關於不同顏色光波長的疑惑?

01-05

體育老師教我物理的時候說，不同顏色的光是不同波長的電磁波，我深信不疑，所以紅色光的波長大於黃色，大於綠色，大於藍色。那麼問題來了:紅色和綠色的光可以複合成黃色，這種黃色的光是幾種波長？我的體育老師沒告訴過我。
進一步，兩種不可見光是否可以複合形成另一種不同波長的不可見光？（實際上紅外線加紫外線仍然看不見…）

先吐槽下，你的物理居然是體育老師教的，那你的體育是不是物理老師教的？

壞笑中。

「不同顏色的光是不同波長的電磁波」其實是並不完全正確。

不同光的波長（或相對應的頻率）才是自然界客觀存在的。顏色只是人眼視網膜上的視錐細胞收集到不同可見光，轉化成電信號，傳到腦子裡形成的概念。換句話說，顏色只是人體主觀的感受。別的動物的眼睛不一定跟人看到的一樣。你的照相機里拍到的顏色，跟你眼睛看到的，因為感光響應不同，所以也不完全一樣。

具體到人眼，由於正常人眼的視網膜有三種錐狀細胞。分別探測長，中，短波，如下圖，(Cone cell)

每個人這三種錐狀細胞的分布都不盡相同。如下圖，是羅切斯特大學David Williams教授組的實驗結果（http://aria.cvs.rochester.edu/papers/Williams_VR2011.pdf），所有都是有正常色覺的人眼，但是各種錐狀細胞的比例差很多。圖中顏色是根據實驗後加上的，只是為了區分三種不同的錐狀細胞。紅色表示對長波敏感，綠色對中波敏感，藍色對短波敏感。

由於人腦收集到信號後，其實會做歸一化處理，只要三種視錐細胞都齊全，人們看到的顏色就都一樣。也就是說你看到的藍色的天，和你旁邊小夥伴看到的天是一個藍色。

但是如果三種視錐細胞有任何一種缺失，就會造成某種色盲。

紅色和綠色的光可以複合成黃色，是由於顏色是入射光和人眼的色覺響應共同作用的結果（二者相乘，再對波長或頻率做簡單積分）。紅光（～700nm）和綠光（～500nm）同時作用在人眼時，可以產生純黃光（～600nm）對人眼一樣的刺激，這兩種情況下，視網膜感光細胞輸給大腦的電信號，可以相同，人腦也就不能區分這到底是混合成的黃光，還是純粹的黃光。

至於「兩種不可見光是否可以複合形成另一種不同波長的不可見光？」，對人眼來說，統統都是無響應的不可見光，也就無所謂「複合」了。如果相機的感光元件，對這些波段都有響應，那麼是可以複合的。原理完全類似人眼的情況。

我們看到的顏色只是大腦對不同波長的可見（380nm~780nm）的一種編碼而已。

準確來說，是視網膜上的光感受器中的三種視錐細胞對光的刺激的比例關係。

光，看作是一種電磁波，有不同的波長，這是客觀的事實。

但是，人眼和大腦對可見光（380nm~780nm）的感知，卻沒有這樣線性的關係：一個感光細胞對應一種波長的光。

【在公眾號「領略色彩之雅」中回復「編碼」了解可見光及編碼】

雖然我們可以有無數種光感受器，來對應感知每一種可見光波長，這樣的話人眼就成了異常發達的器官，那就成了《鬼吹燈之精絕古城》中的精絕女王的「鬼眼睛」，雖然具有超強的視覺感知能力，但對人類的生存沒有很大的作用，反而是一種累贅。況且這種「鬼眼睛」可以通過現代技術來實現，人類也發明了很多能感應到不同波長的光譜的機器，能充分利用各個波長段的光譜。

所以人類進化的結果，僅僅憑藉人眼視網膜上的三種光感受器——S視錐細胞、M視錐細胞和L視錐細胞——對可見光的解讀，加上大腦視皮層的處理，就足以感知我們世界的顏色，領路色彩之雅。這也是我非常推崇的極簡高效。

視網膜上的感光細胞中三種視錐細胞（S、M、L）對不同波長的刺激是不一樣的。下圖展示了不同視錐細胞的光譜響應曲線。三條曲線分別對應三種視錐細胞。他們的峰值分別出現在短波長（S），中波長（M）和長波長（L），所以我們也這樣命名。

對於光顏色的感知，主要有兩個過程：

（1）刺激及響應

例如光的波長是580nm。人眼對於這些單波長的光的感知，是因為光同時對M視錐細胞和L視錐細胞的刺激（對S視錐細胞沒有刺激）。但M視錐細胞和L視錐細胞對580nm波長的光的響應強度是不一樣的。如下圖可知，L視錐細胞的響應較強些。

（2）疊加

M視錐細胞和L視錐細胞的不同響應，形成一定的響應強度的比例的信號，共同疊加形成了對580nm波長感知的特定信號。這個信號通過視網膜上的雙極細胞和神經元細胞傳遞到大腦視皮層，就形成了我們對580nm波長的光的感知——黃色。

【在公眾號「領略色彩之雅」中回復「紅綠」詳細了解三種視錐細胞（S、M、L）作用】

所以從刺激響應到信號疊加的結果，讓我們認為光的不同波長，跟我們人眼和大腦的感知是存在線性關係，就很容易誤解我們有不同的光感受器對不同波長光的感知。

結語

人類進化的結果，僅僅憑藉人眼視網膜上的三種光感受器就足以感知我們世界的顏色，領路色彩之雅。這也是我非常推崇的極簡高效。
我們感知到的顏色，是因為視網膜上的光感受器中的三種視錐細胞對光的刺激的比例疊加結果。

http://weixin.qq.com/r/Hjiju-TEn6ngrbDY920M (二維碼自動識別)

人眼並不能分辨單一波長的純粹黃色和混合黃色，因為它們刺激你的視感受器產生的神經衝動完全一樣。嚴格來說，液晶顯示器並沒有發出黃光，但是你卻在電腦屏幕上看到了黃色，所以其實你的大腦一直都被欺騙了！

同樣的，草莓味的飲料裡面不一定有草莓，只要加調味劑就能刺激特定的味蕾，讓你的大腦嘗到到草莓味。

簡單來說就是你的大腦根本無法知道來自感受器的信號是否真實，想想你要怎麼證明自己不是缸中的大腦？

如果能滿足光譜上的轉換關係

由能量守恆關係，（滿足相位匹配條件）

人眼可見光範圍是400~760nm

say 紫外光300nm，作為波長1；波長3設為人眼可見的500nm，顯然波長2不存在。

say 紅外光850nm，作為波長1；波長3同上，波長2為463nm為可見光

紅色和綠色「複合」在一起是兩種波長的光譜疊加。

兩種光「複合」在一起只是人眼看著是合在一起的顏色，如果用儀器檢測的話，可以看出來還是2個峰。