吸收透过，这种物质看上去是白色不透明的；如果部分吸收（不同波长的光吸收程度不同），部分透过，没有散射，这种物质看上去是透明有色物质；而部分吸收，部分散射，无透过，则为有色不透明体；如果透过、吸收、散射作用全存在，则看上去是有色的半透明体。而镜面反射光的多少则决定了物体的光泽度。
    色调、明度、饱和度是颜色的三属性，也称彩色三要素。
    色调（H）又称色相（Hue）：即通常所说的红、橙、黄、绿等。光源的色调取决于辐射的光谱组成对人眼所产生的色知觉；物体的色调取决于照明光源的光谱组成和物体的光谱反射率（或透射率）对人的颜色视觉所产生的综合效果。
    明度（V）又称色值（Lightness value）：表示有多少光从物体进入我们的眼睛。物体的光反射率越高，它的明度就越高。白色物体的明度最高，而黄色物体比蓝色物体通常具有更高的明度，同时还要取决物体颜色的深浅。
    饱和度（C）又称色度（saturation chroma）：通常所说的颜色的艳度。可见光谱的单色光是饱和度最高的颜色，光谱色渗入白光的成分越多，就越不饱和。物体的饱和度取决于该物体的反射光谱辐射的选择性程度，物体颜色中的灰色成分越大，则饱和度越小。中性灰、黑色、白色饱和度为0。从直观上看，具有陡峭的光谱反射曲线的颜色饱和度高。饱和度取决于颜色表面对光的反射程度，若对某一很窄波段的光有很高的反射率，而对其余波长的光反射率很低，则说明其反射选择程度很高，颜色的饱和度很高。
    将色调、亮度和色饱和度三属性放在一起，可以组成一个三维立体。色调形成该立体的外缘，亮度作为中央主轴，而色饱和度作为水平横轴。由于色饱和度各阶梯的大小对每一种色调和亮度来说都是不等的，因此色立体的形状复杂，但却能把色调、亮度、饱和度的关系以直观的方式表达得清清楚楚。

    光线进入我们的眼睛，在眼球后部成像，在那里光线感受器吸收一部分入射光，产生一个信号，最后由大脑对这个信号进行翻译。视网膜上像的形成在很多方面与照相机成像过程相似。视网膜上像的质量取决于角膜和眼睛对光的吸收、散射和聚焦性能以及充满眼球的液体（房水和玻璃状液体）。这些光学元件影响光感受器的光学及空间性能。
    眼睛的光线感受器有两类：杆体细胞和椎体细胞。杆体细胞能探测到非常微弱的光，如星光。一个光子能产生一个信号。因为只有一种颜料类型，因此我们能看到的物体只能是灰色的阴影。随着光亮的增加，杆体细胞不感光，结果停止将信号发射到大脑。在白天或光照良好的屋子里，杆体细胞信号是不起作用的。
    椎体细胞对入射光线的灵敏度比干体细胞低。随着光量的增加，椎体细胞开始发射神经信号。椎体细胞是我们的彩色感受器。当早上太阳开始升起时，灰色的世界变得五彩斑斓。我们对颜色的感知就是因为我们有三类椎体细胞对不同波长的光产生感应的结果。导致产生不同颜色的刺激具有不同的椎体信号。
    在人的视觉系统中有三个视锥结构，峰值灵敏度靠近蓝色-紫色中的440纳米，在绿色中靠近540纳米以及在橙色中靠近610纳米。这些结构在视觉中宽松地称为“蓝”、“绿”和“红”处理。因为它们大致被认为是分别受蓝光、绿光和红光影响。
    每只眼睛有大约6到7百万绿视锥加红视锥，以及小于1百万的蓝视锥。绿视锥和红视锥有助于看见发现细节和反差而蓝视锥则不行。蓝视锥被认为是主要提供区分黄色和日光的方法来显示物体；蓝视锥结构由蓝光和日光激励，且由黄光抑制。
    当中部光谱（淡黄）图像明显地聚焦在视网膜上时，浅蓝色的波长没有聚焦。低视觉灵敏度与蓝视锥结构相关，高视觉灵敏度与绿视锥加红视锥结构有关。术语“淡黄图案”不一定指日光中的任一黄色含量，因为绿加红就产生了黄色的感觉。
    视锥将它们的信号供给视网膜中和视网膜外的各种细胞。强有力的视锥对向肌细胞是那些由日光中的一种颜色激励且由另一种颜色抑制的细胞。“红-绿对比度检测器”有助于颜色和颜色对比，还有助于景色的单元之间的差别的检测。它们提供有关细微空间细节的信息。强有力的视锥对向肌（与绿视锥和红视锥有关）由绿光或者红光关闭或者开启，但对于黄光无反应。红-绿对比度检测器由黄光完全抑制。