原色 - 原色简介

光的三种原色是红色、蓝色和绿色，它们是人类视觉的三种基本色。 在这篇文章中，我们将探究人眼如何处理颜色、可见光光谱、加原色和减原色之间的差异，以及原色在现实世界中的应用。

什么是原色？

太阳光由几乎连续的电磁辐射光谱组成，大部分能量集中在 220 到 3,200 纳米的波长上。 当太阳光穿过地球大气层时，大部分波长超过 2,000 纳米（红外波长）的光波被二氧化碳、水蒸气和臭氧吸收，因此大多数光波永远不会到达地面。 较短的紫外波也会被臭氧层吸收。 大气的这种过滤效应将到达地面的光波光谱限制在 320 到 2,000 纳米之间。

人眼对波长在 400 到 700 纳米之间的窄带电磁辐射（通常称为可见光光谱）非常敏感，该光谱是唯一的颜色来源。 可见光中所有波长占成功穿过地球大气层的总光谱分布的三分之一，它们共同形成的无色白光，白光可通过棱镜折射并分散为各种颜色的光。 红色、绿色和蓝色通常被视为光的原色，因为它们是人类视觉的三种基本色。

加原色

眼睛里的嵌在视网膜中央小凹处的视锥细胞感受器（见图 1），通过专门的色素蛋白进行调谐，仅响应分布在这三个区域（红色、绿色和蓝色）内的光波。 可见光光谱的所有颜色（从紫色到红色）都可以通过加减三种原色的各种组合来产生。 当所有三种视锥细胞同时感受到等量红光、绿光和蓝光的刺激时，人眼会觉得感知到光是白色的。 因为这三种颜色的叠加产生白光，所以红色、绿色和蓝色被称为加原色。

人眼如何看见颜色

当只有一种或两种类型的视锥细胞受到刺激时，感知到的颜色范围是有限。 例如，如果使用窄带绿光（540 到 550 纳米）刺激所有视锥细胞，只有那些含有绿色感受器的细胞才会有反应，产生可见的绿色信号。 人类对非加原色（如黄色）的视觉感知可以通过以下两种方式之一产生。 如果用波长为 580 纳米的单色黄光同时刺激红色和绿色视锥细胞，每个视锥细胞感受器的响应几乎相同，因为它们的吸收光谱重叠在可见光光谱的这个区域大致相同。 使用混合的光谱几乎没有明显重叠的红光和绿光分别刺激红色和绿色视锥细胞，也可以获得相同的黄色信号。 在此情况下，即使通过以上两种不同的机制实现，其结果都是同时刺激红色和绿色视锥细胞以产生黄色信号。 感知其他颜色的能力需要借助适当的波长调色板对一种、两种或全部三种类型的视锥细胞进行不同程度的刺激。

补色

如果将等量的绿光和蓝光相加，则产生的颜色称为青色。 同样，等量的绿光和红光产生黄色，等量的红光和蓝光产生品红色。 青色、品红色和黄色通常被称为补色，因为它们各自补充成为白光这种混合光的一种原色。 黄色（红色加绿色）是蓝色的补色，因为这两种颜色相加会产生白光。 同样，青色（绿色加蓝色）是红色的补色，品红色（红色加蓝色）是绿光的补色。

减原色

补色（青色、黄色和品红色）通常也称为减原色，因为每种减原色都可以通过从白光中减去一种加原色（红色、绿色和蓝色）而形成。 例如，当所有蓝光都从白光中移除时，会观察到黄光，移除绿色时会形成品红色，移除红色时会产生青色。 从白光中减去原色之所以会观察到所产生的颜色，是因为大脑会将剩下的颜色相加，产生相应的补色或减色。 图 2 显示了加原色和减原色的重叠色环。 重叠区域表示通过对使用这六种原色形成的各种组合进行加减产生的新颜色，同时也显示了这些加原色和减原色如何相互补充。

将任意两种减原色相加时，会产生一种加原色。 例如，将品红色和青色相加产生蓝色，而将黄色和品红色相加产生红色。 类似地，黄色和青色相加产生绿色（见图 2）。 将所有三种减原色相加时，会将三种加原色从白光中去除，留下黑色（没有任何颜色）。 减原色的任意组合都不能产生白色，这是无法通过混合彩色涂料或油墨来打印白色的主要原因。

加色和减色

有一个例子很适合用来说明加色和减色，即太阳升起、在天空正上方以及太阳落下时观察太阳光颜色变化。 由于光子与不同密度的空气分子发生碰撞会去除一些颜色，因此太阳光穿过地球大气层时颜色会发生变化。 上午晚些时候和刚到下午，太阳高悬天空时，光呈现为黄色。 当太阳接近地平线时，光必须穿过更厚的大气层，开始呈现出橙色，逐渐变为红色。 这是因为空气从太阳光中吸收的蓝光越来越多，只留下可见光中波长较长的红色部分。

光照下的颜色变化

图 3 所示的一系列照片包含一张扑克牌（红心 3）、一个绿色甜椒和一串蓝紫色葡萄叠加在黑色背景上形成的图像。 在左侧的照片中（图 3(a)），当使用白光照射三个物体时，其图像与我们在自然光照下的预期一致。 在第二张照片（图 3(b)）中，物体的照明光为红光。 请注意，扑克牌反射所有照射到其上的红光，而只有葡萄杆以及葡萄和甜椒上的白色高光部分才反射红光。 大部分照射到葡萄和甜椒上的红光被吸收掉了。

第三张照片（图 3(c)） 展示了照明光为绿光的物体。 扑克牌上的符号现在为黑色，并且扑克牌的主体反射绿光。 葡萄反射一些绿光，而甜椒看起来是正常的（但有绿色高光）。 第四张照片（图 3(d)）展示了照明光为蓝光的物体。 葡萄串看起来正常，有蓝色高光，但葡萄杆变黑，现在变得不可见。 扑克牌反射蓝光，符号呈黑色，而甜椒仅在高光部分反射蓝光。 这一系列图像证明了呈现为红色的物体（例如，在白光下）如何吸收蓝色和绿色波长，但反射红色区域的波长。 因此，该物体显示为红色。

色调、饱和度和亮度

人眼对非常细微的颜色差异非常敏感，大概能够区分 800 - 1,200 万种颜色。 大多数颜色都以一定比例存在于可见光谱中。 颜色之间的真正差异来源于给定颜色中波长的分布。 主波长决定颜色的基本色调，例如，该色调可能是紫色、蓝绿色、米色、粉色或橙色。 主波长与其他波长的比率决定样品的颜色饱和度，以及它显示为暗淡还是深度饱和。 被成像物体的颜色强度和反射率决定物体颜色亮度（例如，深蓝色还是浅蓝色）。 下面的孟塞尔颜色树充分说明了这一点，其中每种颜色都由树上的一个不同位置表示（见图 4）。 色调由圆周上的位置表示，饱和度由颜色到中心轴的水平距离表示，亮度由主干上的垂直位置表示。

减法混色

大部分的结论都集中在可见光的特性上，即可以在计算机或电视屏幕上呈现可视化的可见光的加减特性。 但实际观察到的光多是我们周围的物体的反射光，如周围的人、建筑物、汽车、风景等的反射光。 这些物体本身不会发光，但会通过一种称为减法混色的过程发射有颜色的光，即减去（吸收）某些波长的光，反射其他波长的光（如图 3 所示）。 例如，一片绿叶之所以会在自然阳光下呈现这种颜色，是因为它反射绿色波长的光并吸收所有其他颜色的光。 反射绿光的色调、亮度和颜色饱和度取决于反射波长精确的光谱范围。

现实世界中的原色

我们在现实世界中看到的大部分颜色都是色素和染料形成的。 眼睛、皮肤和头发含有天然的蛋白色素，它们会被反射为周围人看到的颜色（再加上脸部化妆品和染发剂中使用的颜色）。 书籍、杂志、招牌和广告牌使用彩色油墨印刷，这些油墨通过减法混色过程产生颜色。 类似地，汽车、飞机、房屋以及其他建筑物都涂有含各种色素的油漆。 如上所述，刚才述及的对象产生的颜色多为减法混色概念的结果。 多年来，艺术家和印刷商一直在寻找含有特别适合去除特定颜色的染料和色素的物质。

原色印刷

所有彩色照片以及其他绘制或印刷的图像都是使用四色油墨或染料——品红色、青色、黄色（减原色）和黑色——制作的（见图 5）。 以不同比例混合这些颜色的油墨或染料可以产生能够重现几乎所有图像或色彩所需的颜色。 这三个减原色（理论上）可以单独使用，但出于大多数染料和色素的局限性使得有必要添加黑色以获取真实色调。 制作印刷在书籍或杂志上的图像时，首先通过摄影手段或使用计算机将其分离为减原色，如图 5 所示。 每个分离的组分都制成一张胶片，用于制作该颜色的印刷色板。 最终的图像是通过依次叠加印刷每个色版，使用相应的油墨还原原稿外观来创建的。 油漆的生产方式也与此有几分类似。 将含有减原色的底料混合在一起，形成用于最终油漆制备的各种颜色。

显微镜和照相机如何使用原色

这一部分包含了加原色和减原色的各种概念。 在使用显微镜观察和采集彩色图像时，加原色和减原色的概念非常重要。 显微镜光源可发出色温为 3200 K 至 5500 K 的明亮光波，具体的色温将取决于光源类型。 在观察者看来，这些光是白光，可以被显微镜载物台上的样本吸收、折射、反射、偏振和/或透射。 原色规则适用于显微镜中的光如何与样本与相互作用以及确定样品在目镜中呈现的颜色。 这些规则也适用于传统相机系统中的胶片或连接到显微镜的数字成像设备，两者都依赖于原色间的相互关系来采集图像。