颜色和彩色

一、颜色
　　颜色可分为非彩色与彩色两大类，颜色是非彩色与彩色的总称。非彩色指白色，黑色与各种深浅不同的灰色。白色、灰色、黑色物体对光谱各波长的反射没有选择性，它们是中性色。彩色物体对光谱各波长反射具有选择性所以它们在白光照射下出现彩色。图2.1－3画出了几种颜色物体的光谱反射率特性。白色物体反射系数近1，黑色物接近于0，灰色物体介于0与1之间。彩色物体的反射率是随频率变化的，其数值介于0至1之间。
　　彩色是指白黑系列以外的各种颜色，颜色有三特性：亮度、色调和饱和度。

　　亮度（Luminance）是指色光的明暗程度，它与色光所含的能量有关。对于彩色光而言，彩色光的亮度正比于它的光通量（光功率）。对物体而言，物体各点的亮度正比于该点反射（或透射）色光的光通量大小。一般地说，照射光源功率越大，物体反射（或透射）的能力越强，则物体越亮；反之，越暗。

　　色调（Hue）:指颜色的类别，通常所说的红色，绿色，蓝色等，就是指色调。

光源的色调由其光谱分布P（l ）决定；

物体的色调由照射光源的光谱P（l ）和物体本身反射特性r （l ）或者透射特性t （l ）决定，即取决P（l ）r （l ）或P（l ）t （l ）。例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下，只透射红光，所以是红色。

　　饱和度（Saturation）：是指色调深浅的程度。各种单色光饱和度最高，单色光中掺入的白光愈多，饱和度愈低，白光占绝大部分时，饱和度接近于零，白光的饱和度等于零。

物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度，物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或不反射，表明它有很高的光谱选择性，物体这一颜色的饱和度就高。
　饱和度，指的其实是色彩的纯度，纯度越高，表现越鲜明，纯度较低，表现则较黯淡。由于液晶每个象素由红、绿、蓝（RGB）子象素组成，背光通过液晶分子后依靠RGB象素组合成任意颜色光。如果RGB三原色越鲜艳，那么显示器可以表示的颜色范围就越广。如果显示器三原色不鲜艳，那这台显示器所能显示的颜色范围就比较窄，因为其无法显示比三原色更鲜艳的颜色。

　色调与饱和度合称为色度（Chromaticity），它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度，就能对颜色作完整的说明。
　　非彩色只有亮度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。

自然现象的彩色

　　从物理观点来说，彩色产生的原因不外乎光的吸收、折射与干涉现象。我们举一些例子来说明。一杯冰可乐，是从底下打白光，因为可乐的色素吸收蓝光与紫光，透过的为红光，加上杯子与冰块的折射，就造成这张美丽的相片。又如化学实验室内常见的硫酸铜溶液呈蓝色是因铜离子吸收近800nm的红光，而使蓝光透过。然而在日常生活中，所看到的物体多不透光，它的彩色是反射光的彩色。基本上，是物质吸收可见光的某部分，而将不吸收的部分反射出来，我们看到的是反射光，如果吸收的越多则彩色看来越深。图三是在物体表面涂上透明漆或是打蜡，以加强多次反射效果，亦就是使入射光经过多次物质表面的吸收，则物体的彩色就更深。例如，下雨前，红砖道是浅红色的，下雨后就变暗红色；地板打蜡后其彩色变深，都是这个道理。生物界亦有此种例子。图四是两只同种的昆虫，会变化彩色。这昆虫背上有一层薄薄的空隙组织，这层空隙底下是一层含色素的组织，强烈吸收紫、蓝光，反射黄光。如果两层之间是空的，只有一次反射，彩色看来很浅。当变色时，两层之间充入水，则光线经过多次吸收反射，昆虫的彩色看来就深；它的道理和下雨后红砖道变深是一样的。
　　光的干涉现象可以将不同彩色（波长）的光分开。图五是可以造成光的干涉的光栅，当光从相邻的两个面反射时就有光程差（光所经过路径差），如果这光程差恰好是波长的倍数时，光波即有加成干涉，其他波长则不加成，如此不同彩色的光，其反射程度就不同了。干涉现象而形成彩色，最有名的例子是肥皂泡的彩色及金属面油膜的彩色。肥皂及水本身并不吸收彩色光，但吹出泡膜以后，光在肥皂膜内进行折射反射再出来，每一处膜的厚度不一样，光走的路径长短不一，产生相位差，而造成干涉现象。图六是一种甲虫，它背部有很小的条状突出构造，就像光栅一般，因此使甲虫看来有彩色，此种干涉现象所造成的彩色，在不同的角度看起来是不同的，对昆虫产生很大的保护作用。对它的敌人而言，在不同角度看到不同的彩色，就很难判断它的距离。因为低等动物之视觉没有视角差，距离的判断方法之一要靠彩色之对比。当彩色对比过强时，就不易判断距离。
　　光和物质作用除了吸收和折射外，还有一个重要的作用──散射，这是天空呈蓝色的原因。大气中，分子的热运动，造成局部的不均匀（瞬间），当光进入不均匀介质，就向四面八方散射。散射能力与波长四次方成反比，在可见光范围内，以蓝、紫色散射最强，它们散射到天空，所以天是蓝的。自然景观中的远山，亦呈蓝色（见图七）。其他如汽车排烟，香烟的烟呈蓝色，也都是其中有散射力强的颗粒而造成，并非吸光的缘故（参阅本刊67－7月号，赖昭正着「从蓝天谈起」一文）。