二、光和颜色

　　光谱(任何光源发射出的光线，都是由各种色光组成的，各种色光的总合就叫“光谱”)的范围是很宽的，但是可见光只是整个光谱范围中极窄的一部分。这里主要讨论涉及可见光方面的一些情况。 

　　（一）、什么是（可见）光? 

　　光是从发光体(光源)中发射出来的一种电磁波。可见光是电磁波中能被人眼所感受的部分。简单地说，光是能够引起视觉的物质。光在传播中，有反射、折射、衍射和干涉等现象。 

　　光源一般分自然光源及人造光源两大类。 

　　在自然界，有的东西本身会发光(如太阳)，有的东西本身不会发光(如月亮)。太阳是自然光源中最大的光源。但太阳这个光源对地球来说也不是恒定不变的，它会随距离(如经纬度，季节等)及气候(晴、阴和云层厚薄等)而有变化。 

　　人造光源可随激发的形式而分成两类，即冷光及热光。利用热能激发的光源叫热光源(如白炽灯、弧光灯等)。利用化学能、光能或电能激发的光源叫冷光源(如荧光灯)等。 

　　不同的光源，由于它们的发光强(亮)度和光谱——能量的分布等都不同，故照射到同一个物体上时，物体反射(显示)的颜色也是不同的。 

　　在对颜色的研究工作中，光源的稳定与统一是非常重要的，如果没有这种条件，就会使颜色的研究工作无法进行。一般在凭肉眼比色的工作中，大多采用荧光灯或利用北半天的光(所谓北半天的光，就是指在没有太阳光直射的屋子内的光线，即直接阳光被北面天空大气层散射后的光线，不含直射的太阳光，其中三原色光的百分比率比较均匀，故光色白洁，其色温度约为6500。K。对居住在北半球上的人们来说，凭肉眼比色时，大多采(利)用此种光线作为自然光源。CIE规定的光源C与此光源接近)。 
    工业上的测色仪大多采用C光源，但C光源中缺乏日光中的紫外光部分，故不能用来对荧光物质进行测色工作。 

　　以电磁波形式辐射的可见光，其波长范围约为400—700nm(即4，000—7，000埃)。根据爱因斯坦光子学说，光是既有波动性又有粒子性的光子流，每一光子的能量是： 

　　S＝hc／λ 

　　式中：s=光子的能量； 

　　h=普朗克常数； 

　　c=光速； 

　　λ=波长。 

　　光除了具有波动性外，还有粒子性，即所谓量子特性。无论可见光或不可见光，都好像是一种所谓“光子”的极微小的发光微粒的流动。如果从光的波动观点看，光有波的传播方向；如果从光的量子观点看，则光有着发光微粒——光子的运动方向。 

　　根据量子理论，光线的不同色彩是由于光子具有不同的能量而引起的。每一个光子所负荷的最小能量，就叫做“能量子”(光量子理论的名称由此而来)，它随振动时的光的波长而不同。光量子的能是和波长成反比的，也就是说光的波长愈长，则从量子理论来看，这种光的光子所具有的能量就愈少。例如波长为2000埃的紫外线，它是由一种光子流所组成的，这种光子流中每一个光子所负荷的能量，比波长为10，000埃的红外线的光子所具有的能量大五倍。 

　　光波的波长(波峰与波峰之间的距离谓之波长)通常是用万分之一，千万分之一，甚至是用亿分之一厘米去量度的。万分之一厘米叫做微米(μ)，国际制单位记为μm，千万分之一厘米叫做毫微米(mμ)，国际制单位记为nm，最小的单位亿分之一厘米叫做埃(A°)。如果用埃来表示可见光线光谱中光波的波长，则最长的光波(红色光线)的波长约是7，000埃，最短的光波(紫色光线)的波长约是4000埃。 

　　有关光波波长量度单位的换算关系，可见下述： 

　　1微米=10-6m=10-4cm=10-3mm 

　　1毫微米=10-9m=10-7cm=10-6mm=10-3μm 

　　1埃=10-10m=10-8cm=10-7mm=1／10nm，10A°=lnm 

　　（二）什么是颜色? 

　　根据美国光学协会(Optical Society of America—OSA)的定义，颜色是除了空间和暂时不均匀性以外的光的特性。 

　　颜色属于心理物理学的范畴，是一种物理现象刺激的生理及心理感觉。颜色是在光照射下可以感觉到的东西。没有光，颜色也就不存在了，所以，颜色是光对视觉的物理感觉作用，是光的一种特征。它是由各种不同波长的光形成的。 

　　颜色，也可以说是客观存在的物体(发光体或非发光体)的一种光学特性，它以一定波长或某种复合波长的光射人人眼，刺激了人眼的视网膜而引起人的感觉。由于波长不同，光能量也不同，所以对人眼视网膜产生的刺激也就不同，从而就形成了不同的颜色感觉。又由于同一波长的光，其光量不同，能量也不同，产生刺激的程度也不同，从而就形成了同一种颜色就有深，浅(浓，淡)之分。 

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　　至此，光和颜色的关系，就有了一个基本概念。它们之间的关系，还可从太阳光通过三棱镜后分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色光带来说明(雨后天空出现彩虹也是这个道理)。 

　　为什么白光通过三棱镜后会分解成这样的光谱呢？这是因为光在玻璃中传播，比在空气中要慢一些。各种颜色的光的波长是不同的，波长不同的光在三棱镜中的折射率也是不同的，折射率不同，偏转也就不同(如长波长的红光偏转得少，短波长的紫光偏转得多)。所以，如果通过三棱镜的光线只有一种波长，那末，它就呈现一种颜色，如果通过三棱镜的光线中含有各种波长，那末，它就会被分解成各种颜色。 

　　各种波长不同的可见光，用眼睛来区别时就是各种不同的颜色。眼睛不能直接辨别出白色光线中的七种颜色，通过三棱镜把它们分解开来后，才使人们辨别清楚。 

　　在透明的介质中，各种色光折射率不同的现象称为色散。一般讲，波长愈长，折射率就愈小。 

　　利用色散现象，可以把一个光源的光分解成为光谱，从光谱就可以测定波长。所以色散观象不仅说明光有波动性，而且可以用它来测定光波的波长。 

　　光的干涉作用(例如肥皂泡呈现的色彩)和衍射作用(如光穿过光栅后就不再依直线前进，各种不同波长的光就会向不同的方向衍射)均可使光起分解作用； 

　　那么是不是只有分解作用等才能产生颜色呢了不是的。物体的颜色就不是由光的分解而产生的。而是物体对光进行选择性吸收和选择性反射的结果。 

　　所谓物体的颜色，就是指物体改变照射在其上的光的颜色的能力。 

　　当电磁波照射在物体上时，就有可能发生三种情况，即透射、反射和吸收，或是三者之间的任何组合形式。一个物体在日光下呈现红色，是因为它吸收了可见光谱中主要的短波长而给观察者反射或透射了剩下的部分之故。吸收的光能一般则以热的形式再发射出来。

　　任何一种物体对于光的反应是不同的。例如白色物质(体)是由于完全反射了投射在其上的太阳光的缘故。黑色物质(体)是由于完全吸收了投射在其上的太阳光的缘故。有的物质(体)吸收所有波长的光而只反射红色波长的光，则这个物质(体)我们看起来就是红色的。有的物质(体)吸收所有波长的光而只反射蓝色波长的光，则这个物质(体)我们看起来就是蓝色的，等等。 

　　由于各种物质(体)对于波长不同的光的反射和吸收是不同的，所以就构成了五颜六色的世界。 

　　但是，物质(体)的颜色只有在全光谱光的情况下，才能真实地反映出它的颜色。否则，它就不可能反映出物质(体)颜色的本来面貌。例如在黄焰的石蜡灯光下，青色物质(体)看起来就成了黑的，这是因为石蜡灯光谱中不存在波长短的光波。又如在水银蒸汽灯(太阳灯)光下，红色物质(体)看起来也成了黑的，这是因为水银蒸汽灯中缺少红色光波的缘故，等等。 

　　我们常说的灯下不观色(不辨色)，就是这个原因。 

　　太阳光的光谱虽然比较全，它发射出来时也是不变的，但是因为被散射等原因，所以到达地球上时就不是恒定不变的了。例如在高山顶上的太阳光比地平面上的太阳光就含有比较多的蓝色。太阳快要落山的时候，光线里就富有橙色和红色等等。 

　　（三）颜色的分类 

　　与颜料的分类相似，颜色一般可以分为非彩色和彩色两大类。所以，颜色是非彩色和彩色的总称。非彩色是指白色、黑色以及在白色和黑色之间的各种深浅不同的灰色。它们可以排成一个系列，由白色、浅灰、中灰、深灰而至黑色，这个系列就叫白、黑系列。这个由白到黑的系列变化可以用一条垂直线来表示，一端是纯白，另一端是纯黑，中间有各种过渡的灰色。纯白是理想的完全反射的物体，其光反射率等于1；纯黑是理想的无反射的物体，其光反射率等于0。在现实生活中，是不存在纯白和纯黑物体的。氧化镁只能接近纯白，黑绒接近纯黑。白黑系列代表物体的光反射率的变化，在视觉上是明(亮)度的变化。愈接近白色，则明度愈高，反之，愈接近黑色，则明度愈低。 

　　一般地说，当物体表面对可见光谱所有波长的辐射的反射率都在80－90％以上时，该物体应为白色，并有很高的明度，而当其反射率都在4％以下时，该物体应为黑色，它只有很低的明度。 

　　白色、黑色以及在这二者之间的各种灰色(物体)对光谱中各种波长的反射没有选择性，它们是中性色。 

　　对于光来说，非彩色的白黑变化相应于白光的亮度变化，当白光的亮度非常高时，人眼就感觉到是白色的，当光的亮度很低时，就感觉到发暗或发灰，无光时则是黑色的。 

　　明度是人眼对物体的明亮感觉，受视觉感受(应)性和过去经验的影响。一般地说，明度的变化相应于亮度的变化。当物体表面或光源的亮度愈高时，人感觉到的明度也愈高。但二者的关系并不完全固定。若亮度的微小增减达不到人眼的分辨限度肘，人眼就感觉不出明度的变化。这时亮度虽有变化而明度却不变。 

　　显然，彩色是指白黑系列以外的各种颜色。 

　　彩色有三种基本特(属)性，即色相、明(亮)度和饱和度。关于它们的基本概念可见后面的“孟塞尔(颜色)系统”和“CIE颜色系统”。 

　　可以看出，非彩色只有明度上的差别，而没有色相和饱和度这两种特性。彩色则不然，它们除了有明度上的差别外，尚有色相和饱和度方面的不同。