如何从电磁波角度理解不同色光的混合？
光的交响曲：电磁波视角下的色彩混合
我们眼中五彩斑斓的世界，源于光。而光，从物理学的角度来看，不过是电磁波谱中的一小段。每一种颜色，都对应着一种特定的波长或波长范围，它们以同样的频率在空间中传播。当我们谈论色彩混合时，实际上是在讨论不同电磁波叠加后的结果。这种叠加，就像乐器演奏时不同音符的共振，构成了我们看到的绚丽世界。
理解色彩混合，首先要明白“光”是什么。
电磁波并非一个单一的概念，它是一个由相互垂直、振荡的电场和磁场组成的波。这些波以光速传播，但它们的“身份”却由一个关键属性决定：波长。波长决定了电磁波的能量高低，也直接关联了我们所能感知到的颜色。
可见光： 我们能看到的这部分电磁波，波长大致在380纳米（nm）到750纳米（nm）之间。
波长越短，频率越高，能量越大。 例如，我们看到的紫色光，波长最短，能量相对较高；红色光波长最长，能量相对较低。
我们眼睛中的“接收器”： 视网膜上有两种重要的感光细胞：视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞对颜色敏感，我们有三种主要类型的视锥细胞，它们分别对红、绿、蓝三种不同波长范围的光最敏感。当不同波长的光进入眼睛，刺激不同类型的视锥细胞，大脑就会将这些信号整合，产生我们所理解的特定颜色。
两种主要的色彩混合方式：加法混合与减法混合
正如我们演奏乐曲时有合奏和独奏之分，光的混合也存在两种根本不同的方式，它们的机制和结果也大相径庭：
1. 加法混合 (Additive Mixing)：光越多，越亮
加法混合，也称为“红绿蓝”（RGB）混合，是我们日常生活中接触最多的方式，比如电视屏幕、电脑显示器、手机屏幕的显色原理。
基本原理： 当两种或多种不同波长的光叠加时，它们会相互“增强”，整体的亮度会增加，颜色也会发生变化。想象一下，你将一束红光和一束绿光同时投射到同一个白色屏幕上，屏幕上被这两束光照射到的区域就会呈现出黄色的光。
“三原色”： 在加法混合中，红、绿、蓝（Red, Green, Blue）是“三原色”。这并非因为它们本身最基础，而是因为我们眼睛的视锥细胞对这三个波长范围的光最为敏感。
红光（~620750 nm）
绿光（~495570 nm）
蓝光（~450495 nm）
混合结果：
红 + 绿 = 黄色
红 + 蓝 = 品红色（洋红色）
绿 + 蓝 = 青色
红 + 绿 + 蓝 = 白色
无光 = 黑色
从电磁波角度解释加法混合：
当我们看到红光，意味着视网膜上的“红”视锥细胞被激活。当我们看到绿光，是“绿”视锥细胞被激活。当红光和绿光同时照射到眼睛时，“红”视锥细胞和“绿”视锥细胞都会被不同程度地激活。大脑接收到这两个信号，并按照预设的“代码”将其解读为“黄色”。
波长的叠加并非物理上的“合并”： 重要的是，这并非是红光的电磁波和绿光的电磁波物理上“合二为一”，变成一种新的波长。而是两种独立的电磁波同时存在，并分别刺激了我们视网膜上的不同类型的感光细胞。 就像你同时听到小提琴的A音和钢琴的C音，你听到的是两个独立的声音，大脑将它们合成了“和弦”。
亮度的叠加： 当我们混合更多的光，整体的能量密度就会增加，所以混合后的光会比单一颜色的光更亮。当三种颜色的光以相同的强度混合时，它们会激活所有三种视锥细胞，大脑将其感知为最强的光刺激，即白色。
2. 减法混合 (Subtractive Mixing)：物体吸收光，我们看到的是反射光
减法混合，也称为“品红、黄、青”（CMY）混合，是我们看到颜色的根本原因，比如颜料、油墨的混合。
基本原理： 物体本身不发光，我们之所以能看到物体的颜色，是因为物体吸收了部分波长的光，而将其他波长的光反射出来。我们看到的颜色，就是物体“反射”到我们眼睛里的光的颜色。当颜料混合时，它们会协同吸收更多的光。
“颜料三原色”： 品红（Magenta）、黄（Yellow）、青（Cyan）是颜料的“三原色”。
品红色： 主要反射红光和蓝光，吸收绿光。
黄色： 主要反射红光和绿光，吸收蓝光。
青色： 主要反射绿光和蓝光，吸收红光。
混合结果：
品红 + 黄 = 红色 （品红吸收绿，黄吸收蓝，两者都反射红）
品红 + 青 = 蓝色 （品红吸收绿，青吸收红，两者都反射蓝）
黄 + 青 = 绿色 （黄吸收蓝，青吸收红，两者都反射绿）
品红 + 黄 + 青 = 黑色 （理论上，吸收了所有可见光）
白色的纸张（未染色）= 白色 （反射所有可见光）
从电磁波角度解释减法混合：
当我们看到一张红色的卡片，意味着这张卡片上的颜料吸收了大部分绿光和蓝光，只将波长较长的红光反射出来。
颜料对电磁波的“选择性吸收”： 颜料分子具有特定的电子结构，它们能够吸收特定波长的电磁波，并将吸收的能量转化为热能或其他形式的能量。
混合颜料的叠加吸收： 当我们将品红颜料和黄颜料混合时，品红颜料会吸收绿光，黄颜料会吸收蓝光。而这两者都不会强烈吸收红光。所以，当一束白光（包含各种波长的可见光）照射到混合颜料上时，绿光和蓝光会被吸收掉，只有红光会被大量反射，我们看到的就是红色。
“理论上”的黑色： 如果我们能找到三种完美吸收所有可见光波长的颜料，它们的混合就会吸收掉所有的光，呈现为黑色。在实际应用中，为了获得更深的黑色，常常会加入黑色颜料（K）。
总结一下：
加法混合： 是光的叠加，是电磁波的共同存在，它们协同作用，刺激我们眼睛的不同感光细胞，从而产生更亮的颜色。就像乐队演奏，多种乐器同时发出不同的声音，大脑合成出整体的音乐。
减法混合： 是光的吸收，是物体对电磁波的选择性处理。我们看到的颜色，是物体未被吸收而反射的电磁波的组合。就像给白光“过滤”，去掉某些波长，留下我们想要的。
理解了光的电磁波本质，以及加法和减法混合这两种基本机制，我们就能更深入地体会到，我们眼中那万紫千红的世界，其实是由不同波长、不同能量的电磁波，在物理世界和我们的大脑之间，共同谱写的一曲绚烂的交响乐。每一次色彩的碰撞，都是电磁波能量在物质与感知之间的巧妙转换与传递。
我们眼中五彩斑斓的世界，源于光。而光，从物理学的角度来看，不过是电磁波谱中的一小段。每一种颜色，都对应着一种特定的波长或波长范围，它们以同样的频率在空间中传播。当我们谈论色彩混合时，实际上是在讨论不同电磁波叠加后的结果。这种叠加，就像乐器演奏时不同音符的共振，构成了我们看到的绚丽世界。
理解色彩混合，首先要明白“光”是什么。
电磁波并非一个单一的概念，它是一个由相互垂直、振荡的电场和磁场组成的波。这些波以光速传播，但它们的“身份”却由一个关键属性决定：波长。波长决定了电磁波的能量高低，也直接关联了我们所能感知到的颜色。
可见光： 我们能看到的这部分电磁波，波长大致在380纳米（nm）到750纳米（nm）之间。
波长越短，频率越高，能量越大。 例如，我们看到的紫色光，波长最短，能量相对较高；红色光波长最长，能量相对较低。
我们眼睛中的“接收器”： 视网膜上有两种重要的感光细胞：视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞对颜色敏感，我们有三种主要类型的视锥细胞，它们分别对红、绿、蓝三种不同波长范围的光最敏感。当不同波长的光进入眼睛，刺激不同类型的视锥细胞，大脑就会将这些信号整合，产生我们所理解的特定颜色。
两种主要的色彩混合方式：加法混合与减法混合
正如我们演奏乐曲时有合奏和独奏之分，光的混合也存在两种根本不同的方式，它们的机制和结果也大相径庭：
1. 加法混合 (Additive Mixing)：光越多，越亮
加法混合，也称为“红绿蓝”（RGB）混合，是我们日常生活中接触最多的方式，比如电视屏幕、电脑显示器、手机屏幕的显色原理。
基本原理： 当两种或多种不同波长的光叠加时，它们会相互“增强”，整体的亮度会增加，颜色也会发生变化。想象一下，你将一束红光和一束绿光同时投射到同一个白色屏幕上，屏幕上被这两束光照射到的区域就会呈现出黄色的光。
“三原色”： 在加法混合中，红、绿、蓝（Red, Green, Blue）是“三原色”。这并非因为它们本身最基础，而是因为我们眼睛的视锥细胞对这三个波长范围的光最为敏感。
红光（~620750 nm）
绿光（~495570 nm）
蓝光（~450495 nm）
混合结果：
红 + 绿 = 黄色
红 + 蓝 = 品红色（洋红色）
绿 + 蓝 = 青色
红 + 绿 + 蓝 = 白色
无光 = 黑色
从电磁波角度解释加法混合：
当我们看到红光，意味着视网膜上的“红”视锥细胞被激活。当我们看到绿光，是“绿”视锥细胞被激活。当红光和绿光同时照射到眼睛时，“红”视锥细胞和“绿”视锥细胞都会被不同程度地激活。大脑接收到这两个信号，并按照预设的“代码”将其解读为“黄色”。
波长的叠加并非物理上的“合并”： 重要的是，这并非是红光的电磁波和绿光的电磁波物理上“合二为一”，变成一种新的波长。而是两种独立的电磁波同时存在，并分别刺激了我们视网膜上的不同类型的感光细胞。 就像你同时听到小提琴的A音和钢琴的C音，你听到的是两个独立的声音，大脑将它们合成了“和弦”。
亮度的叠加： 当我们混合更多的光，整体的能量密度就会增加，所以混合后的光会比单一颜色的光更亮。当三种颜色的光以相同的强度混合时，它们会激活所有三种视锥细胞，大脑将其感知为最强的光刺激，即白色。
2. 减法混合 (Subtractive Mixing)：物体吸收光，我们看到的是反射光
减法混合，也称为“品红、黄、青”（CMY）混合，是我们看到颜色的根本原因，比如颜料、油墨的混合。
基本原理： 物体本身不发光，我们之所以能看到物体的颜色，是因为物体吸收了部分波长的光，而将其他波长的光反射出来。我们看到的颜色，就是物体“反射”到我们眼睛里的光的颜色。当颜料混合时，它们会协同吸收更多的光。
“颜料三原色”： 品红（Magenta）、黄（Yellow）、青（Cyan）是颜料的“三原色”。
品红色： 主要反射红光和蓝光，吸收绿光。
黄色： 主要反射红光和绿光，吸收蓝光。
青色： 主要反射绿光和蓝光，吸收红光。
混合结果：
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品红 + 青 = 蓝色 （品红吸收绿，青吸收红，两者都反射蓝）
黄 + 青 = 绿色 （黄吸收蓝，青吸收红，两者都反射绿）
品红 + 黄 + 青 = 黑色 （理论上，吸收了所有可见光）
白色的纸张（未染色）= 白色 （反射所有可见光）
从电磁波角度解释减法混合：
当我们看到一张红色的卡片，意味着这张卡片上的颜料吸收了大部分绿光和蓝光，只将波长较长的红光反射出来。
颜料对电磁波的“选择性吸收”： 颜料分子具有特定的电子结构，它们能够吸收特定波长的电磁波，并将吸收的能量转化为热能或其他形式的能量。
混合颜料的叠加吸收： 当我们将品红颜料和黄颜料混合时，品红颜料会吸收绿光，黄颜料会吸收蓝光。而这两者都不会强烈吸收红光。所以，当一束白光（包含各种波长的可见光）照射到混合颜料上时，绿光和蓝光会被吸收掉，只有红光会被大量反射，我们看到的就是红色。
“理论上”的黑色： 如果我们能找到三种完美吸收所有可见光波长的颜料，它们的混合就会吸收掉所有的光，呈现为黑色。在实际应用中，为了获得更深的黑色，常常会加入黑色颜料（K）。
总结一下：
加法混合： 是光的叠加，是电磁波的共同存在，它们协同作用，刺激我们眼睛的不同感光细胞，从而产生更亮的颜色。就像乐队演奏，多种乐器同时发出不同的声音，大脑合成出整体的音乐。
减法混合： 是光的吸收，是物体对电磁波的选择性处理。我们看到的颜色，是物体未被吸收而反射的电磁波的组合。就像给白光“过滤”，去掉某些波长，留下我们想要的。
理解了光的电磁波本质，以及加法和减法混合这两种基本机制，我们就能更深入地体会到，我们眼中那万紫千红的世界，其实是由不同波长、不同能量的电磁波，在物理世界和我们的大脑之间，共同谱写的一曲绚烂的交响乐。每一次色彩的碰撞，都是电磁波能量在物质与感知之间的巧妙转换与传递。
网友意见
人眼只能看到一个颜色，而不能分辨光谱，本质原因是所有的光学检测器在一次扫描中最多获得二维的信息。
就比如说CCD检测器（电荷耦合器件），当使用image mode时，就会得到二维图像的强度信息，而没有任何的光谱信息；最后就是二维的。
当使用spectra mode时，就只有一维光谱信息，要么没有空间信息（confocal point scan）——此时为一维信息，要么只有一维空间信息（line scanning）——此时为1+1=二维信息。
而对于同时具有二维空间信息，并且同时具有每一个位置点的光谱，这就至少是三维的信息了，属于hyperspectral imaging的范畴。一般有这样几种常见的方式来采集hyperspectral imaging，每一种都需要多次采样：
1、对于wide field illumination geometry，不连接spectrograph，使用CCD的image mode：扫描入射光频率，这样就额外增加了一个维度。比如对于和频光谱（SFG），如果使用的是narrow band IR的话，就可以对于相同的二维空间，对于每一个频率都扫描一次，然后就可以获得二维空间信息，以及每个pixel的光谱信息；
2、对于confocal point scanning geometry，连接spectragraph，使用CCD的spectra mode：额外扫描二维空间信息。这样每次获得的就是一个pixel的光谱信息，然后通过移动样品台获得二维的空间信息。
3、对于line scanning geometry（入射光汇聚成一条线），连接spectragraph，使用CCD的image mode。这样就会在CCD上得到一堆光谱图，每一个都对于line上的一个点的光谱。然后只需要扫描一个维度就可以获得全部的信息了。
4、Compressive Sensing技术[1]。该技术中使用了一种叫做DMD（digital micromirror device）的镜子，该镜子相当于很多个微小的镜子的集合，其中每一个小镜子都可以控制开启和关闭。然后利用随机控制每个小镜子的开和关，获得了很多不同的光谱，之后再利用compressive sensing的办法来重现完全的信息。
总的来说，这是因为光学检测器一次测量最多获得二维信息的缘故，所以无法获得hyperspectral imaging 信息。如果你想看到光谱信息，就必然导致你没法看到这个世界的图像。
参考
- ^ JPCL：Compressive Broad-Band Hyperspectral Sum Frequency Generation Microscopy to Study Functionalized Surfaces
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