每隔一段時間，就會有那種「呀科學(xué)家制造了一種不存在的顏色？」、「紫色其實并不存在？」之類的話題傳播。

　　這個是洋紅色

　　為了方便討論這里面的原因進行電影放映計劃，我們眾籌了一臺投影儀，探索色彩的秘密。

　　本來我們應(yīng)該興高采烈開始互相交流觀影經(jīng)驗了，但是卻遇到很尷尬的事情……

　　投影實拍，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　01

　　如果你是 / 曾經(jīng)是 / 將要是一個好好學(xué)習(xí)天天向上(good good study，day day up)的社會主義好學(xué)生，那么每天上課的時候免不了要舉起手機對著老師的幻燈片拍拍拍，生怕錯過了什么重要細節(jié)。得益于現(xiàn)在手機相機優(yōu)秀的放大性能，手機很多時候也能給搶不到前排的同學(xué)帶來福音。

　　明明想要好好學(xué)習(xí)，卻發(fā)現(xiàn)講義被彩色條紋蓋了個嚴(yán)嚴(yán)實實…… 實際上，這里面就藏著我們?nèi)搜勰芸吹剑亲匀唤缰袇s「不存在」的顏色的秘密。

　　老師們的幻燈片在以前，還不是這樣子。

　　幻燈片投影儀

　　那時候的幻燈片，是現(xiàn)實中真的一張一張透明的彩色的片。這個話題說起來真的是「暴露年齡」。老師們把幻燈片放到載盤上，在載盤下方燈泡發(fā)出的光線穿過幻燈片，調(diào)節(jié)透鏡和平面鏡的位置，通過折射和反射，讓光線聚焦在和地面垂直的投影幕布上，成一個放大的像。因為燈泡的功率很大，所以通常在燈泡邊上還會有一個幫助其冷卻降溫的風(fēng)扇。一開機，這個風(fēng)扇也會呼呼呼地吹起來。

　　光線從透鏡的一側(cè)進入后，經(jīng)過折射平行光會焦于焦平面，再成像。通過調(diào)節(jié)物距，就可以移動像距，圖片來自 ello.co/marcrodriguez

　　長江后浪推前浪，前浪死在沙灘上……在個人電腦普及開來以后，就再也見不到上面這種最有「古典范」的幻燈片和投影儀了，取而代之的是演示文稿、辦公軟件和數(shù)碼投影儀?；脽羝@個名字也漸漸地出現(xiàn)的次數(shù)也少了，屁屁踢反而變多。雖然大家現(xiàn)在叫得多，但這個名字的誕生，卻是在洗澡的時候想出來的。產(chǎn)品負責(zé)人 Bob Gaskin 為了避免和市面上的其它產(chǎn)品重名，才取名為PowerPoint，卻沒想到成就了一個全球通用的名詞。

　　洗澡的名人，除了阿基米德你還能想到誰

　　02

　　在開始解答我們的標(biāo)題這個問題之前，我們需要先來嘮嘮投影儀的發(fā)展史——這真的是一部活脫脫的人類「視覺動物」進化史。雖然現(xiàn)在視覺動物聽上去是一個……不是很友好的詞，但人類在追求視覺和色彩的道路上那是真的狂奔不止。

　　科學(xué)史上對光和顏色之間的討論始于亞里士多德，但是真的要說出點門道來，還得等到我們的牛頓牛爵爺出面。不得不說牛頓真的是狠人——對自己狠的那種，為了研究不考慮任何后果。比如長時間用一只眼睛看太陽，直到把眼睛把所有白色的物體全都看成紅色。此時再閉上眼睛，反復(fù)之后，他發(fā)現(xiàn)眼前，會出現(xiàn)和太陽一樣的斑點，雖然他現(xiàn)在并沒有看著太陽。由此他得出結(jié)論，他的幻覺也能像太陽一樣充分激勵神經(jīng)。

　　牛頓在光學(xué)方面貢獻頗多，最為人所知的，其實還是用三棱柱進行分光實驗，圖片來自 @thesarahshow

　　當(dāng)然我們現(xiàn)在可以測出來神經(jīng)信號傳播的速度大約為 90m/s，通過產(chǎn)生視覺的時間差，我們可以判斷大腦在合成視覺信號的過程中起到了一定的作用，更何況三原色理論早已久經(jīng)考驗。因為人眼中存在著三種不同的波段敏感的細胞，就有人巧妙地設(shè)計了「色彩匹配實驗」?；驹碓谟谌搜鄄簧瞄L直接定量，但很擅長比較。如果只用兩種色光混合，始終會有顏色合成不出來，但是一旦使用三種顏色，人們就能混合出光譜里面的任意顏色。摸清楚了這一點，人類真的算是在成為「視覺動物」的歷史上邁出了一大步。

　　挑口紅顏色的過程，就和色彩匹配實驗差不多。需要比較的兩邊分別是參考的特定波長的光和三原色混合而成的光。圖片來自 @jessmac

　　正是在前輩們的探索下，我們終于找到了人類顏色感知的「基底」。因為人眼的構(gòu)造，想要得到各種顏色，我們并不需要產(chǎn)生特定波長的光線，只需要讓紅綠藍三種顏色以適當(dāng)?shù)谋壤旌显谝黄?，進入到人眼里，萬能的大腦就能把它們合成起來。雖然這里是輕描淡寫混合兩個字，但在人類的歷史上為了得到彩色，真的不是一件容易的事情。

　　03

　　混合的思路我們可以有兩種，一種是在時間上混合，一種則是在空間上混合。前者靠腦補，后者……還是靠腦補。當(dāng)然腦補的方式還是有點點區(qū)別的，前者生成顏色需要靠前面牛爵爺探索得到的延遲效應(yīng)，再讓大腦腦補，后者是讓大腦直接腦補。

　　所謂腦補，其實就是豬鼻子插大蒜。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　早期的投影儀思路非常地簡單粗暴，想要放映彩色內(nèi)容的話，需要使用三種光源和三個透鏡，叫做「三槍投影儀」，分別投射出紅、綠、藍三種顏色，而我們想要的影像，就通過這三種顏色的明淡來進行混合。因為放映過程中需要使用的燈泡功率都很高，把三組燈泡和透鏡系統(tǒng)組合起來，需要復(fù)雜的電纜。而且還有一點很要命，這個光學(xué)系統(tǒng)太過復(fù)雜，需要把三個畫面都要投到屏幕上的同一位置，對焦十分不方便。所以在最開始的時候發(fā)展非常受限。

　　三槍投影儀的樣子，不是紅綠燈。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　那么我們能不能夠把三種光源合成成一個呢？在「三槍投影儀」問世后，人們發(fā)展了被稱為「單槍投影儀」。在投影儀這個領(lǐng)域里面，「炮塔」，也就是光源越多，似乎并沒有什么用，反而憑空增加了系統(tǒng)的大小和調(diào)節(jié)的復(fù)雜度。

　　在「單槍投影儀」里面，按照混合不同顏色色光的思路的不同，大概分為 LCD 和 DLP 兩個流派。需要說明一下，這兩個流派其實現(xiàn)在發(fā)展了很多分支，不過太過專業(yè)的東西今天我們就不涉及了。

　　液晶顯示器的基本原理示意圖。通過調(diào)節(jié)電壓讓液晶分子在空間中的取向發(fā)生變化，從而控制不同顏色的光的多少，進而控制發(fā)光的顏色。圖片來源見右下角

　　LCD(Liquid Crystal Display)以液晶顯示技術(shù)作為彩色來源基礎(chǔ)。液晶顯示面板我們每天都能夠看到，人如其名，彩色的來源正是液晶。液晶在 1888 年由植物生理學(xué)家弗里德里?！とR尼澤發(fā)現(xiàn)。關(guān)于液晶最神奇的效應(yīng)，就是它對光線的振動方向有選擇性。液晶分子的形狀像一個搟面杖，通過改變電壓，讓這個搟面杖轉(zhuǎn)起來，就能控制通過的光的強弱。誕生于 1989 年的愛普生 VJP-2000，便是全球第一臺 LCD 投影機，到今年已經(jīng)有整整三十年的歷史。

　　色輪示意圖。投影儀中色輪樣式有很多種，上圖中是最簡單的只有紅綠藍三種顏色的樣式。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　再后來的技術(shù)演進中，出現(xiàn)了 DLP 這個流派，采用另外一種不同的方法。單片 DLP 投影儀通過色輪來產(chǎn)生顏色，從燈泡上發(fā)出的光經(jīng)過色輪上不同的透光片，變成了三原色的光，再通過數(shù)字信號控制的反射板，把光線反射形成屏幕上對應(yīng)的圖樣。色輪上通常被分為四個區(qū)域：紅區(qū)、綠區(qū)、藍區(qū)和用來增加亮度的透明區(qū)域，為什么不使用只有三種三原色紅綠藍的色輪呢？原因很簡單，DLP 投影儀里面只使用了常用汞燈光源 1/3 左右的有效部分，亮度其實大打折扣，最后看到的圖片顏色與真實色值存在一定色差。

　　我們在評價投影儀的時候，投影儀的亮度其實是一個非常重要的參數(shù)，投影儀越亮，意味著投出來的屏幕更清晰，在白天都能看得見。看到投影儀看不清了，第一反應(yīng)是去換一個燈泡，但是殊不知在這里面還存在色彩亮度和白光亮度這個區(qū)別。不同的投影技術(shù)下，同樣的白光亮度其實并不意味著相同的色彩亮度，比如 DLP 的效率就不如 LCD。

　　LCD 使用的分光器原理示意圖。投影儀中常用的光源為汞燈，具有分立的譜線，其藍色譜線和綠色譜線正好對應(yīng) CIE 色彩空間中的兩種原色。分光器通過鍍膜，可以使得特定波長的光發(fā)生反射，而其余的光穿透而過，實現(xiàn)分光原理。光源的利用率更高。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　色彩亮度這個概念可能大家是第一次聽說，但在我們的生活中其實有很多應(yīng)用。比如一張照片，電腦上看起來還好好的，但投影投出來卻是灰蒙蒙的，這就是因為輸出的彩色光不夠亮，看起來就和加了個濾鏡似的。

　　不同色彩亮度的對比圖。圖片來自百度百科

　　04

　　為了給大家真的感受投影儀里面發(fā)生了什么，小編厚著臉皮整來了另一個使用不同原理來生成色光的投影儀。因為是借的，怕拆了以后組裝不回去（小編太菜了），特地準(zhǔn)備了偏振片，來不破壞地展示不同色彩的合成原理?正經(jīng)玩專欄失業(yè)警告?。

　　我們架設(shè)好兩臺投影儀機器以后，讓它們都在相同的距離往墻上投影。舉起手機，然后，就是我們見證奇跡的時刻。

　　如果你的手機拍照參數(shù)不太對的話，就會拍成這個樣子。關(guān)注我們比較久的肯定知道這張圖是個啥，我就不解釋了

　　可以看到，在拍出來的照片里面，上方的電腦桌面還保持了比較真實的顏色，下方投影儀畫面用照片效果已經(jīng)完全偏離了真實的顏色了。在手機拍照的時候，DLP 投影儀還來不及在每個位置都撒上紅綠藍三種顏色，所以就看到這三種顏色分開，而不是彩色的情況。因為 DLP 的投影儀里面的色輪并不是只有紅綠藍三種顏色，而是還留了一塊透明的部分，發(fā)出白光，所以還有一部分是黑白的。

　　在換用另一臺拍照的設(shè)備以后，可以看到，兩種投影儀的差別并不是那么的大。

　　小時候電視臺停播的時候的畫面，其實是用來測試屏幕的?？梢钥闯鰜硐旅孢@臺投影儀的畫面整體都偏暗，比如左下角的顏色都難以辨認分界線了

　　但是這兩者之前仔細一點看的話，區(qū)別還是有的，因為我們選用的投影儀的型號的關(guān)系，DLP 型號的白光亮度更高，所以下面的圖片白色部分比起上面而言會更亮一些。但是彩色部分亮度表現(xiàn)卻不如 LCD 原理的投影儀。

　　因為 LCD 使用液晶控制亮度，所以最后鏡頭出來的光是偏振光，幾個偏振光疊加在一起，構(gòu)成了最后的彩色。正好我們手頭有現(xiàn)成的偏振片，可以一探究竟。我們已經(jīng)知道 LCD 投影儀中的色輪是三原色，紅綠藍，而且可能具有不同的偏振方向。

　　偏振片

　　我們把偏振片放在投影區(qū)域中的白色部分，并緩慢轉(zhuǎn)動偏振片?？梢钥吹浇?jīng)過偏振片以后，光線的顏色會緩緩從綠色變成洋紅色。在其他不同顏色，也會相應(yīng)地有不同的偏振方向。

　　通過偏振片，我們可以確定投影儀確實是由不同偏振方向的色光合成而成的

　　但是如果我們把偏振片移動到 DLP 投影儀投出來的圖像上，顏色并不會有變化。

　　這個并不是偏振光

　　前面提到，如果拍照的時間太短，那么 DLP 投影儀還來不及在每個位置都撒上紅綠藍三種顏色。因為運動是相對的，如果我們目光掃過屏幕的速度足夠快，那么在人眼看來，屏幕就是相對人眼處于高速運動狀態(tài)，DLP 投影儀就會出現(xiàn)色光分離，也就是彩虹效應(yīng)。

　　彩虹效應(yīng)示意圖……因為我們實在拍不出來，就在網(wǎng)上找了一張了。實際實踐的時候左右來回晃動眼球就可以看到，非常明顯。經(jīng)過嘗試，這種效應(yīng)在暗色背景下尤為明顯。

　　05

　　有了前面那么久的鋪墊，我們終于可以解答標(biāo)題里面的問題……

　　為了解答這個概念，我們需要把上面對于色彩的描述定量化，也就需要使用色彩空間。CIE RGB 色彩空間是一種很常用的色彩空間。其x，y 橫縱兩個坐標(biāo)分別表示標(biāo)準(zhǔn)化以后的三原色中紅色和綠色的成分，1-x-y 代表藍色。由此構(gòu)成了人類所感知到的所有顏色。

　　CIE-xyz 色彩空間。圖中的三角形代表汞燈的藍色譜線與綠色譜線，還有 700nm 紅光所能制造的所有色彩的范圍。

　　圖上上邊緣的那條曲線，是指波長從 435.8nm 連續(xù)變化到 700nm 的可見光，在色彩空間上的軌跡。因為人眼對色彩的感知幾乎是線性的，如果我們隨便從色彩空間中選兩種顏色 C1 和 C2，那么這兩點連成的線段上每一點的顏色都可以用 C1 和 C2 組合而成。選定三種顏色，就可以畫一個所有可顯示顏色的三角形。因為我們不可能擁有除了自然的可見光波段其它的光源，所以三個角落各有一些空白。

　　在投影儀中，常用的是汞燈，來得到不同的三原色。理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感，這句話我們說了很多遍了，投影儀里面也是一樣。我們實際得到的顏色肯定沒有上面那個三角形那么大。

　　洋紅色

　　對于 CIE RGB 色彩空間中下半部分，人眼可以將藍色和紅色混合成洋紅色（就是今天封面圖的顏色），但是實際上并不存在特定波長的光，在人眼看來是真正的洋紅色。

　　這就是投影儀合成「不存在」的顏色全部的真相了。

　　后記

　　經(jīng)過這么一番折騰，我們終于知道啥樣的內(nèi)容更適合，我們決定重新挑選投影儀，然而，現(xiàn)實是錢包限制了我們的購買力，甚至連兩臺借來的投影儀都買不起。

　　* 感謝正經(jīng)玩小編 Major Tom 提供的攝影支持

　　參考內(nèi)容

　　1. 幻燈片投影儀 - 維基百科

　　2. Microsoft PowerPoint，wikipedia

　　3. 現(xiàn)代科學(xué)先驅(qū)牛頓 By 王金鋒

　　4.Young-Helmholtz_theory,?Dichroic_filter,?Screen-door_effect

責(zé)任編輯：王超

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