紅色、綠色、藍色

許多學過色彩學的朋友應該都聽過類似的話,比如「色彩是由紅綠藍組成的」、「紅光、綠光、藍光無法以其他顏色的光線合成」、「有了RGB三色的LED才能有全彩」,「紅+綠=黃、紅+黃=橙、紅+藍=紫、紅+綠+藍=白」這些話似乎在暗示著,世界上的光只有紅綠藍三種光。但其實翻開物理課本會發現,光線分為可見光與不可見光,其中可見光的波長範圍大概在380到750奈米,紅綠藍三個顏色不過是這其中的一小部分,顯然不該是這三個顏色代表整個光譜,因此三原色並不是物理學中定義的定力。

可見光範圍也不是物理學定理

如上面所說的380到750奈米,也就是紫色到紅色的範圍是可見光,這其實也不是物理定理,是人類眼睛能看到的顏色,未來人類的眼睛要是能看見更多範圍,或是看得更少,那麼可見光的範圍也會改變。比如很多鳥類可以看見紅外線,因此他們的可見光範圍會超過750奈米;又比如一些蝴蝶等蟲子可以看見紫外線,因此他們的可見光範圍會低過380奈米。

其實色彩學的敘述其實多少會提到RGB三原色定義是針對人眼,但可能用詞不是那麼明確,因此我遇過不少人還是誤會以為光真的就是紅色、綠色、藍色三種組成的。

螢幕上的黃色跟現實中的黃色一樣嗎?

紅光加上綠光會出現黃光,如果紅光再加上黃光會出現橙色光,或是稱為紅光多一點、綠光少一點,會出現橙色光。那麼螢幕上出現的黃色真的是黃色嗎?其實不是,現實中的黃光是波長大約570–590奈米的光,但螢幕上出現的是大約620奈米與大約495奈米的兩道光,只要這兩道光距離夠近,人眼就會當成真實的黃色的光。

白光穿過三稜鏡會因為折射率不同,分散出彩虹顏色。因此螢幕上透過兩種光混合出的黃光,經過三稜鏡會折射出紅光與綠光。但真實黃光因為是單色光,經過三稜鏡出來的依然是黃光。

所以人眼是如何看見真假黃光?

人眼有三種感色細胞,分別對應紅色、綠色、藍色,但其實紅色感色細胞不是完全只能對應紅色,而是以紅色以及跟紅色波長接近的顏色,只是對紅色最敏感,綠色與藍色感色細胞同理。因此一道黃光照到眼睛的時候,眼睛內的紅色與綠色感色細胞會同時起反應,對人腦而言這種現象就是黃色。透過這種現象,使用紅色與綠色的光分別照到眼睛裡,只要他們距離夠小,小到同一個範圍內的紅色與綠色感色細胞一起起反應,人腦就會覺得是黃色了。

從上面看來會發現一個有趣的現象,紅色、綠色、藍色同時存在的時候是白色,只有紅色與藍色存在的時候呢?這種顏色不存在電磁波光譜上,沒有一種單色光可以同時讓人的紅色與藍色感色細胞有反應,卻讓綠色沒反應。畢竟找不到一個數字接近380nm,也接近700nm,卻遠離500nm。因此紫紅色是一種只存在人腦中的顏色,從客觀上來看是兩種不同顏色。

是生理學,也是地球科學

人眼個感色範圍是一種生理學,但生理學也是架構在物理學與化學之上,還是有物理可探討的部分,例如生物的可見光範圍基本上都在一部分的紫外線、可見光、一部分的紅外線,可以猜想到幾種可能。首先波長越低能量越高,容易傷害身體,不斷利用這種光線來看見四周不太安全,更主要的原因是太氣層會將低波長的光色散掉,到達地表的紫外線不多,利用波長太短的光線效率顯然也不高。而紅外線的缺點是成像的清晰度不高,越長的波長產生的影像清晰度就會越低,因此使用遠紅外線也不是那麼好。範圍縮減下來就剩下紫外線中波長較長的一些、可見光、紅外線中波長短的一些。

關於波長影響清晰度,可參考角解析度的介紹,可見到波長 λ 越小的時候可分辨的角度可以越小。

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