白光的颜色

# 白光的颜色 来源：https://ludens.cl/photo/spectra/spectra.html 彩色摄影中最大的谎言是，只需记录物体中红、绿、蓝三色的比例，就能准确再现物体的颜色。这种当前主流使用的唯一技术，只有当相机的光谱灵敏度曲线与人眼的灵敏度曲线精确匹配，并且用于拍摄的光线光谱完美平滑，且永远不使用其他类型的光线时，才能获得良好的效果！显然，第一个要求已经很难满足，而第二个要求，简单明了地说，从未成立。 这就是为什么摄影师们总是在为获得正确的颜色而挣扎——却从未真正得到！ 这个问题不仅在摄影中重要，在日常生活中也同样重要。许多电子技术人员都讨厌那个无法正确读取电阻的愚蠢问题。老式电阻器，以及一些其他部件，使用色带或色点而不是数字进行标记。在某些照明条件下，很难分辨红色和橙色，或绿色和蓝色。这会导致设备中安装错误的电阻器，从而增加故障排除的工作量。 家庭主妇们也面临着同样的麻烦，例如试图将纽扣的颜色与衬衫匹配时。在室内电灯下，她们找到了完全合适的纽扣，缝上去后，当亲爱的丈夫第二天出门时，砰！那个纽扣就显得格外刺眼！ 好吧，我必须承认现在很多家庭主妇不会缝纽扣，但她们在精心化妆时也常常遇到类似的麻烦，只是到了室外看起来又不合适了！这可真是个大问题…… --- 为了更好地理解光的颜色问题，几天前我为自己制作了一个光谱仪。到目前为止已经很有趣了，所以我制作了这个色彩丰富的网页，既是为了将我的结果整理成有序的形式，也是为了让其他人从中学习。光谱仪是我的数码单反相机的一个简单附件。我用车床制作了一个两部分的塑料管，以146.6度的角度组装。在两部分的交界处安装了一个衍射光栅。这是一个廉价的薄膜型光栅，每毫米1000条线，我在eBay上购买的。 弯曲管的每一端都拧入镜头的滤镜螺纹。我在两边都使用了50mm镜头，但其他组合也是可行的。相机的镜头保持对焦在无穷远处，而附加的镜头作为准直器使用，其中心焦平面上安装了一个窄缝。我通过将两块美工刀片热粘在盖子中心孔的内部来制作这个缝隙。蓝色管道只是PVC水管，用车床加工以压入镜头的卡口，并具有42mm的长度。这允许使用镜头的对焦环将缝隙精确放置到位，从而对焦整个光谱仪。 看起来很酷，对吧？ 有几个网站更详细地描述了这种光谱仪的构造。许多网站不使用第二个镜头，而是简单地使用一根长管，将缝隙放置在离衍射光栅较远的位置，并将相机的镜头对焦到那个距离。 准备工作完成，让我们开始玩吧。 --- 让我们先看一个完整、相当平滑的光谱。它宽1500像素，所以最好将浏览器窗口设置得足够宽。左边缘大约在700nm波长处，可能稍低一点，而右边缘则稍微进入紫外线范围，比400nm稍短。这个光谱来自一个蓝色调的“日光”白炽灯泡。 背景设定好，让我们看看一些单色LED。这是一个大约1988年的红色LED。它在深红色范围中相当靠后。在人眼中看起来非常暗，刚好可以用作前面板上的指示灯。 接下来是一个现代的高效红色LED。它在光谱中工作得更高。 光谱中接下来是一个旧（1988年）的黄色LED。人眼看起来是黄色的光谱范围相当窄，而那些旧LED的带宽相当宽。它从红色跨越橙色和黄色，一直延伸到绿色。在人眼中看起来是一种脏黄色。 而这是一个现代的“橙色”LED。它的带宽窄得多，可以更精确地定义颜色。在人眼中看起来是美丽的金色。 然后是一个旧的绿色LED。如您所见，它不是纯正的绿色，落在绿色范围的下半部分，大部分进入黄色和橙色。在人眼中看起来足够绿，部分归功于绿色的外壳！如果没有那个色调，我猜这个LED看起来会相当黄。 相反，现代的绿色LED带宽窄得多，并且更好地安置在绿色范围内。我不确定这个光谱中的摩尔干涉是从哪里来的。我不认为这是光谱响应的实际纹波。 您在这里看到的是一个历史性的设备，直接来自我的博物馆：我购买的第一个蓝色LED！它非常昂贵，发出非常微弱的光芒，但若善意地看，它确实看起来是蓝色的！我买它只是为了炫耀，当时大多数人仍然认为蓝色LED是不可能制造的！我知道它是一个碳化硅LED。如您所见，像所有旧LED一样，它的带宽相当宽，并且中心在青色范围而不是蓝色范围。 而这是一个现代的、真正的蓝色LED。 接下来是一个被我当作“紫外线”出售的LED。我无法判断它实际输出多少紫外线，因为我的相机和镜头会过滤掉任何较高的紫外线。但看起来很有希望，我不得不延长光谱图像的裁剪范围以容纳光谱的远紫色部分，之前我认为我的相机在那里看不到任何东西而剪掉了！注意它也有一些微弱的绿色和红色输出。 如您所见，LED几乎覆盖了可见光谱的任何部分。在我的收藏中，我没有干净、漂亮、窄带宽的青色LED，但它肯定也存在！ --- 现在让我们看看实际的灯。上面的LED主要用于指示，具有强烈的颜色。而灯通常被设计成产生尽可能白的光，或者让我这么说，尽可能接近日光的光。这是因为颜色视觉和再现的标准是它在自然界中，在露天环境下的样子。这可以是晴天，适当的偏黄色阳光和蓝色天空混合照耀，或者是一层均匀的白色云层，将光线混合在一起。当然，云层确实会比其他波长吸收更多某些波长，因此云层光的颜色与晴天充分混合的光并不相同。事情从来都不是简单的！最平滑的光谱来自黑体辐射器。普通的白炽灯泡就是这样的黑体辐射器——只是它们不够热！为了产生完美照明的圣杯，我们需要一个被加热到大约5000开尔文（约4700摄氏度）的黑体。问题是：什么材料可以使用，能在如此温度下保持固体状态？ 因此我们使用钨，所有金属中熔点最高的金属，尽可能加热它，使其不会蒸发太快。这就是普通的灯泡。我们得到的是平滑的光谱，但平衡较差，红色强烈，蓝色微弱，几乎没有紫色： 上面是一个25瓦的灯泡，下面是一个100瓦的灯泡。这两个的光谱几乎相同。两者在人眼中看起来都非常黄。 工程师们拼命寻找提高灯丝温度的方法，以改善蓝色端的输出。这导致了卤素白炽灯的发展，它使用高压卤素气体来回收离开灯丝的钨，并将其重新沉积到该处。这允许卤素灯的灯丝比普通灯泡稍热运行，导致蓝色输出稍强，从而整体平衡更好： 还有一种粗暴的方法从白炽灯获得更白的光，就是简单地添加一个蓝色滤镜，将灯泡染成蓝色。这不是通过增加蓝色来实现的，而是通过减少红色！所以它确实实现了产生良好平衡光谱的目标，但效率，对于任何白炽灯来说已经很低，现在变得荒谬了！这个光谱，与我开头作为参考展示的相同，来自一个飞利浦60瓦蓝色调的“日光”白炽灯泡： 如您所见，它比卤素灯泡多一点蓝光，使其成为我收藏中最平滑的光源，具有最佳的色彩再现和视觉印象——但也是最不节能的！ 作为对比，这是真实日光的光谱——下午三点左右的太阳加上蓝天，因此它应该具有平均的日光平衡。可以看到，“日光”灯泡，即使有蓝色玻璃，也比真实日光明显偏红。太阳光谱中的暗条纹是夫琅禾费线。 --- 现在我们已经看到了光谱最平滑的光源，让我们看看最“冒险”的：气体放电灯！它们本质上是纯光谱线辐射器。这是氖气的光谱，从一个小型氖指示灯泡中获得，看起来——你能猜到吗？——是红/橙色： 这是汞蒸气放电的光谱，用于许多灯具中。它看起来是绿/蓝色的： 上面的光谱来自金属卤化物灯，刚打开时还处于冷态。其中的其他金属尚未被电弧激发，因此尚未发光。但几分钟后灯变热，其中的其他金属被热激发，增加了许多自己的光谱线。这时金属卤化物灯的光在人眼中看起来是白色，并且非常强烈： 难怪这样的灯无法具有非常好的显色性，对吧？可见光谱的大部分区域根本没有光！仅反射光谱窄范围的物体在这种光下可能看起来完全是黑色的，而在日光下或白炽灯下会呈现明亮的颜色。而另一个在日光下看起来是红色的物体，在金属卤化物灯下可能看起来是绿色的，只是因为它在深红色（如650-700nm）有强反射，而在绿色范围中心反射较弱。在纯平滑的白光下，强烈的红色反射会主导微弱的绿色反射，物体将呈现亮红色，可能带点橙色调。相反，在金属卤化物光下，它会看起来是绿色的，因为灯在深红色范围根本没有输出，所以物体微弱的绿色反射在灯强烈的绿色光谱线照射下使其看起来完全是绿色的！ 这是一个哲学问题：这种不正确甚至不可预测的显色性是灯具的错，还是只反射窄带宽的任何物体、染料和颜料的错？但我的观点是，我们拥有更多的这类物体、染料和颜料，而不是灯具类型，所以灯具更容易控制！这就是为什么当我们需要良好的显色性时，不应该使用任何具有强烈线状光谱的灯具。 有一种特殊类型的气体放电灯，摄影师非常熟悉：氙气闪光灯管。我制作了我的宾得AF-280T闪光灯的光谱，再一次，我感到惊讶。尽管有明确的光谱线，但它们几乎融入了一个非常平滑、甚至宽带的辐射！ --- 多年来，荧光灯一直是照明的主要支柱。它高效、便宜、寿命长，而且用途广泛。还能要求更多吗？当然可以！可以要求良好的显色性，而荧光灯正是做不到这一点。荧光灯是一根长玻璃管，可以是直的或弯曲成各种形状，其中汞蒸气被电激发。汞发出其特征光谱，覆盖在管壁内侧的特殊材料涂层将部分辐射转换为其他颜色。这些特殊材料被称为“荧光粉”，纯粹出于历史原因，因为现代的“荧光粉”根本不含有任何磷（化学元素）！这些灯具可以是直的长管，或弯曲的管子，与外部控制电路（镇流器）一起使用，或者它们是非常紧凑的弯曲管，带有集成镇流器，称为“紧凑型荧光灯”（CFL），或“节能灯泡”——即使它们不是灯泡而是管子，并且它们并不节省任何能量（绝对意义上），而是消耗能量，就像任何灯一样！ 旧荧光灯被（在许多网站上！）称为“双色灯”，将蓝色的汞辉光与黄色荧光粉结合。这会导致极其糟糕的显色性！就像人们在网上和书中读到的许多事情一样，这只是半个事实。事实证明，这种“黄色荧光粉”在相当宽的带宽上发出平滑的光谱，从相当深的红色一直延伸到青色甚至蓝色范围！下面取自Oryom 18瓦“暖白色”CFL的光谱图非常清楚地说明了这一点：汞的特征谱线承载在中心位于黄色范围的非常宽的辉光上。 让我们将其与更现代的“三色”CFL进行比较，它具有相同的“暖白色”色温2700K。这是来自Osram Dulux Star 8W的CFL，它声称显色指数高于80%，这相当好——而且难以置信！尽管强烈的蓝/紫色汞线被该灯的荧光粉大部分吸收，但光谱中仍有许多宽区域基本上没有光。这远非平滑均匀的光谱分布！ 让我们将其与西屋电气8W的CFL进行比较，这是“日光”类型，指定色温为6500K。很明显，它使用了与上面相同的荧光粉，但数量不同，因此红色较弱，蓝色强得多。 这是飞利浦Ecohome 23W的CFL，色温也是6500K。就所有实际目的而言，其光谱与上面的灯完全相同。这些灯都是中国制造的，即使不是同一工厂生产的，荧光粉也肯定是同一家公司制造和混合的…… 本页上最后一个CFL是通用电气20W的，我买它是因为它具有相当罕见的中性白色，色温为4000K。这是我最喜欢的颜色。光谱图显示没有什么意外：它也使用相同类型的荧光粉，混合比例介于2700K和6500K的灯之间： 我想测试任何具有>90%显色指数规格的荧光灯的光谱，特别是那些标为“颜色940”的，这意味着4000K色温且显色指数高于90%。不幸的是，在我附近没有地方可以买到！我已经搜索了周边地区所有的电器和五金商店，都没有！但大厂商如Osram的目录里列出了它们。我预计这种高显色指数的灯会填补光谱中的黑暗区域，并进一步抑制明亮的区域。也许它们甚至将范围延伸到深红！这当然意味着效率降低，因为人眼在极端波长处的敏感度较低。这个世界上没有免费的午餐。 --- 就在几天前，我还在相信我在几个网站上读到的：白光LED基本上是蓝色LED涂上荧光粉，添加黄色或……