如何在显微镜和相机中使用原色

2021-12-01 10:32:53 admin 5

光的三基色被认为是红色、蓝色和绿色,因为它们是人类视觉的基础。在本文中,我们将探讨人眼如何处理颜色、可见光谱、加色原色和减色原色之间的差异,以及原色在实际应用中的使用方式。

什么是原色?

来自太阳的光由几乎连续的电磁辐射光谱组成,大部分能量集中在长度在 220 到 3,200 纳米之间的波长上。当它们穿过地球大气层时,大部分 2,000 纳米(红外波长)以上的光波被二氧化碳、水蒸气和臭氧吸收,因此大多数永远不会到达地面。较短的紫外线波也被臭氧层吸收。大气的这种过滤作用将到达地面的光波的光谱限制为波长在 320 到 2,000 纳米之间的光波。

人眼对波长范围在 400 到 700 纳米之间的窄带电磁辐射敏感,通常称为可见光谱,它是唯一的颜色来源。当组合时,可见光中存在的所有波长(成功穿过地球大气层的总光谱分布的大约三分之一)形成无色白光,可以使用棱镜将其折射并分散成其组成颜色。红色、绿色和蓝色通常被认为是光主要颜色,因为它们是人类视觉的基础。

主要添加剂颜色

眼睛包含嵌在视网膜中央小凹中的视锥细胞光感受器(见图 1),这些光感受器经过调整以响应分布在这三个区域(红色、绿色和蓝色)内的波长,并带有专门的色素蛋白。可见光谱的所有颜色,从紫色到红色,都可以通过添加或减去三基色的各种组合来产生。当所有三种锥细胞类型同时受到等量的红、绿和蓝光刺激时,人类将光视为白色。因为这三种颜色相加产生白光,所以红色、绿色和蓝色被称为原色相加色。

人眼如何看到颜色

当只刺激一种或两种类型的视锥细胞时,感知颜色的范围是有限的。例如,如果使用窄带绿光(540 至 550 纳米)来刺激所有视锥细胞,则只有含有绿色光感受器的视锥细胞才会响应以产生看到绿色的信号。人类对非原色加色(例如黄色)的视觉感知可以通过以下两种方式之一产生。如果红色和绿色视锥细胞同时受到波长为 580 纳米的单色黄光刺激,视锥细胞受体各自的响应几乎相同,因为它们的吸收光谱重叠在可见光光谱的该区域中大致相同。相同颜色的信号可以通过用不同的红色和绿色波长的混合物分别刺激红色和绿色锥体细胞来实现,这些波长选自受体吸收光谱的区域,没有显着重叠。在这两种情况下,结果是同时刺激红色和绿色视锥细胞以产生黄色信号,即使最终是通过两种不同的机制实现的。感知其他颜色的能力需要使用适当的波长调色板在不同程度上刺激一种、两种或所有三种类型的视锥细胞。即使目的是通过两种不同的机制实现的。感知其他颜色的能力需要使用适当的波长调色板在不同程度上刺激一种、两种或所有三种类型的视锥细胞。即使目的是通过两种不同的机制实现的。感知其他颜色的能力需要使用适当的波长调色板在不同程度上刺激一种、两种或所有三种类型的视锥细胞。

互补色

如果将等量的绿光和蓝光加在一起,则所得颜色称为青色。同样,等量的绿光和红光产生黄色,而等量的红光和蓝光产生洋红色。青色、品红色和黄色通常被称为互补色,因为每种颜色都与白光混合中的一种原色互补。黄色(红色加绿色)是蓝色的补色,因为当这两种颜色加在一起时会产生白光。同样,青色(绿色加蓝色)是红色的补色,而洋红色(红色加蓝色)是绿光的补色。

原色减色

补色(青色、黄色和洋红色)通常也称为主要减色颜色,因为每种颜色都可以通过从白光中减去一种主要添加剂(红色、绿色和蓝色)来形成。例如,当从白光中去除所有蓝光时观察到黄色光,去除绿色时形成洋红色,去除红色时产生青色。通过从白光中减去原色而观察到的颜色是因为大脑将剩下的颜色加在一起以产生相应的互补色或减色。图 2 说明了加色和减色原色的重叠色环。重叠区域表示使用这六种原色的各种组合的加减法产生的新颜色,也展示了加法和减法原色如何相互补充。

当添加任何两种主要减色时,它们会产生主要加色。例如,将品红色和青色相加会产生蓝色,而将黄色和品红色相加会产生红色。以类似的方式,添加黄色和青色会产生绿色(见图 2)。当所有三种原色相减色相加时,三种原色相加色从白光中去除,留下黑色(没有任何颜色)。任何减色原色的组合都不能产生白色,这是没有彩色涂料或油墨的混合物可用于打印白色的主要原因。

颜色加减

颜色加减的一个很好的例子是在太阳升起、经过头顶然后落下时观察到的阳光颜色的变化。当阳光穿过地球大气层时,它的颜色会发生变化,因为光子与不同密度的空气分子的碰撞消除了一些颜色。当太阳在上午晚些时候和下午早些时候高高举起时,光线看起来是黄色的。当太阳接近地平线时,光线必须穿过大气层的大部分区域,并开始变成橙色,然后变成红色。发生这种情况是因为空气吸收了越来越多的来自太阳的蓝光,只留下可见光谱红色区域中较长的波长。

照明的颜色变化

图 3 中显示的系列照片包含一张扑克牌(红心 3)、一个绿色甜椒和叠加在黑色背景上的一串蓝紫色葡萄的图像。在左边的照片中(图 3(a)),三个物体被白光照亮,并且看起来就像我们在自然光下所期望的那样。在第二张照片(图 3(b))中,物体被红光照亮。请注意,扑克牌反射了所有击中它的红光,而只有葡萄茎和葡萄上的白色高光和胡椒反射红光。影响葡萄和胡椒的大部分红光被吸收。

该系列的第三张照片(图 3(c))展示了被绿光照亮的物体。纸牌上的符号现在是黑色的,纸牌的主体反射绿光。葡萄反射了一些绿光,而胡椒看起来正常(但有绿色亮点)。第四张照片(图 3(d))说明了蓝色照明下的物体。葡萄串看起来正常,带有蓝色高光,但茎变黑了,现在看不见了。扑克牌用黑色符号反射蓝光,而胡椒只在高光处反射蓝光。这一系列图像展示了一个看起来是红色的物体(例如,在白光下)如何吸收蓝色和绿色波长,但反射光谱中红色区域的波长。因此,物体被视为红色。

色相、饱和度和亮度

人眼对非常细微的颜色差异很敏感,可能能够区分 8-1200 万种不同的颜色深浅。大多数颜色包含可见光谱中所有波长的一定比例。不同颜色之间真正不同的是给定颜色中波长的分布。主要波长调色板决定了颜色的基本色调,例如紫色、蓝绿色、米色、粉红色或橙色。主波长与其他波长的比率决定了样品颜色饱和度,以及它是否显得苍白或深度饱和。被成像物体的颜色强度和反射率决定了亮度颜色(例如,深蓝色或浅蓝色)。下面的Munsell 颜色树很好地说明了这一点,其中每种颜色由树上的不同位置表示(参见图 4)。色调颜色值由圆周上的位置表示,饱和度由颜色与中心轴的水平距离表示,亮度由躯干上的垂直位置表示。

颜色减法

大部分讨论都集中在可见光的特性上,这与透射可见光的加减有关,这些可见光可以在计算机或电视的屏幕上显示出来。然而,实际观察到的大部分是从我们周围物体反射的光,例如其他人、建筑物、汽车、景观等。这些物体本身不产生光,而是通过称为减色的过程发出颜色其中某些波长的光被减去(吸收)而其他波长的光被反射(如图 3 所示)。例如,一片绿叶在自然阳光下呈现这种颜色,因为它反射绿色波长并吸收所有其他颜色。反射绿光的色调、亮度和颜色饱和度由反射波长的精确光谱决定。

现实世界中的原色

颜料和染料是我们在现实世界中看到的大部分颜色的原因。眼睛、皮肤和头发含有天然蛋白质色素,可以反映我们周围人所看到的颜色(除了面部化妆和染发剂中使用的颜色的任何帮助)。书籍、杂志、标牌和广告牌都用彩色墨水印刷,这些墨水通过减色过程产生颜色。以类似的方式,汽车、飞机、房屋和其他建筑物都涂有包含各种颜料的油漆。如上所述,减色的概念是由刚刚描述的对象产生的大部分颜色的原因。多年来,艺术家和印刷商一直在寻找含有特别擅长减去特定颜色的染料和颜料的物质。

使用原色打印

所有彩色照片以及其他绘画或印刷的图像均仅使用四种彩色墨水或染料——品红色、青色、黄色(减色原色)和黑色(见图 5)生成。以不同比例混合具有这些颜色的墨水或染料可以产生再现几乎任何图像或颜色所需的颜色。三种减色原色可以(理论上)单独使用,但是大多数染料和颜料的局限性使得必须添加黑色以获得真实的色调。当准备在书籍或杂志上印刷图像时,首先将其分离成减色原色成分,无论是通过摄影还是使用计算机,如图 5 所示。每个分离的成分被制成胶片,用于准备那个颜色的印版。最终的图像是通过顺序打印每个色板,一个在另一个上面,使用适当的墨水形成一个复合物,重新创建原始外观。油漆也以类似的方式生产。包含减色原色的基础颜料混合在一起形成用于最终油漆制备的各种颜色。

如何在显微镜相机中使用原色

本次讨论涵盖了主要加色和减色的各个方面。在使用显微镜查看和捕获彩色图像时,加色和减色原色的概念非常重要。显微镜光源通常是卤钨灯泡,可以发出色温在 3200 K 左右的明亮光线,或者是用于荧光显微镜的弧光灯,其色温在 5500 K 范围内。对观察者来说,这些表现为白光,可以被显微镜载物台上的样品吸收、折射、反射、偏振和/或透射。原色规则适用于样品如何与显微镜光相互作用,并确定在目镜中观察样品时显示的颜色。这些规则也适用于传统相机系统中的胶片或连接到显微镜的数字成像设备,两者都依赖于原色之间的相互关系来捕获图像。