设计色彩学中的可见光谱及其构成

可见光是能引起人眼明亮感觉的电磁波。按照国际照明委员会（CIE）和国家标准的规定，可见光的波长区间是380～780 nm，相对电磁波辐射来说，这是一个非常窄的波长范围。可见光的波长极其微小，用nm（纳米）或Å（埃）表示，1 nm=10—9 m，1 Å=10—10 m。

实验表明，波长超出这一范围的电磁波虽然能引起人眼的痛觉或其他的刺激效应（例如流泪等），但是不能产生明亮感觉。本书中的“光（light）”就单指可见光。可见光的波长范围虽然只有400 nm，却使得人类的眼睛能够区分客观世界色彩斑斓的无数种颜色（color）。当在实验室中用一个个单一波长的可见光分别刺激人眼时，就会发现人眼对不同波长的单色光能够产生不同的颜色感觉，这说明人眼的颜色感觉来源于不同波长的单色光。

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。光映射到我们眼睛时，波长不同决定了光的色相不同。波长相同，能量不同，则决定了色相明暗的不同。牛顿曾经将白色的阳光投射到三棱镜上，研究了白光的色散。白光经过三棱镜折射以后，分解成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色，如图1.4所示，它实际上是一条红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七彩光带，光带的颜色是逐渐过渡的。

图1.4　可见光谱

波长和颜色同步连续变化的各种单色光可以构成一个可见光谱。图1.3的下面部分和图1.4表示的都是可见光谱。确切的数据如表1.1所示。

表1.1　可见光谱

由于青色（Cyan）波长范围很窄，介于蓝、绿之间，将它包含在蓝色中。以上这些色光都可以从白光的色散光谱中得到，我们称它们为光谱色。除了光谱色以外，还有一种紫红（品红，Magenta）色光，也比较常见，它是由红色与紫色混合而成的，色散光谱中没有它，我们称它为非光谱色。

通过棱镜折射获得的分解色光，如果再通过一次棱镜的折射，是不可能再继续分解，这种不能再分解的色光称为单色光（即，光谱色光）。单色光指单一波长的色光，由单色光混合生成的色光称为复色光，复色光指多种波长合成的色光。自然界的太阳光、白炽灯和日光灯发出的光都是复色光。值得强调的是：一种复色光可以和一种单色光有相同的色相。例如同为黄色，可以是通过棱镜折射直接获得的单色黄光，也可以是通过红光和绿光混合生成的复色黄光。人眼对这两种黄光的感受是一样的，即，一种颜色的感觉并不只对应一种光谱的组合，单色光或两种成分完全不同的复色光可能引起的颜色感觉完全一样。这说明人眼虽然能够对不同的单色光产生不同的颜色感觉，却不能识别复色光的光谱组成，这是人类颜色视觉所具有的一种非常奇妙的性质，这种现象称为同色异谱现象，这两种颜色被称为同色异谱色。

还要强调一点：光波本身并没有色彩，色彩是通过人的眼睛和大脑产生的。牛顿在《光学：或关于光的反射、折射、弯曲和颜色的论文》中明确指出，“光线并没有颜色……只有某种能激起这样或那样颜色感觉的本领或倾向”“在光线里面它们不过是把这样或那样的运动传播到感觉中枢中去，而感觉中枢则以颜色形式再现这些运动的许多感觉”。简而言之，光线没有颜色，它只是某种能量辐射，而颜色则是人对这种能量辐射的心理响应。

自然界中的物体可分为两类：发光体和非发光体。发光体是指光源，它能够自行向外界辐射；而除了发光体以外的物体，统称为非发光体。发光体与非发光体的呈色机理是不相同的。

1.光源色

色彩的本质是光，没有光便没有色彩的感觉，色彩与光有着密切的关系。宇宙万物之所以呈现五彩斑斓的色彩，是有着光照的先决条件的。通常人们把照射到白色光滑的不透明物体上所呈现的色彩叫做光源色。在物理学上，将光源对物体色的显色产生影响的这种性质叫做演色性。(www.xing528.com)

一般的光源是由不同波长的色光混合而成的复色光。人们的日常生活中，光有多种来源。不同的光源，由于其中所含波长的光的（能量）比例上有强弱，或者缺少一部分，从而表现出各种各样的色彩。光源颜色的特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对（能量）比例，而与光的强弱无关。光的强弱不会引起光源颜色的变化。反过来说，知道了光源的相对能量比例，就知道了光源的颜色特征。

从图1.5中可以看到，正午的日光有较高的辐射能，它除了在蓝紫色波段能量较低外，在其余波段能量分布较均匀，基本上是无色或白色的。荧光灯光源在405 nm、430 nm、540 nm和580 nm出现四个线状带谱，峰值在615 nm，而后在长波段（深红）处能量下降，这表明荧光光源在蓝绿色波段（550 nm～560 nm）有较高的辐射能，而在深红波段 （650 nm～700 nm）辐射能减弱。对比之下，白炽灯光源，它在短波蓝色波段，辐射能比荧光光源低，而在长波红色区间，有相对高的能量。因此，白炽灯光源，总是带有黄红色。红宝石激光器发出的光，其能量完全集中在一个很窄的波段，大约为694 nm，看起来是典型的深红色。

图1.5　几种常见光的光谱功率分布

2.非发光体的颜色形成

除了自身能发光的物体有颜色外，自然界中几乎所有的非发光体也都能呈现一定的颜色，人们往往以为我们所看到的物体的颜色是物体自身固有的，不管在什么情况下都不会改变的，其实这种看法是不正确的。那么非发光体的颜色是如何产生的呢？其实，色的起源是光，有光才有色，如果没有了光的存在，也就谈不上什么物体的颜色了。我们知道，白光中包含了所有的色光，不同的波长的光具有不同的颜色，人的视觉器官能够分辨出不同的颜色。非发光体只有在光的照射下才能呈现出颜色，如果没有光，根本看不到物体，自然也就看不见颜色。所以，物体显示出的颜色，其源头是光的颜色。

世界万物本身都是无色的，光照射到物体上会发生诸如透射、吸收、反射、漫射、散射、折射和衍射等许多物理现象，但是对色彩成因起主要作用的是透射、吸收和反射。

一束光投射到物体表面上时，部分的光会被反射。由于物体表面的情况不同，反射可以分成三种类型：① 镜面反射， ② 完全漫反射， ③ 镜面反射和漫反射兼有。图1.6中的图（a）表示镜面反射，反射光束与入射光束完全遵守反射定律，反射率一般小于1。图1.6中的图（b）表示完全漫反射，对于任何波长的入射光，反射光通量都等于入射光通量，即光谱反射率ρ（λ）≡1，而且反射光通量的分布严格遵守余弦规律。在图（b）中用箭头的长短代表光通量的大小，所有箭头的末端正好构成一个球面，球面的最低点就是光的入射点。这种漫反射面在各个方向上的亮度都相等。它的反射光实际上就与入射光相同。完全漫反射是反射色的测量标准，因为它的反射光就等于入射光，而且各个方向上的亮度都相等。但是，它只是一种理想的反射面，在实验室中不可能制造出这种反射面。图1.6中的图（c）表示一般的反射面，在符合反射定律的方向上反射光通量较大，其他方向上反射光通量较小，这种反射面的反射率也都小于1。

图1.6　反射光的分布

光入射到一块透明介质时，一部分光被反射，而另一部分光则折射进入媒介。进入媒介的光又有一部分被媒介吸收、散射，其余的光透射媒介从另一界面透射出来。

光除了反射、透射以外，也会被吸收。如果某种材料吸收了一定波长的光，它就会显示出颜色来，如果全部吸收了所有光，则该材料就是黑色的，是不透明的。白光照射在物体上，由于物体吸收了部分波长色光使物体呈色的现象，称为选择性吸收。

当光照射到物体的表面时，一部分光被物体吸收，而另一部分光被物体反射或透射了。只是由于它们对光谱中不同波长的光吸收、反射、透射不同，才决定了它们的色彩不同。没有光线，我们看不到物体的色彩；有光线，我们则可以感受到色彩，而且在不同的光谱组成的光照射下，所呈现的色彩还有所差异。对于同一个物体来说，它只吸收一定波长的光，同时反射或透射剩余波长的光，反射或透射的光进入到人的眼睛，人的视觉器官就看到了物体，有了颜色的感觉。人们所看到的物体的颜色，是物体反射光或透射光的颜色，而并非物体自身的颜色。物体对光固定的吸收和反射或透射是物体的光学特征。同一物体，它的光学特征都是固定的，它对光的作用也是一定的，因此物体显示出一种固定的颜色。一种物体，如果它能吸收所有的，那么就意味着它没有反射或透射光线，也就没有光刺激人的视觉器官，所以物体是黑色的。如果一个物体能全部地反射可见光，则物体是白色的。如果物体能完全地透射可见光，它就呈现无色的透明体。而大部分的物体，是吸收一部分可见光，反射（透射）另一部分光，那么，物体的颜色就是由反射（透射）出的光线的光谱成分决定的。比如红色物体，之所以呈现红色，是因为它能反射可见光中的红色成分，而对于其他色光则全部吸收，这部分反射的红光在人的视觉器官中形成红色的感觉。反射体的颜色取决于反射光的波长及光谱功率分布，透射体的颜色取决于透射光的波长及光谱功率分布。