三色素理论和彩显原理

牛顿在做色光合成实验的时候发现，红色和绿色可以合成黄色，绿色和蓝色可以合成青色，而红色和蓝色却合成一种在彩虹中找不到的颜色――绛色或品红色(Magenta)。为了表示上述合成规律，牛顿把几种6种典型颜色放在一个圆盘上，构成牛顿色轮(Newton Color Wheel).

图 2 牛顿色轮

为什么会产生绛色，这在当时是令人困惑的。因为牛顿当时并没有认为合成的黄色色光同单色光中的黄色色光有什么不同。现在我们知道，合成的黄色仅仅在人看来和单色光黄色相同，而物理上并不相同。当时人们也想找出单色光中的绛色，而实际上找不到。

1802, 英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young, 1773—1829年）提出大胆假设：所有颜色都可以通过红绿蓝三色的混合产生，三者比例不同，颜色就不同。这一假设的革命意义就在于：肯定一种颜色不是一种色光，而是许多能产生同样主观感觉的多种色光。或者说：肯定一种色觉并不反映一种色光，而是反映多种在人看来相同的色光。

杨早年学医，很年轻时就研究了眼睛的调节机理，21岁就被选为英国皇家学会会员。他出版的著作涉及的课题惊人地广泛，有生理光学、虹的理论、流体动力学、毛细作用、造船工程、用摆测量引力、潮汐理论等。 其最有名的贡献是在光的波动理论方面。关于光的双缝干涉实验就被称之为杨氏双缝干涉实验。这一实验对近代光学和量子力学有着重大影响。

一个世纪后，杨的创造性见解被德国物理学家和生理心理学家赫尔姆霍兹(Hermann von Helmholtz, 1821-1894)进一步发挥。赫尔姆霍兹假设人眼中存在三种接收器――按现在的说法是三种视锥细胞，分别对不同波长的色光敏感或吸收不同波长的色光。三种接收器受到的刺激比例不同，色觉就不同。他还假设了每一种接收器的敏感特性曲线，由此算出具有任何一种能量分布的色光所引起的三种接收器输出信号大小。赫尔姆霍兹发展和量化了杨的三原色理论，因而这一理论现在被称为杨－赫尔姆霍兹三原色说(或三色素说).

假设一种物体反射的色光能量分布是s(λ), 三种色敏感细胞的敏感特性曲线是b(λ), g(λ), r(λ), 参看图2

图 3 赫尔姆霍兹的三敏感曲线

s(λ) 和r(λ)越重合，并且s(λ)越大，则R越大。B和G同理。任何一种颜色都可以用矢量(B,G,R)表示。 比如(B,G,R)=(0, 0.5, 1)表示B=0, G=0.5, R=1的颜色――橘黄色。

后面我们用s(λ)表示一种色光，用(B,G,R)表示相应的颜色。注意：色光s(λ)不同，颜色(B,G,R)可能相同。这就叫做同色异谱。比如黄色单色光和红绿两种单色光等比例混合的混色光，两者光谱(即能量分布)不同，但是颜色(B,G,R)是相同的。

三色素理论为彩色电视显示系统设计奠定了理论基础。摄像系统中：每一象素上的色光s_i(λ)被转换为颜色矢量(B_i,G_i,R_i), i=1,2,…M=屏幕象素数目; 颜色信号经过编码被发射，电视机则通过解码得到(B_i,G_i,R_i), i=1,2,…M。彩色显示屏上每个象素点上有蓝，绿，红三种发光点，电子发射到蓝点上，蓝点就发出蓝光。每个点受到电子打击的强度不同，发光强度就不同。由于人眼视细胞数量有限，因而分辨率有限，当人眼距离屏幕达到一定距离时，它就不能区分每个象素中的三点，于是相应一个象素产生一种色觉。但是当人眼接近屏幕时，他就会发现屏幕上每个点只有一种颜色――蓝色，绿色或红色。

继赫尔姆霍兹的研究之后，物理学家麦克斯韦（1831-1879，因电磁波的微分方程组而著名）于19世纪60年代研究了三原色理论，发现三原色的选择可以不同，适当的三原色可以增加所能配出颜色的范围。为了表达某些颜色，比如(b,g,r)，红色分量需要是负的; 比如在(b,g,r)一边加上适当的颜色(0,0,R), 另一边加上适当的颜色(B,G,0), 那么就有(b,g,r)=(B,G,-R)。另外他还提出用色调，饱和度，明度表示一种颜色。这三者分别反映色光的波长，其中彩色相对白色的比例，以及色光的强度。麦克斯韦的研究为现代色度学作出了巨大贡献。

在赫尔姆霍兹前后，Brewster和Grassmann也对颜色理论作出一定的贡献。