睜開眼外面變白了,然而我卻陷入了思考:眼前的白真的是白嗎?_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2021-11-08 13:02
原創:中科院物理所
初雪來啦!!!
昨天晚上北京初雪的消息席捲而來,不知道你有沒有加入到朋友圈攝影大賽中呢?

物理所凝聚園雪景
每年的初雪都帶着一些浪漫的氣息,給大家帶來了冬季的喜悦,然而降温和初雪終究是比暖氣來早了一步…

看着漫天純白無暇的初雪…你不知道的是純白背後隱藏的——紅橙黃綠藍靛紫!
人眼:我靠混合
我們都從小學起就都知道,白色光是所有單色光混合疊加的結果,那麼人眼是如何識別單色光之間的疊加的呢?
要想弄搞清楚顏色的問題,首先讓我們一起回顧一下小學知識——顏色是什麼?

圖片來源:pixabay
實際上,在我們常見的電磁波譜中,不同波長的光不僅對應着不同的能量,也對應着不同的顏色,例如532 nm對應着綠色,而440 nm則對應着藍色。
在電磁波譜中只有一小部分波長的光可以被人眼識別,被稱為可見光波譜,大約在400 nm到780 nm之間。

圖片來源:網絡
那麼人眼是如何識別不同顏色的呢?人眼視網膜中的視錐細胞具備感知色彩的能力,即對不同顏色(波長)光子的感知能力不同。
視錐細胞分為3種,**分別包含光譜吸收峯在光譜黃、綠、藍區的視色素,**這種對顏色的感知能力由視錐細胞中視蛋白的特異性所決定。

圖片來源:維基百科
上圖中,白色曲線代表人眼對不同顏色光的感知能力,縱座標的值越高,表示人眼對該點橫座標所對應波長的光越敏感。
從圖中可以清晰的看出,S、M、L三條曲線分別對應着藍色、綠色和紅色。
嗯???這不是代表着我們只能看到紅、綠、藍三種顏色?那我們看到的其他顏色都是假的嗎?!

別急別急,當然不是假的。我們看到各種各樣豐富的顏色其實是紅、綠、藍三種視錐細胞對某種顏色光混色的結果。
事實上,我們在生活中接觸的單色光是很少的,類似於焰色反應、激光等才會產生單色光。

焰色反應 | 圖片來源:網絡
顯示器:我們不僅靠混合
既然人眼是通過紅、綠、藍三種視錐細胞感光、混色從而產生對眾多顏色的感知,那麼充斥在我們身邊的數碼產品是如何進行顯色的呢?
在瞭解顯色原理之前,讓我們先一起來認識一下屏幕像素(Pixel)——一個像素就是一個顯像點,橫向、縱向各若干像素點排列佔據整個屏幕。
每個像素點都包含紅、綠、藍三個子像素,三個子像素參與顯示的量不同,像素呈現出的顏色就不同。
當不同像素點按照一定的規律呈現不同顏色時,整個屏幕上就出現了五花八門的圖像。

像素點 | 圖片來源:pixabay
像素點非常微小,並且非常密集,超過人眼視距在正常的範圍的分辨能力。因此,我們就可以在顯示屏上看到各種各樣色彩豐富的畫面。
儘管都是通過三原色原理進行混色,但我們常見的液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)和有機發光半導體OLED(Organic Light-emitting Diode)最小組成單元的發光原理卻是不一樣的。

液晶顯示屏LCD為多層結構,其發光原理是通過在顯示面板最下方的一層背光面板發射白光,光線透過顯示面板的多層結構,包括下偏光板、薄膜電晶體、彩色濾光片、上偏光板等,背光面板發射的白光照亮整個顯示面板實現發光和顯色。
在液晶顯示器LCD中,同上文介紹的一樣,**每一個物理像素點,由紅、綠、藍(RGB)三個顏色的子像素組成。**如何控制三個子像素來實現顯色就是最核心的技術。

液晶顯示器LCD的基本結構 | 圖片來源【1】
**RGB 3個子像素都是可以被單獨控制的透光單元,**雖然子像素分別負責RGB 3三種顏色的顯色程度,但其本身卻是不帶顏色的,而是通過最外層RGB三種顏色的塗層,被背光面板發射出的白光照亮而顯示出顏色。
**通過控制RGB子像素的進光量,可以使紅、綠、藍三基色分別以不同亮度的組合,類似於三個獨立變量的疊加,**通過設置合理的像素大小來配合人眼的明視距離,可以達到人眼無法分辨子像素的程度,組合出特定顏色的像素點。
例如,當一個像素的3個子像素中,對綠色光透過率為100%,其餘色光的透過率均為0%,該像素點就會呈現為綠色;若3個子像素對紅、綠、藍三種色光的透過率為100%,該像素點就會呈現為白色,也就是我們看到純潔無暇的初雪色啦~
而對於有機發光半導體OLED(Organic Light-emitting Diode),其發光原理為:在外加電壓的驅動下,空穴和電子分別從正和負極注入到有機材料中。
在有機層中空穴與電子會發生複合,從而釋放出能量,將能量傳遞給有機發光物質的分子使其從基態躍遷到激發態。
由於激發態不穩定,有機材料中的受激分子很容易就會從激發態回到基態,輻射躍遷而產生髮光現象。

電子空穴複合 | 圖片來源:網絡
OLED不同於LCD,並不需要一個專門的背光面板用於發光,而是通過有機發光物質的分子輻射躍遷而發光。
由於OLED這樣的特性,它在顯示黑色時更具優勢,並不需要濾光,可以顯現真正的黑色。
有機發光半導體OLED的顯色與有機材料本身有着密不可分的關係,最重要的就是有機材料的熒光特性。
如果對客發光體的添加量比較少,並添加較大含量的主發光體,可以將發光效率提升,並且其發出的色光可以覆蓋整個可見光波段。
目前,有機發光半導體OLED的顯色方式有三種思路:第一,藉助白髮光層,添加濾色片,這是顯色最方便的一種方法;第二,藉助有機發光材料本身的發光特性,設計三層發光層,分別為——紅色、綠色和藍色,實現混色顯色;第三,應用藍色有機發光材料,再通過顏色轉換材料,即可顯色。
色彩模式:我還是混合
除了顯示屏這類硬件之外,算法又是怎麼處理顏色的呢?
我們最熟悉的色彩模式就是RGB和CMYK了,不同的色彩模式代表着不同的成色原理。顯示器、投影儀、掃描儀等主要依靠色光直接混合生成色彩,而打印機、印刷機則靠使用顏料混合生成顏色。

印刷製品 | 圖片來源:pixabay
這説明對於不同類型的顏色設備,需要使用不同的色彩模式來進行適配。
最普遍的RGB模式(R=紅色,G=綠色,B=藍色),與人眼識色和顯示屏顯色的思路相同,算法同樣也是通過混合紅、綠、藍這三種顏色來進行混合,獲得全綵。

色光三原色 | 圖片來源:pixabay
通過對R、G、B這三個分量進行賦值,即可描述出任一顏色。
計算機定義顏色時R、G、 B三種成分的取值範圍是0-255,0表示沒有刺激量,255表示刺激量達最大值。
類似於液晶顯示屏LCD的混色原理,例如:R=200,G=10,B=13時,大概對應為紅色,當RGB均為255時,對應為白色,當RGB均為0時,對應於黑色。
不同RGB值混色顯色很好理解,但當RGB 3個值均相等時,該如何顯色呢?
為了更好的理解,我們先來了解一下色彩的三個屬性——色相,飽和度,明度。
Adobe對色相官方的解釋是:反射自物體或投射自物體的顏色。在 0 到 360°的標準色輪上,按位置度量色相。在通常的使用中,色相由顏色名稱標識,如紅色、橙色或綠色。簡單來説,色相就是指不同的顏色。
而飽和度是指顏色的強度或純度(有時稱為色度)。飽和度表示色相中灰色分量所佔的比例,它使用從 0%(灰色)至 100%(完全飽和)的百分比來度量。在標準色輪上,飽和度從中心到邊緣遞增。飽和度也可以理解為色彩的純度。
最後,亮度是顏色的相對明暗程度,通常使用從 0%(黑色)至 100%(白色)的百分比來度量。
當RGB 3個值處於0-255之間且相等時,則不顯示任何色相,分別對應於從白色到黑色之間不同的灰度。

不同灰度 | 圖片來源【6】
值得注意的是,RGB模式的媒介是發光物體,也就是適用於我們日常生活中使用的大部分電子產品。
那麼對於印刷機這一類需要顏料混色獲得全綵的設備,採用的是我們熟悉的另一種色彩模式——CMYK。
前文提到的RGB為光的三原色,而油墨也同樣具有三種原色,即青、品紅、黃(青色,品紅,黃色),通過不同的配比產生不同的顏色。
原來小時候學美術學到的三原色是紅黃藍,而長大後聽到的三原色卻是紅綠藍,這兩者的區別是顏料的三原色與光的三原色。
與RGB不同的是,CMY不是以0-255的數值來劃分,而是按油墨的濃度來劃分,即0-100%。CMY就是將三種油墨按照不同濃度混合,獲得想要的顏色。

圖片來源:pixabay
不同於顯示屏,印刷品的載體是紙張,本身並不會發光,而是通過外界的光反射在紙上,具有一定的吸收和漫反射,而後再回到我們的眼睛裏,從而識別出顏色。
當晚上週圍光線很微弱的時候,我們也就看不清印刷品的顏色了,這是印刷機等設備需要和顯示屏區分色彩模式的重要原因。
瞭解了CMY,那麼K去哪兒了?
再CMY三種顏色混合想要獲得黑色時,也是三種顏色均為100%,但在實際應用中這樣混色的效果比較差,所以加入了單獨的黑色油墨,也就是缺失的K啦。
怎麼樣,讀到這裏不僅回味了昨晚的初雪,還把顏色大軍搞得明明白白,物理人眼中的初雪,可沒有純白那麼簡單!
參考文獻
[1]趙彥禮. 藍相液晶顯示器電極結構的優化[D].河北工業大學,2015.
[2]徐恆睿. 銀納米線網格的製備及其在OLED中的應用研究[D].電子科技大學,2021.
[3]楊金玲.顯示技術的TFT-LCD與OLED剖析[J].電子元器件與信息技術,2020,4(09):6-7.
[4]王雄飛.TFT-LCD液晶顯示技術與應用[J].電子世界,2020(14):206.
[5]https://helpx.adobe.com/cn/photoshop/using/color.html
[6]https://zhuanlan.zhihu.com/p/40347096