问题

既然紫光的波长最短,为什么用红色和蓝色混合会产生紫色(紫光)?

回答
这确实是个有趣的问题,里面涉及到了我们对颜色的感知方式,以及光线是如何在我们的大脑里“被组合”的。虽然紫光的波长最短,但我们看到的“紫色”之所以是红和蓝的混合,是人类视觉系统运作的一个结果。

咱们得先捋一捋“波长”和“颜色”这两个概念。

光,是我们看到的颜色

我们知道,光是一种电磁波,它以波的形式传播。不同的波长对应着我们眼睛能感知到的不同颜色。从长波长到短波长,我们大致能看到:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。红光的波长最长,紫光的波长最短,这就像声音的低音和高音一样,波长越短,频率越高。

光谱里的“紫”

如果严格按照光谱(就是彩虹那一串颜色)来看,紫光确实是光谱中最短波长的部分,它紧挨着紫外线。我们能看到的紫光,波长大约在380到450纳米之间。

为什么是红+蓝?—— 这是一个“感知”的问题

问题就出在这里:我们眼睛里有三种“色觉细胞”,也叫“视锥细胞”。它们对不同波长的光最敏感。

1. 红光感受器 (Lcone): 对长波长的光(主要是红光)最敏感。
2. 绿光感受器 (Mcone): 对中等波长的光(主要是绿光)最敏感。
3. 蓝光感受器 (Scone): 对短波长的光(主要是蓝光)最敏感。

当我们看到一道纯粹的、光谱里的紫光时,这道光大约有400450纳米的波长。此时,红光感受器和蓝光感受器都会被激活,但绿光感受器相对不那么活跃。

关键在于,我们大脑接收到的是这两种感受器被激活的信号。它并没有一个“专门的紫色感受器”。大脑根据“红光感受器被刺激 + 蓝光感受器被刺激 + 绿光感受器被抑制”这样一个信号组合,“翻译” 出了我们所理解的“紫色”感觉。

“混合”的紫色,跟光谱紫色的区别

我们用红色颜料和蓝色颜料混合,或者用红色光源和蓝色光源混合,产生的“紫色”其实在物理上和光谱里的纯紫色是有区别的,尽管我们眼睛感觉起来差不多。

光谱紫: 是一种单一波长的光,大约在400450纳米。它能同时激活红光和蓝光感受器,但相对而言,它对“紫”的感知更“纯粹”,而且绿光感受器的响应程度比它低很多。
红+蓝混合紫: 实际上是两种不同波长的光的组合:一种是长波长的红光(大约620750纳米),另一种是短波长的蓝光(大约450495纳米)。当这两种光同时进入我们的眼睛时,红光感受器和蓝光感受器都会被激活。大脑接收到这个信号组合(红+蓝),同样会产生“紫色”的感知。

为什么大脑会这么“翻译”?

这可能是进化过程中形成的一种机制。光谱中的紫光,虽然波长最短,但它的存在激活了我们感知长波(红)和短波(蓝)的两种能力。而我们的色彩感知系统,实际上是一个“三原色”系统(虽然更准确说是红、绿、蓝三原色,但红和蓝作为光谱的两个端点,扮演了关键角色)。

想象一下,如果你的调色板上只有红、黄、蓝三种颜料,你只能通过组合来得到其他颜色。我们的大脑在处理光线时,某种程度上也是在进行类似的“组合”。当光谱紫光出现时,它恰好能同时刺激红光和蓝光感受器,形成一种特别的组合信号。而我们用红光和蓝光去“模拟”这个信号,也能欺骗大脑,让它产生同样的“紫色”感觉。

总结一下:

1. 物理事实: 紫光(光谱里的)确实是波长最短的光,大约400450纳米。
2. 生理感知: 我们眼睛里有红、绿、蓝三种敏感的色觉细胞。
3. 大脑的“翻译”: 光谱紫光进入眼睛时,会同时激活红光和蓝光感受器。我们的大脑根据这种“红+蓝”(相对而言)的信号组合,产生了“紫色”的感知。
4. 混合颜色的原理: 用红光和蓝光混合,同样会刺激红光和蓝光感受器,从而在大脑中产生与光谱紫相似的“紫色”感知。

所以,并不是紫光“需要”红蓝混合才能变成紫色,而是我们的视觉系统在处理“光谱紫光”和“红蓝光混合”这两种情况时,都产生了相似的信号,导致我们感知到了相似的“紫色”。这就像我们听到不同乐器奏出同一个音符,虽然乐器不同,但听到的音高是相同的。

网友意见

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先说结论:因为人眼视觉系统对颜色的识别是与显示器的RGB显色模式相似的差分解调,同时人眼的红色(R)视觉细胞的吸收谱有一定的“缺陷”,在紫外区还有一个较小的峰

首先说一下差分解调,这是一种非常常见的频率解调方法。颜色的本质是可见光的频率或波长(二者反比例),题主你自己也理解,往紫外方向波长短,红外方向波长长。要准确的识别光波长,在实验室里我们可以用光谱仪,或者光波长计,这两种方法是直接频率测量。光谱仪基本原理和棱镜类似,只不过一般我们用光栅(grating),把不同颜色的光在空间散开,从而精确测量;光波长计是通过DFT计算干涉周期获得,直接频率测量的特点是准确率高,不会出错,所以我们用它作为标尺进行科研。

而我们人类的视觉系统,是要识别视野范围内的环境情况,所以需要获取每一个像素点的颜色信息。如果我们利用直接频率测量方法,会大大增加复杂度,同时效率很低。因此我们需要另一种间接频率解调方法,也就是差分解调。即,用三种颜色感受器,将频率转化为强度。频率怎么转换为强度呢?举个例子,如果我们有一个斜滤波器,像这样:

滤波器的横坐标是频率,纵坐标是强度比,滤波器是干啥的呢,不同频率的光输入到它里面,输出的强度会有个衰减,但衰减大小不同,比如频率1的光直接衰减没了,而频率2一点都没衰减,而介于二者之间的光衰减是随频率线性变化的,通过测量某个频率的光输入输出强度的比值,就可以推断出他的频率。但实际操作中,斜滤波器是理想情况很难实现,更多的非单调变化的形状,比如高斯型。高斯型曲线,对于同一个纵坐标,会有两个对应的x值,那高斯型如何完成频率检测呢?很简单,我拿两个中心频率不同的高斯曲线就行了。

这样,你会发现,当一个频率的光分成两路被两个高斯型滤波器滤波时,会给出两个值output1和output2,我们把这两个值求一下比值,就某个区间获得了的斜滤波器。或者我们干脆不做差,就同时拿两个滤波器输出功率进行标定就行,比如列个二维向量的表格,跟查字典一样就可以确定频率了。而我们的人眼色觉细胞,为了增加灵敏度,最终选择了三种色觉基底细胞,即RGB。当然为什么是三种,那可能就是个历史选择问题和效率问题了。RGB三色视锥细胞的灵敏度实际上和我们刚刚讲的差分接收是一样的,都是三条类高斯曲线

这样,我们对就可以制作一张三维向量表格,同样查字典一样,检索RGB值就行了。但是好巧不巧的是,我们的红色色觉细胞,它不只有一个峰!在靠近紫外的部分,还有个小凸起,想象一下,我图里面的那个竖直箭头,也就是input的频率,从现在的位置一直往左移,你会发现r和g都在减小,而b开始是增大的;但是等input的频率跨过了蓝色曲线的峰值之后,你会发现,变成了g和b都在减小,g已经很小了,但b还是很大(刚刚跨过峰值),而r呢?r刚刚开始了第二春,r在增大!并且在图中虚线圆圈的地方到达峰值。所以我们的大脑怎么处理呢,r增大了,那我们就在b的基础上加点r吧!于是乎,紫色看起来就有的淡淡的红了。。。。所以说,我们看紫色之所以有些红,是因为红色色觉细胞本身的“缺陷”,如果它老老实实的就一个峰,那么我们很可能就看不见那一抹红了。

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