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投影仪怎么合成「不存在」的颜色

来源:中科院物理所 作者: 发布时间:2019-10-08 14:49 浏览次数: 【字体:

每隔一段时间,就会有那种「呀科学家制造了一种不存在的颜色?」、「紫色其实并不存在?」之类的话题传播。

这个是洋红色

为了方便讨论这里面的原因进行电影放映计划,我们众筹了一台投影仪,探索色彩的秘密。

本来我们应该兴高采烈开始互相交流观影经验了,但是却遇到很尴尬的事情……

投影实拍,图片来自网络

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如果你是 / 曾经是 / 将要是一个好好学习天天向上(good good study,day day up)的社会主义好学生,那么每天上课的时候免不了要举起手机对着老师的幻灯片拍拍拍,生怕错过了什么重要细节。得益于现在手机相机优秀的放大性能,手机很多时候也能给抢不到前排的同学带来福音。

明明想要好好学习,却发现讲义被彩色条纹盖了个严严实实…… 实际上,这里面就藏着我们人眼能看到,但是自然界中却「不存在」的颜色的秘密。

老师们的幻灯片在以前,还不是这样子。

幻灯片投影仪

那时候的幻灯片,是现实中真的一张一张透明的彩色的片。这个话题说起来真的是「暴露年龄」。老师们把幻灯片放到载盘上,在载盘下方灯泡发出的光线穿过幻灯片,调节透镜和平面镜的位置,通过折射和反射,让光线聚焦在和地面垂直的投影幕布上,成一个放大的像。因为灯泡的功率很大,所以通常在灯泡边上还会有一个帮助其冷却降温的风扇。一开机,这个风扇也会呼呼呼地吹起来。

光线从透镜的一侧进入后,经过折射平行光会焦于焦平面,再成像。通过调节物距,就可以移动像距,图片来自 ello.co/marcrodriguez

长江后浪推前浪,前浪死在沙滩上……在个人电脑普及开来以后,就再也见不到上面这种最有「古典范」的幻灯片和投影仪了,取而代之的是演示文稿、办公软件和数码投影仪。幻灯片这个名字也渐渐地出现的次数也少了,屁屁踢反而变多。虽然大家现在叫得多,但这个名字的诞生,却是在洗澡的时候想出来的。产品负责人 Bob Gaskin 为了避免和市面上的其它产品重名,才取名为PowerPoint,却没想到成就了一个全球通用的名词。

洗澡的名人,除了阿基米德你还能想到谁

02

在开始解答我们的标题这个问题之前,我们需要先来唠唠投影仪的发展史——这真的是一部活脱脱的人类「视觉动物」进化史。虽然现在视觉动物听上去是一个……不是很友好的词,但人类在追求视觉和色彩的道路上那是真的狂奔不止。

科学史上对光和颜色之间的讨论始于亚里士多德,但是真的要说出点门道来,还得等到我们的牛顿牛爵爷出面。不得不说牛顿真的是狠人——对自己狠的那种,为了研究不考虑任何后果。比如长时间用一只眼睛看太阳,直到把眼睛把所有白色的物体全都看成红色。此时再闭上眼睛,反复之后,他发现眼前,会出现和太阳一样的斑点,虽然他现在并没有看着太阳。由此他得出结论,他的幻觉也能像太阳一样充分激励神经。

牛顿在光学方面贡献颇多,最为人所知的,其实还是用三棱柱进行分光实验,图片来自 @thesarahshow

当然我们现在可以测出来神经信号传播的速度大约为 90m/s,通过产生视觉的时间差,我们可以判断大脑在合成视觉信号的过程中起到了一定的作用,更何况三原色理论早已久经考验。因为人眼中存在着三种不同的波段敏感的细胞,就有人巧妙地设计了「色彩匹配实验」。基本原理在于人眼不擅长直接定量,但很擅长比较。如果只用两种色光混合,始终会有颜色合成不出来,但是一旦使用三种颜色,人们就能混合出光谱里面的任意颜色。摸清楚了这一点,人类真的算是在成为「视觉动物」的历史上迈出了一大步。

挑口红颜色的过程,就和色彩匹配实验差不多。需要比较的两边分别是参考的特定波长的光和三原色混合而成的光。图片来自 @jessmac

正是在前辈们的探索下,我们终于找到了人类颜色感知的「基底」。因为人眼的构造,想要得到各种颜色,我们并不需要产生特定波长的光线,只需要让红绿蓝三种颜色以适当的比例混合在一起,进入到人眼里,万能的大脑就能把它们合成起来。虽然这里是轻描淡写混合两个字,但在人类的历史上为了得到彩色,真的不是一件容易的事情。

03

混合的思路我们可以有两种,一种是在时间上混合,一种则是在空间上混合。前者靠脑补,后者……还是靠脑补。当然脑补的方式还是有点点区别的,前者生成颜色需要靠前面牛爵爷探索得到的延迟效应,再让大脑脑补,后者是让大脑直接脑补。

所谓脑补,其实就是猪鼻子插大蒜。图片来自网络

早期的投影仪思路非常地简单粗暴,想要放映彩色内容的话,需要使用三种光源和三个透镜,叫做「三枪投影仪」,分别投射出红、绿、蓝三种颜色,而我们想要的影像,就通过这三种颜色的明淡来进行混合。因为放映过程中需要使用的灯泡功率都很高,把三组灯泡和透镜系统组合起来,需要复杂的电缆。而且还有一点很要命,这个光学系统太过复杂,需要把三个画面都要投到屏幕上的同一位置,对焦十分不方便。所以在最开始的时候发展非常受限。

三枪投影仪的样子,不是红绿灯。图片来自网络

那么我们能不能够把三种光源合成成一个呢?在「三枪投影仪」问世后,人们发展了被称为「单枪投影仪」。在投影仪这个领域里面,「炮塔」,也就是光源越多,似乎并没有什么用,反而凭空增加了系统的大小和调节的复杂度。

在「单枪投影仪」里面,按照混合不同颜色色光的思路的不同,大概分为 LCD 和 DLP 两个流派。需要说明一下,这两个流派其实现在发展了很多分支,不过太过专业的东西今天我们就不涉及了。

液晶显示器的基本原理示意图。通过调节电压让液晶分子在空间中的取向发生变化,从而控制不同颜色的光的多少,进而控制发光的颜色。图片来源见右下角

LCD(Liquid Crystal Display)以液晶显示技术作为彩色来源基础。液晶显示面板我们每天都能够看到,人如其名,彩色的来源正是液晶。液晶在 1888 年由植物生理学家弗里德里希·莱尼泽发现。关于液晶最神奇的效应,就是它对光线的振动方向有选择性。液晶分子的形状像一个擀面杖,通过改变电压,让这个擀面杖转起来,就能控制通过的光的强弱。诞生于 1989 年的爱普生 VJP-2000,便是全球第一台 LCD 投影机,到今年已经有整整三十年的历史。

色轮示意图。投影仪中色轮样式有很多种,上图中是最简单的只有红绿蓝三种颜色的样式。图片来自网络

再后来的技术演进中,出现了 DLP 这个流派,采用另外一种不同的方法。单片 DLP 投影仪通过色轮来产生颜色,从灯泡上发出的光经过色轮上不同的透光片,变成了三原色的光,再通过数字信号控制的反射板,把光线反射形成屏幕上对应的图样。色轮上通常被分为四个区域:红区、绿区、蓝区和用来增加亮度的透明区域,为什么不使用只有三种三原色红绿蓝的色轮呢?原因很简单,DLP 投影仪里面只使用了常用汞灯光源 1/3 左右的有效部分,亮度其实大打折扣,最后看到的图片颜色与真实色值存在一定色差。

我们在评价投影仪的时候,投影仪的亮度其实是一个非常重要的参数,投影仪越亮,意味着投出来的屏幕更清晰,在白天都能看得见。看到投影仪看不清了,第一反应是去换一个灯泡,但是殊不知在这里面还存在色彩亮度和白光亮度这个区别。不同的投影技术下,同样的白光亮度其实并不意味着相同的色彩亮度,比如 DLP 的效率就不如 LCD。

LCD 使用的分光器原理示意图。投影仪中常用的光源为汞灯,具有分立的谱线,其蓝色谱线和绿色谱线正好对应 CIE 色彩空间中的两种原色。分光器通过镀膜,可以使得特定波长的光发生反射,而其余的光穿透而过,实现分光原理。光源的利用率更高。图片来自网络

色彩亮度这个概念可能大家是第一次听说,但在我们的生活中其实有很多应用。比如一张照片,电脑上看起来还好好的,但投影投出来却是灰蒙蒙的,这就是因为输出的彩色光不够亮,看起来就和加了个滤镜似的。

不同色彩亮度的对比图。图片来自百度百科

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为了给大家真的感受投影仪里面发生了什么,小编厚着脸皮整来了另一个使用不同原理来生成色光的投影仪。因为是借的,怕拆了以后组装不回去(小编太菜了),特地准备了偏振片,来不破坏地展示不同色彩的合成原理 正经玩专栏失业警告 。

我们架设好两台投影仪机器以后,让它们都在相同的距离往墙上投影。举起手机,然后,就是我们见证奇迹的时刻。

如果你的手机拍照参数不太对的话,就会拍成这个样子。关注我们比较久的肯定知道这张图是个啥,我就不解释了

可以看到,在拍出来的照片里面,上方的电脑桌面还保持了比较真实的颜色,下方投影仪画面用照片效果已经完全偏离了真实的颜色了。在手机拍照的时候,DLP 投影仪还来不及在每个位置都撒上红绿蓝三种颜色,所以就看到这三种颜色分开,而不是彩色的情况。因为 DLP 的投影仪里面的色轮并不是只有红绿蓝三种颜色,而是还留了一块透明的部分,发出白光,所以还有一部分是黑白的。

在换用另一台拍照的设备以后,可以看到,两种投影仪的差别并不是那么的大。

小时候电视台停播的时候的画面,其实是用来测试屏幕的。可以看出来下面这台投影仪的画面整体都偏暗,比如左下角的颜色都难以辨认分界线了

但是这两者之前仔细一点看的话,区别还是有的,因为我们选用的投影仪的型号的关系,DLP 型号的白光亮度更高,所以下面的图片白色部分比起上面而言会更亮一些。但是彩色部分亮度表现却不如 LCD 原理的投影仪。

因为 LCD 使用液晶控制亮度,所以最后镜头出来的光是偏振光,几个偏振光叠加在一起,构成了最后的彩色。正好我们手头有现成的偏振片,可以一探究竟。我们已经知道 LCD 投影仪中的色轮是三原色,红绿蓝,而且可能具有不同的偏振方向。

偏振片

我们把偏振片放在投影区域中的白色部分,并缓慢转动偏振片。可以看到经过偏振片以后,光线的颜色会缓缓从绿色变成洋红色。在其他不同颜色,也会相应地有不同的偏振方向。

通过偏振片,我们可以确定投影仪确实是由不同偏振方向的色光合成而成的

但是如果我们把偏振片移动到 DLP 投影仪投出来的图像上,颜色并不会有变化。

这个并不是偏振光

前面提到,如果拍照的时间太短,那么 DLP 投影仪还来不及在每个位置都撒上红绿蓝三种颜色。因为运动是相对的,如果我们目光扫过屏幕的速度足够快,那么在人眼看来,屏幕就是相对人眼处于高速运动状态,DLP 投影仪就会出现色光分离,也就是彩虹效应。

彩虹效应示意图……因为我们实在拍不出来,就在网上找了一张了。实际实践的时候左右来回晃动眼球就可以看到,非常明显。经过尝试,这种效应在暗色背景下尤为明显。

05

有了前面那么久的铺垫,我们终于可以解答标题里面的问题……

为了解答这个概念,我们需要把上面对于色彩的描述定量化,也就需要使用色彩空间。CIE RGB 色彩空间是一种很常用的色彩空间。其x,y 横纵两个坐标分别表示标准化以后的三原色中红色和绿色的成分,1-x-y 代表蓝色。由此构成了人类所感知到的所有颜色。

CIE-xyz 色彩空间。图中的三角形代表汞灯的蓝色谱线与绿色谱线,还有 700nm 红光所能制造的所有色彩的范围。

图上上边缘的那条曲线,是指波长从 435.8nm 连续变化到 700nm 的可见光,在色彩空间上的轨迹。因为人眼对色彩的感知几乎是线性的,如果我们随便从色彩空间中选两种颜色 C1 和 C2,那么这两点连成的线段上每一点的颜色都可以用 C1 和 C2 组合而成。选定三种颜色,就可以画一个所有可显示颜色的三角形。因为我们不可能拥有除了自然的可见光波段其它的光源,所以三个角落各有一些空白。

在投影仪中,常用的是汞灯,来得到不同的三原色。理想很丰满,现实很骨感,这句话我们说了很多遍了,投影仪里面也是一样。我们实际得到的颜色肯定没有上面那个三角形那么大。

对于 CIE RGB 色彩空间中下半部分,人眼可以将蓝色和红色混合成洋红色(就是今天封面图的颜色),但是实际上并不存在特定波长的光,在人眼看来是真正的洋红色。

这就是投影仪合成「不存在」的颜色全部的真相了。

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