睁开眼外面变白了，然而我却陷入了思考：眼前的白真的是白吗？_风闻

原创：中科院物理所

　　初雪来啦！！！

　　昨天晚上北京初雪的消息席卷而来，不知道你有没有加入到朋友圈摄影大赛中呢？

　　物理所凝聚园雪景

　　每年的初雪都带着一些浪漫的气息，给大家带来了冬季的喜悦，然而降温和初雪终究是比暖气来早了一步…

　　看着漫天纯白无暇的初雪…你不知道的是纯白背后隐藏的——红橙黄绿蓝靛紫！

　　人眼：我靠混合

　　我们都从小学起就都知道，白色光是所有单色光混合叠加的结果，那么人眼是如何识别单色光之间的叠加的呢？

　　要想弄搞清楚颜色的问题，首先让我们一起回顾一下小学知识——颜色是什么？

　　图片来源：pixabay

　　实际上，在我们常见的电磁波谱中，不同波长的光不仅对应着不同的能量，也对应着不同的颜色，例如532 nm对应着绿色，而440 nm则对应着蓝色。

　　在电磁波谱中只有一小部分波长的光可以被人眼识别，被称为可见光波谱，大约在400 nm到780 nm之间。

　　图片来源：网络

　　那么人眼是如何识别不同颜色的呢？人眼视网膜中的视锥细胞具备感知色彩的能力，即对不同颜色（波长）光子的感知能力不同。

　　视锥细胞分为3种，**分别包含光谱吸收峰在光谱黄、绿、蓝区的视色素，**这种对颜色的感知能力由视锥细胞中视蛋白的特异性所决定。

　　图片来源：维基百科

　　上图中，白色曲线代表人眼对不同颜色光的感知能力，纵坐标的值越高，表示人眼对该点横坐标所对应波长的光越敏感。

　　从图中可以清晰的看出，S、M、L三条曲线分别对应着蓝色、绿色和红色。

　　嗯？？？这不是代表着我们只能看到红、绿、蓝三种颜色？那我们看到的其他颜色都是假的吗？！

　　别急别急，当然不是假的。我们看到各种各样丰富的颜色其实是红、绿、蓝三种视锥细胞对某种颜色光混色的结果。

　　事实上，我们在生活中接触的单色光是很少的，类似于焰色反应、激光等才会产生单色光。

　　焰色反应 | 图片来源：网络

　　显示器：我们不仅靠混合

　　既然人眼是通过红、绿、蓝三种视锥细胞感光、混色从而产生对众多颜色的感知，那么充斥在我们身边的数码产品是如何进行显色的呢？

　　在了解显色原理之前，让我们先一起来认识一下屏幕像素（Pixel）——一个像素就是一个显像点，横向、纵向各若干像素点排列占据整个屏幕。

　　每个像素点都包含红、绿、蓝三个子像素，三个子像素参与显示的量不同，像素呈现出的颜色就不同。

　　当不同像素点按照一定的规律呈现不同颜色时，整个屏幕上就出现了五花八门的图像。

　　像素点 | 图片来源：pixabay

　　像素点非常微小，并且非常密集，超过人眼视距在正常的范围的分辨能力。因此，我们就可以在显示屏上看到各种各样色彩丰富的画面。

　　尽管都是通过三原色原理进行混色，但我们常见的液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）和有机发光半导体OLED(Organic Light-emitting Diode)最小组成单元的发光原理却是不一样的。

　　液晶显示屏LCD为多层结构，其发光原理是通过在显示面板最下方的一层背光面板发射白光，光线透过显示面板的多层结构，包括下偏光板、薄膜电晶体、彩色滤光片、上偏光板等，背光面板发射的白光照亮整个显示面板实现发光和显色。

　　在液晶显示器LCD中，同上文介绍的一样，**每一个物理像素点，由红、绿、蓝（RGB）三个颜色的子像素组成。**如何控制三个子像素来实现显色就是最核心的技术。

　　液晶显示器LCD的基本结构 | 图片来源【1】

　　**RGB 3个子像素都是可以被单独控制的透光单元，**虽然子像素分别负责RGB 3三种颜色的显色程度，但其本身却是不带颜色的，而是通过最外层RGB三种颜色的涂层，被背光面板发射出的白光照亮而显示出颜色。

　　**通过控制RGB子像素的进光量，可以使红、绿、蓝三基色分别以不同亮度的组合，类似于三个独立变量的叠加，**通过设置合理的像素大小来配合人眼的明视距离，可以达到人眼无法分辨子像素的程度，组合出特定颜色的像素点。

　　例如，当一个像素的3个子像素中，对绿色光透过率为100%，其余色光的透过率均为0%，该像素点就会呈现为绿色；若3个子像素对红、绿、蓝三种色光的透过率为100%，该像素点就会呈现为白色，也就是我们看到纯洁无暇的初雪色啦~

　　而对于有机发光半导体OLED(Organic Light-emitting Diode)，其发光原理为：在外加电压的驱动下，空穴和电子分别从正和负极注入到有机材料中。

　　在有机层中空穴与电子会发生复合，从而释放出能量，将能量传递给有机发光物质的分子使其从基态跃迁到激发态。

　　由于激发态不稳定，有机材料中的受激分子很容易就会从激发态回到基态，辐射跃迁而产生发光现象。

　　电子空穴复合 | 图片来源：网络

　　OLED不同于LCD，并不需要一个专门的背光面板用于发光，而是通过有机发光物质的分子辐射跃迁而发光。

　　由于OLED这样的特性，它在显示黑色时更具优势，并不需要滤光，可以显现真正的黑色。

　　有机发光半导体OLED的显色与有机材料本身有着密不可分的关系，最重要的就是有机材料的荧光特性。

　　如果对客发光体的添加量比较少，并添加较大含量的主发光体，可以将发光效率提升，并且其发出的色光可以覆盖整个可见光波段。

　　目前，有机发光半导体OLED的显色方式有三种思路：第一，借助白发光层，添加滤色片，这是显色最方便的一种方法；第二，借助有机发光材料本身的发光特性，设计三层发光层，分别为——红色、绿色和蓝色，实现混色显色；第三，应用蓝色有机发光材料，再通过颜色转换材料，即可显色。

　　色彩模式：我还是混合

　　除了显示屏这类硬件之外，算法又是怎么处理颜色的呢？

　　我们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。显示器、投影仪、扫描仪等主要依靠色光直接混合生成色彩，而打印机、印刷机则靠使用颜料混合生成颜色。

　　印刷制品 | 图片来源：pixabay

　　这说明对于不同类型的颜色设备，需要使用不同的色彩模式来进行适配。

　　最普遍的RGB模式（R=红色，G=绿色，B=蓝色），与人眼识色和显示屏显色的思路相同，算法同样也是通过混合红、绿、蓝这三种颜色来进行混合，获得全彩。

　　色光三原色 | 图片来源：pixabay

　　通过对R、G、B这三个分量进行赋值，即可描述出任一颜色。

　　计算机定义颜色时R、G、 B三种成分的取值范围是0-255，0表示没有刺激量，255表示刺激量达最大值。

　　类似于液晶显示屏LCD的混色原理，例如：R=200，G=10，B=13时，大概对应为红色，当RGB均为255时，对应为白色，当RGB均为0时，对应于黑色。

　　不同RGB值混色显色很好理解，但当RGB 3个值均相等时，该如何显色呢？

　　为了更好的理解，我们先来了解一下色彩的三个属性——色相，饱和度，明度。

　　Adobe对色相官方的解释是：反射自物体或投射自物体的颜色。在 0 到 360°的标准色轮上，按位置度量色相。在通常的使用中，色相由颜色名称标识，如红色、橙色或绿色。简单来说，色相就是指不同的颜色。

　　而饱和度是指颜色的强度或纯度（有时称为色度）。饱和度表示色相中灰色分量所占的比例，它使用从 0%（灰色）至 100%（完全饱和）的百分比来度量。在标准色轮上，饱和度从中心到边缘递增。饱和度也可以理解为色彩的纯度。

　　最后，亮度是颜色的相对明暗程度，通常使用从 0%（黑色）至 100%（白色）的百分比来度量。

　　当RGB 3个值处于0-255之间且相等时，则不显示任何色相，分别对应于从白色到黑色之间不同的灰度。

　　不同灰度 | 图片来源【6】

　　值得注意的是，RGB模式的媒介是发光物体，也就是适用于我们日常生活中使用的大部分电子产品。

　　那么对于印刷机这一类需要颜料混色获得全彩的设备，采用的是我们熟悉的另一种色彩模式——CMYK。

　　前文提到的RGB为光的三原色，而油墨也同样具有三种原色，即青、品红、黄（青色，品红，黄色），通过不同的配比产生不同的颜色。

　　原来小时候学美术学到的三原色是红黄蓝，而长大后听到的三原色却是红绿蓝，这两者的区别是颜料的三原色与光的三原色。

　　与RGB不同的是，CMY不是以0-255的数值来划分，而是按油墨的浓度来划分，即0-100%。CMY就是将三种油墨按照不同浓度混合，获得想要的颜色。

　　图片来源：pixabay

　　不同于显示屏，印刷品的载体是纸张，本身并不会发光，而是通过外界的光反射在纸上，具有一定的吸收和漫反射，而后再回到我们的眼睛里，从而识别出颜色。

　　当晚上周围光线很微弱的时候，我们也就看不清印刷品的颜色了，这是印刷机等设备需要和显示屏区分色彩模式的重要原因。

　　了解了CMY，那么K去哪儿了？

　　再CMY三种颜色混合想要获得黑色时，也是三种颜色均为100%，但在实际应用中这样混色的效果比较差，所以加入了单独的黑色油墨，也就是缺失的K啦。

　　怎么样，读到这里不仅回味了昨晚的初雪，还把颜色大军搞得明明白白，物理人眼中的初雪，可没有纯白那么简单！

　　参考文献

　　[1]赵彦礼. 蓝相液晶显示器电极结构的优化[D].河北工业大学,2015.

　　[2]徐恒睿. 银纳米线网格的制备及其在OLED中的应用研究[D].电子科技大学,2021.

　　[3]杨金玲.显示技术的TFT-LCD与OLED剖析[J].电子元器件与信息技术,2020,4(09):6-7.

　　[4]王雄飞.TFT-LCD液晶显示技术与应用[J].电子世界,2020(14):206.

　　[5]https://helpx.adobe.com/cn/photoshop/using/color.html

　　[6]https://zhuanlan.zhihu.com/p/40347096