光与色的研究与应用

光与色的研究与应用

黄于民

广州光与影照明科技有限公司

没有光就没有色，光是人们感知色彩的必要条件，色来源于光。所以说：光是色的源泉，色是光的表现。

五光十色、绚丽缤纷的大千世界里，色彩使宇宙万物充满情感显得生机勃勃。色彩作为一种最普遍的审美形式，存在于我们日常生活的各个方面。衣、食、住、行、用，人们几乎无所不包，无时不在地与色彩发生着密切的关系。色彩现象是一种变化万千的自然景象。没有色彩就没有花红柳绿，没有色彩就没有碧海蓝天，没有色彩就没有诗，没有音乐，没有艺术。没有色彩的世界无疑是个黑暗死寂的世界。人的一生自始至终都处在绚丽的色彩包围之中，并在这包围之中感受到时光的美好，时间的温馨，人生的愉悦。色彩现象是客观存在的，而且永恒。

一、光的基本知识

人们对光的本质的认识，最早可以追溯到十七世纪。从牛顿的微粒说到惠更斯的弹性波动说，从麦克斯韦的电磁理论，到爱因斯坦的光量子学说，以至现代的波粒二象性理论。

光的物理性质由它的波长和能量来决定。波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。在电磁波辐射范围内，只有波长380nm到780nm （1nm=10-6mm）的辐射能引起人们的视感觉，这段光波叫做可见光。

在这段可见光谱内，不同波长的辐射引起人们的不同色彩感觉。

英国科学家牛顿在1666年发现，把太阳光经过三棱镜折射，然后投射到白色屏幕上，会显出一条象彩虹一样美丽的色光带谱，从红开始，依次接临的是橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。

二、光的视觉性质

视觉是由进入眼睛的可见光引起的一种感觉。人们在认识客观世界的过程中，从外部获得的信息中有90％以上是通过视觉获得的，获得信息的效率和质量，与眼睛的视觉特性、照明条件以及视觉舒适感有关。眼睛的生理特性决定了它的明暗视觉和视觉效能。影响视觉舒适感和引起视觉疲劳的主要因素是照度水平、照明均匀度、眩光和明暗视觉的变化等。这是研究光学的基础知识。

明暗视觉

视觉分为明视觉、暗视觉和中间视觉。明视觉主要由眼球视网膜上的锥状细胞起作用，通常要求的亮度至少为每平方米几个坎德拉（cd）。暗视觉主要由视网膜的杆状细胞起作用，所需的亮度一般低于每平方米百分之几坎德拉（cd）。中间视觉介于上述两种视觉之间。杆状细胞不能起分辨颜色的作用，只有锥状细胞感受光刺激时才有颜色的感觉。杆状细胞对波长为 510纳米的光最敏感，而锥状细胞对波长550纳米的光最敏感。

视觉效能

眼睛完成视觉工作的能力称视觉效能。常用亮度对比和颜色对比，对比灵敏度、视敏度、视感受速度来综合评价眼睛的视觉效能。眼睛能够识别某背景上的任一物体，主要依赖于物体与背景之间的亮

度差别和颜色差别，即亮度对比和颜色对比。

眼睛所能辨别的物体与背景的最小亮度差称为临界亮度差。临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比。用临界对比的倒数来评价眼睛辨别最小对比的能力称为对比灵敏度。

视敏度是眼睛分辨两个相邻物体(点或线)的视角间隔(通常用角分表示)的倒数；视敏度也是视力的倒数。

视感受速度是人们感受形像所必需的最小时间的倒数。

三、光的色彩

自然界中只有光，本没有色，人的眼睛为了区别光的不同，建立了色的概念，大部分关于色彩的理论都建立在对人们的感觉实验的基础之上。在人的眼中有三种蛋白酶，分别敏感于某一特定波长的红、绿、蓝三种光中的一种，这样实际上人只能感觉到一个光谱中的三个特征方向。

色彩是一种视觉感受，客观世界通过人的视觉器官形成信息，使人们对它产生认识。所以，视觉是人类认识世界的开端。来自外界的一切视觉形象，如物体的形状、空间、位置以及它们的界限和区别都由色彩和明暗关系来反映。

对于自身发光的物体，颜色是由他所发出的光在人眼所能感知的三个方向的刺激来决定的。然而对于反光的物体，颜色由照射他的入射光和被他所吸收的光来决定。用一组与白光在这三个特定方向上对人眼刺激值相同的红绿蓝三色光就可以在人眼中模拟出白光的效果，但当这个白光和红绿蓝三色光分别照在同一物体上时，被吸收掉的光

不同，反射出来的光也不一定相同，人们看到的物体的颜色可能就不同。

物体的颜色由物体对光的透射、吸收和反射光谱决定，不同的入射光线可能造成物体的颜色不同。我们说"花是红色的"，是因为它吸收了白色光中400～500nm的蓝色光和500～600nm的绿色光，仅仅反射了600～700nm的红色光。花本身没有色彩，光才是色彩的源泉。如果红色表面用绿光来照射，那么就呈现黑色，因为绿光波长的辐射能被全部吸收了，它不包含可反射的红光波长。可见，物体在不同的光谱组成的光的照射下，会呈现出不同的色彩。所以，“色彩”并不是物质本身的物理性实体，只有光波波长才是物理性现实存在，物体的固有性质只是它对可见光谱中某些波段吸收或反射的能力。

四、光色的生理特性

从视觉眼睛的生理特征出发，经剖析发现人眼的锥状细胞处于视网膜中央，它对于辨别细小物体的能力很强，而杆状细胞则处于视网膜边缘，它更能感受微弱光的刺激，而对于辨别细小物体的能力较弱。明视觉状态下人眼中主要是视网膜中央的锥状细胞产生视觉效果，其最大的视觉响应在光谱蓝绿区间中的55nm 处。随着照明水平的下降，处于视网膜周边的杆状细胞逐步被激活，到了暗视觉状态下，主要为杆状细胞产生视觉作用，其峰值视觉响应为507nm。介于明视觉和暗视觉之间的中间视觉状态下，锥状细胞和杆状细胞同时发生作用。周

边视觉能力主要受杆状细胞的影响，此时人眼对短波长光更加敏感。正是由于此，环境的明暗不同时，人眼中起作用的细胞类型不同，颜色的感觉就会有差异。

不同颜色的光波，在能量相当的情况下眼睛感受的刺激程度不一样，如：在同样能量不同颜色的灯光照射下，感觉亮度不同。比如感觉红色的比深蓝兰色的亮。我们通常把白色、黄色、浅红等淡色称为亮色，翠绿、普蓝、黑色等重色称为暗色。

五、光色的心理感觉

色彩心理学是十分重要的学科，在自然欣赏、社会活动方面，色彩在客观上是对人们的一种刺激和象征；在主观上又是一种反应与行为。色彩是与人的感觉（外界的刺激）和人的知觉（记忆、联想、对比…）联系在一起的。色彩感觉总是存在于色彩知觉之中，很少有孤立的色彩感觉存在。色彩心理透过视觉开始，从知觉、感情而到记忆、思想、意志、象征等，其反应与变化是极为复杂的。色彩的应用，很重视这种因果关系，即由对色彩的经验积累而变成对色彩的心理规范，当受到什么刺激后能产生什么反应，都是色彩心理所要探讨的内容。

心理颜色和色度学颜色的另一区别是，色度学所研究的是色光本身，而不牵涉到研究的环境和观察者在空间的位置以及观察角度的变化等因素。例如，色光的背景，在CIE系统中是暗黑无色，并且用实验证明了不同的背景并不改变匹配数值。但是，在心理颜色视觉上则不然，当背景改变时，许多心理作用如颜色分辨力、色相、饱和度、