防藍光眼鏡or防紫光眼鏡 淺談光的三原色

2021-01-14 中國科學探索中心

我們生活在一個五彩斑斕的世界,這裡有青山綠水、湛藍的海洋、溫暖的落日餘暉,還有各色各樣的花花草草,這些令人心曠神怡的美麗景物涵蓋了紅橙黃綠青藍紫等色彩,讓我們的整個世界變得五彩斑斕。


(圖片來源:網絡)

我們知道,光的波長從紅到紫是逐漸減小的,這是一個連續的變化,也就是說在紅色和橙色之間還有無數種沒有被命名的顏色使紅色逐漸過渡到橙色。


(圖片來源:網絡)


世界上的顏色有無數種,而隨著技術的進步,我們的電視、電腦、手機等電子設備都可以顯示出絢麗多彩的畫面。那麼,這些顯示屏真能發出來各種各樣的純色的光嗎?


答案是否定的。


其實顯示屏幕的每個微小的點只能發出紅綠藍三種色光,通過分別控制這三種光的強度來顯示出某一特定的顏色,通過對每一個點及其紅綠藍這三種光色的亮度進行編碼,我們就可以看到色彩斑斕的影視畫面了。

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這主要是利用的色光三原色原理,即:


自然界的任何光色都可以由3種光色按不同的比例混合而成;

三原色之間是相互獨立的,任何一種光色都不能由其餘的兩種光色來組成;

混合色的飽和度由3種光色的比例來決定,混合色的亮度為3種光色的亮度之和。


 

這一切要從我們偉大的牛頓說起,牛頓先生不僅在力學上有著卓越的成就,他在光學上也做出了很多偉大的創舉。

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牛頓先生在發現光的色散現象後,即一束白光透過稜鏡可以分解出紅橙黃綠青藍紫七種顏色,而這其中的顏色經過反向折射後又能重新合成一道白光。


這讓牛頓興奮了,善於思考的他就想,既然白光能夠被分解與合成,那其它的光能不能被分解或者合成呢?


(圖片來源:網絡)


牛頓經過無數的實驗和計算得出了一個重要的結論:七種色光中,只有紅綠藍三種色光無法被分解與合成,而其它四種色光均可以有紅綠藍這三種色光按照一定的比例混合進行合成。自此紅綠藍便成了色光三原色。

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當時牛頓的色光理論還並不完善,實驗還未全部完成,後來他的學生完善了他的實驗並形成了完整的光學色彩理論。


除了色光三原色以外,光學色彩理論還提出了「互補色光的概念」,互補色光奠定了當代美術顏料色素的光學基礎。



對於互補我們可以這麼理解,把一個餅切成了兩半,這兩半拼補起來成了一個完整的餅,那麼我們稱這兩半餅互補。


在光學色彩理論中,紅綠藍三原色光等量相加則成為了白光,我們把白光看作一個整體,那麼:


等量紅光+等量綠光+等量藍光=白光


由於這裡有三種光,而互補的概念是針對於兩種光,當我們把綠光和藍光看做一個整體時(綠光+藍光=青光),那麼它和紅光互補,因為他們倆加起來等於白光,也就是說青光與紅光是互補的,即紅光的互補光是青光


同樣的道理,當我們把紅光和藍光看作一個整體時(紅光+藍光=品紅),那麼它與綠光互補,所以綠光的互補光是品紅光


而當我們把紅光和綠光看作一個整體時(紅光+綠光=黃光),那麼它和藍光互補,即藍光的互補光是黃光


所以我們得到紅、綠、藍的互補光分別為青、品紅和黃這三種顏色被稱為三原色素,因為以這三種顏色作為原料可以調製出所有顏色的顏料,從而畫出絢麗多彩的圖案。



這是因為我們看到的色光,如手機、電腦裡面圖像的顏色,都是「發出來的光」,而我們看到的美術作品中的畫或者印表機列印出來的圖像則是「反射出來的光」。


比如,青色的顏料是因為只反射青光(綠光+藍光)而吸收其它所有色光,品紅的顏料是因為只反射品紅光(紅光+藍光),而吸收其它所有色光。


所以當青色的顏料和品紅的顏料等量混合時,青色顏料反射的綠光部分被品紅顏料吸收了,而品紅顏色反射出來的紅光被青色顏料吸收掉了,所以最終只有藍光被反射出來,也就是說品紅顏料加上等量青色顏料則成了藍色顏料,其它色素的混合原理亦是如此,這種混合成為減法混合。

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所以,當我們利用三原色素(青、品紅、黃)畫出不同顏色的圖案,也是基於色光三原色(紅、綠、藍)的原理。因為最終我們看到的都是色光,調製三原色素也是為了讓顏色按照一定的比例反射出紅綠藍三種色光,從而在我們眼中呈現出不同的顏色。


值得注意的是色光的混合併不是它們真的合成了一種其它顏色的純色色光,而只是為了刺激人類的視錐細胞形成相應的生理反應,從而在大腦中構造出相應的顏色。


(圖片來源:網絡)


也就是說,儘管我們可以用紅色加藍色形成視覺上的品紅(紫紅)色,但在物理學上它們發出來的並不是紫光。換句話說,紅光和藍光混合在一起後,它們各自的波長和頻率並沒有改變,即它們不會合成紫光的波長和頻率。


在英語中,這種區分在用詞上就很明顯,物理學意義上的紫光一般叫Violet,而視覺上的紫光則叫Purple。


所以色光三原色只能合成視覺上的各種顏色,而不能合成真正物理意義上的單色光。這樣一來,大家就能明白為什麼市面上都是防藍光眼鏡,而沒有防紫光眼鏡了,因為我們看到的顯示屏幕發出來的光在物理意義上只有紅綠藍,其中藍光的頻率最高,光子能量最高,最容易對眼鏡造成傷害。


(圖片來源:網絡)


單色紫光比藍光的光子能量更高,更傷眼,但我們看到屏幕上的紫光並非真正的單色紫光(Violet),而只是視覺成像的紫色(Purple),所以無需針對紫光防護。

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