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【光学课堂】色彩和光的知识02-让我们来更详细一些地研究颜色

2019-11-04 20:37

色彩和光的知识02

在全黑条件下，我们看不到颜色。如果我们闭上眼睛，我们就看不到物体的颜色。如果没有物体，颜色也就不存在。光、视觉和物体，三者缺其一，我们就看不到颜色。但是我们如何来区别颜色，区别苹果的红色和柠檬的黄色呢？

•日光穿过空气的水滴，犹如穿过三棱镜一样，形成了虹。

这种颜色分布称为光谱；把光线分离成谱称为光谱色散。
人眼之所以能看到色谱，是因为这些特定的波长刺激了人眼中的视网膜。按照光的不同波长^*1，色谱的顺序安排为红、橙、黄、绿、蓝、靛蓝、紫；在波长较长的区域内的光线看起来就是红色的，波长较短的区域内的光线看起来就是紫的。人眼可以看到的光区被称为可见光区。
如果我们超出可见光区以外向波长更长的一边移动，则就进入红外线区；如果我们向波长更短的一边移动，则进入紫外线区。这两个区均不能为人眼所见。
光仅仅是穿越宇宙空间的各种电磁波的一部分。电磁波频谱的范围极宽，波长从几千公里的电波和无线电波直到波长为10^-13m或更短的伽马（γ）射线。可见光区仅仅是电磁波频谱中极小的一部分：波长为380到780nm^*2。由物体反射的光-在我们看来就是颜色-实际上就是在可见光区域内各种波长的光的混合（人工合成的单色光例外）。

*1 波长：光具有波的性质；波长是两个相邻的波的峰到峰之间的距离。

*2 nm（毫微米）：一种常用的量度光的波长的单位，有时也用mm（微米）。

1nm=10^-6 mm=10^-3μm
1μm=10^-3mm=1000nm

人眼可以看到在可见范围内的光；但是，“光”和“颜色”并不是一回事。光的定义为：“刺激眼睛视网膜的辐射线，并使眼睛产生视觉”。对眼睛的刺激传送到脑，在脑子里首先产生“颜色”这一概念，作为脑对接收来自眼睛的信息的反映。在图16中可以看到人感觉颜色的原理以及色彩色差计感受颜色的原理，两者基本上是类似的。在第I部分中讨论过的色彩色差计所应用的方法称之为三色刺激法；用这种方法设计出来的色彩色差计，以与人眼如何感觉光相等同的方法来测量光。
另外一种将在本节里解释的测色方法称之为分光光度分析法，使用这种方法的测色仪器用来测量光的光谱特性，然后根据CIE标准观察者函数的方程式来计算三刺激值。利用光谱光度分析法的仪器除了以各种色空间显示数字数据之外还可以直接显示光谱数据，提供有关该物体颜色的更为详细的信息。

• 照片及所述细节为柯尼卡美能达分光测色计CM-2600d

分光测色计除了显示颜色数据外，还可以显示颜色的光谱反射比曲线。颜色是各种波长的光以适当的比例混合而成的。光谱光度计测量物体以各种波长或各种波长范围所反射的光，然后以曲线图的形式显示出来，提供更为详细的有关该颜色性质。


		一物体把来自光源的光吸收掉一部分，并反射出其余的光。这部分反射光进入人眼，由此而产生的对视网膜的刺激由脑辨认为物体的颜色。每个物体以不等的量吸收和反射光谱不同区段的光；这种吸收比和反射比的差别就使不同的物体有了不同的颜色。

如果我们测量一个苹果，我们得到如图17a所示的光谱曲线图。在曲线图上我们可以看到在红色波长区内反射比（反射光的量）高，但在其他波长区反射比（反射光的量）低。图17b表示苹果反射橙色和红色波长区的光，同时吸收绿、蓝、靛蓝、紫色波长区的光。因此，用分光测色计进行测量，并把结果显示在光谱曲线图上，我们就能看到苹果颜色的性质。
分光测色计的每一个复合式敏感器（在柯尼卡美能达分光测色计CM-2600d内有40个）在可见光波长范围内严格规定的波长区内测量光。由于这一点，分光测色计可以测量人眼注意不到的色素之间的差别。

如果我们测量一个柠檬，我们可以得到如图18a所示的光谱曲线图。在该图上我们可以看到，在红色和黄色波长区内反射比（反射光的量）高，但在靛蓝和紫色波长区内反射比（反射光的量）低。图18b表示柠檬反射绿，黄和红色波长区的光，同时吸收靛蓝和紫色波长区的光。这就是柠檬颜色的性质。如此高的准确性，人眼或甚至在第I部分中讨论过的色彩色差计是不可能达到的；而只有分光测色计才能达到。

当我们用在第I部分中所说的三刺激色彩色差计（第I部分10页)来测量物体时，我们只能得到以各种色空间表示的数字式颜色数据。如果我们用分光测色计来测量，我们不仅可以得到同一种类的数字数据，还可以看到这种颜色的光谱反射比曲线。还有，由于分光测色计有高精度的敏感器，且包括种种照明条件数据，它可以提供比用三刺激色彩色差计获得的更高的精确性。
我们测量了一块粉红色的瓷砖。从光谱反射比曲线我们可以看到该瓷砖反射各种波长的光，以及在600nm（橙色和红色区）以上波长区内的光谱反射比要比其他波长区的稍高一点。	这是鲜蓝色。在400到500nm（靛蓝和蓝色区）波长区之内的光谱反射比是高的，而波长长于550nm以上时，光谱反射比是低的，在该区内几乎所有光线均被吸收。	我们测量一块紫红色的塑料部件，在400nm和700nm左右波长区内光谱反射率高，而从500到600nm波长区内光谱反射率低，而且我们可以看到这一波长区的光已被吸收。

我们测量了蓝色的商标。它的光谱反射比几乎与B的光谱反射比相同。但如果我们仔细查看，我们可以注意到在波长长于600nm时光谱反射比更低。所以这是稍暗一点的蓝色。	我们测量了布匹的粉红色区域。整个波长范围的光谱反射比是高的，特别是在600nm左右。另外，在500nm左右的光谱反射比较低，说明绿光和黄光被吸收。	这是鲜红色油漆。只有600到700nm（红色和橙色区）波长区的反射比为高，大多数波长低于600nm的光被吸收。