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当色彩照进现实——RGB LED 驱动及控制(5)

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发表于 2023-12-18 23:04:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

U:骗子,你是骗子!
I:呃……不,不是我欺骗了你,是你那自以为聪明的脑袋骗了你。
U:从何说起?!
I:从光波说起……

色散现象

我们早在小学的自然课程就学过可以用三菱镜将阳光变为彩虹,这是光的色散现象。


三棱镜的色散作用

现在的物理学说支持光的波粒二象性——光既具有粒子性,是光子;又具有波动性,是一种电磁波。

光在介质中的传播速度:$v = \frac c n$,n 为介质的折射率。光在不同介质中传输,由于光子与原子-电子系统相互作用,速度会发生变化。光在介质中的传播速度:$v = \frac λ T = λ \cdot f$ 。

不同光的频率是不同且固定不变的,然而从这两个基本公式只能看出不同介质对同一种光的折射率与光的波长成反比,还得不出光的频率与介质的折射率之间的关系。

折射率与介电常数的关系:$n = \sqrt{ε \cdot μ}$ 。对于光的介质来说磁导率 μ 约等于 1 ,介电常数 ε 与光的频率相关,这种关系不是简单的正比关系。对于三棱镜来说,在可见光波段的表现就是频率越大介电常数越大,折射率就越大。光线从空气到三棱镜,再从三棱镜到空气,由于玻璃对不同频率的光的折射率不同,于是就发生了色散现象。

阳光赐予了大千世界的多彩多姿,他发出的光的光谱是连续的。


太阳光谱

色觉原理

人眼是一套高度复杂的精密光学系统,但从基本原理上来讲与透镜成像原理是一样的。


人眼结构图

人眼的视网膜有两种感光细胞,它们是可以感应颜色细节的视锥细胞(外段呈圆锥状),和仅感应明暗的视杆细胞(外段呈长杆状)。


光感受器细胞模式图


视网膜的主要细胞层次及其联系模式图

视杆细胞对光的敏感度较高,无色觉,只能区别明暗,在昏暗的环境下发挥作用;视锥细胞则相反,他们对光的敏感性较差,只能在较强光下被刺激而发挥作用,能分辨颜色和轮廓细节。

这两类细胞在视网膜上的分布是不均衡的,而且不同的物种是有差异的。例如鸡这种动物的视网膜上只有视锥细胞,所以在昏暗环境下视觉很差。这让我想起了小时候捉鸡的故事,他们一到晚上就扑腾到院子里的苹果树枝上睡觉去了。月黑风高夜,杀鸡放火天,这些家伙简直就是睁眼瞎,干脆就束翅待毙了。

视锥细胞因何能感知颜色?

颜色视觉是一种复杂的物理-心理现象,颜色的不同,主要是不同波长的光线作用于视网膜后在大脑引起的主观印象。光谱范围内波长长度只要有 3 - 5 nm 的增减,就可被视觉系统分辨为不同的颜色。

难道说每种颜色就需要一种感光细胞去识别它?这样的话,在 300 多纳米的可见光波段中,要用一百多种感光细胞去识别吗?奇特就奇特在自然造物,化繁为简。我们的视网膜中存在着红、绿、蓝三种感光色素,分布在不同的视锥细胞中。当介于这三种颜色之间的光线作用于视网膜时,这些光线可对与之相近颜色的感光细胞起不同程度的刺激作用,于是在中枢神经引起介于此二原色之间的其他颜色的感觉。这就是三原色生成多钟颜色的原理。


人视网膜中三种不同视锥细胞的光谱相对敏感性关系

如果想对我们的眼睛有更多的了解,可以继续阅读本文的参考文献。

结束语

通过对视锥细胞的认识,我们可以理解我们对颜色的识别原理。三原色的运用早在人类研究清楚色觉原理之前就已经开始了。不是因为你把三种颜色的光混合起来就能混出一种新的频率的光。而是使用了眼睛识别颜色机理的“漏洞”,没错,我们可以这么说。这种漏洞会不会在将来被造物修补?这就不好说了。所以,请不要说我们所点亮的 LED 的色彩是我骗你的,是你自己。宅家的男女们,不要总是盯着屏幕上的那些五彩缤纷的画面了,多出去走走,有着真实色彩的大千世界在户外等着你去欣赏呢!

参考文献

  1. 视觉器官 http://www.bbioo.com/lifesciences/44-221573-1.html

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