牛頓色盤

【專家解說(shuō)】：三色素理論和彩顯原理 牛頓在做色光合成實(shí)驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，紅色和綠色可以合成黃色，綠色和藍(lán)色可以合成青色，而紅色和藍(lán)色卻合成一種在彩虹中找不到的顏色――絳色或品紅色(Magenta)。為了表示上述合成規(guī)律，牛頓把幾種6種典型顏色放在一個(gè)圓盤上，構(gòu)成牛頓色輪(Newton Color Wheel). 為什么會(huì)產(chǎn)生絳色，這在當(dāng)時(shí)是令人困惑的。因?yàn)榕ｎD當(dāng)時(shí)并沒有認(rèn)為合成的黃色色光同單色光中的黃色色光有什么不同?，F(xiàn)在我們知道，合成的黃色僅僅在人看來(lái)和單色光黃色相同，而物理上并不相同。當(dāng)時(shí)人們也想找出單色光中的絳色，而實(shí)際上找不到。 1802, 英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊（Thomas Young, 1773—1829年）提出大膽假設(shè)：所有顏色都可以通過紅綠藍(lán)三色的混合產(chǎn)生，三者比例不同，顏色就不同。這一假設(shè)的革命意義就在于：肯定一種顏色不是一種色光，而是許多能產(chǎn)生同樣主觀感覺的多種色光?；蛘哒f(shuō)：肯定一種色覺并不反映一種色光，而是反映多種在人看來(lái)相同的色光。 楊早年學(xué)醫(yī)，很年輕時(shí)就研究了眼睛的調(diào)節(jié)機(jī)理，21歲就被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。他出版的著作涉及的課題驚人地廣泛，有生理光學(xué)、虹的理論、流體動(dòng)力學(xué)、毛細(xì)作用、造船工程、用擺測(cè)量引力、潮汐理論等。 其最有名的貢獻(xiàn)是在光的波動(dòng)理論方面。關(guān)于光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就被稱之為楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)對(duì)近代光學(xué)和量子力學(xué)有著重大影響。 一個(gè)世紀(jì)后，楊的創(chuàng)造性見解被德國(guó)物理學(xué)家和生理心理學(xué)家赫爾姆霍茲(Hermann von Helmholtz, 1821-1894)進(jìn)一步發(fā)揮。赫爾姆霍茲假設(shè)人眼中存在三種接收器――按現(xiàn)在的說(shuō)法是三種視錐細(xì)胞，分別對(duì)不同波長(zhǎng)的色光敏感或吸收不同波長(zhǎng)的色光。三種接收器受到的刺激比例不同，色覺就不同。他還假設(shè)了每一種接收器的敏感特性曲線，由此算出具有任何一種能量分布的色光所引起的三種接收器輸出信號(hào)大小。赫爾姆霍茲發(fā)展和量化了楊的三原色理論，因而這一理論現(xiàn)在被稱為楊－赫爾姆霍茲三原色說(shuō)(或三色素說(shuō)). 假設(shè)一種物體反射的色光能量分布是s(λ), 三種色敏感細(xì)胞的敏感特性曲線是b(λ), g(λ), r(λ), 參看圖2 那么三種細(xì)胞輸出信號(hào)大小就是 s(λ) 和r(λ)越重合，并且s(λ)越大，則R越大。B和G同理。任何一種顏色都可以用矢量(B,G,R)表示。 比如(B,G,R)=(0, 0.5, 1)表示B=0, G=0.5, R=1的顏色――橘黃色。 后面我們用s(λ)表示一種色光，用(B,G,R)表示相應(yīng)的顏色。注意：色光s(λ)不同，顏色(B,G,R)可能相同。這就叫做同色異譜。比如黃色單色光和紅綠兩種單色光等比例混合的混色光，兩者光譜(即能量分布)不同，但是顏色(B,G,R)是相同的。 三色素理論為彩色電視顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。攝像系統(tǒng)中：每一象素上的色光si(λ)被轉(zhuǎn)換為顏色矢量(Bi,Gi,Ri), i=1,2,…M=屏幕象素?cái)?shù)目; 顏色信號(hào)經(jīng)過編碼被發(fā)射，電視機(jī)則通過解碼得到(Bi,Gi,Ri), i=1,2,…M。彩色顯示屏上每個(gè)象素點(diǎn)上有藍(lán)，綠，紅三種發(fā)光點(diǎn)，電子發(fā)射到藍(lán)點(diǎn)上，藍(lán)點(diǎn)就發(fā)出藍(lán)光。每個(gè)點(diǎn)受到電子打擊的強(qiáng)度不同，發(fā)光強(qiáng)度就不同。由于人眼視細(xì)胞數(shù)量有限，因而分辨率有限，當(dāng)人眼距離屏幕達(dá)到一定距離時(shí)，它就不能區(qū)分每個(gè)象素中的三點(diǎn)，于是相應(yīng)一個(gè)象素產(chǎn)生一種色覺。但是當(dāng)人眼接近屏幕時(shí)，他就會(huì)發(fā)現(xiàn)屏幕上每個(gè)點(diǎn)只有一種顏色――藍(lán)色，綠色或紅色。 繼赫爾姆霍茲的研究之后，物理學(xué)家麥克斯韋（1831-1879，因電磁波的微分方程組而著名）于19世紀(jì)60年代研究了三原色理論，發(fā)現(xiàn)三原色的選擇可以不同，適當(dāng)?shù)娜梢栽黾铀芘涑鲱伾姆秶?。為了表達(dá)某些顏色，比如(b,g,r)，紅色分量需要是負(fù)的; 比如在(b,g,r)一邊加上適當(dāng)?shù)念伾?0,0,R), 另一邊加上適當(dāng)?shù)念伾?B,G,0), 那么就有(b,g,r)=(B,G,-R)。另外他還提出用色調(diào)，飽和度，明度表示一種顏色。這三者分別反映色光的波長(zhǎng)，其中彩色相對(duì)白色的比例，以及色光的強(qiáng)度。麥克斯韋的研究為現(xiàn)代色度學(xué)作出了巨大貢獻(xiàn)。 在赫爾姆霍茲前后，Brewster和Grassmann也對(duì)顏色理論作出一定的貢獻(xiàn)。 (圖貼不上，到下邊連接看吧)