每隔一段時間，就會有那種
「呀科學家製造了一種不存在的顏色？」
「紫色其實並不存在？」
之類的話題傳播
這個是洋紅色
為了方便討論這裡面的原因 進行電影放映計劃，我們眾籌了一台投影儀，探索色彩的秘密。
本來我們應該興高采烈開始互相交流 觀影 經驗了，但是卻遇到很尷尬的事情……
投影實拍，圖片來自網絡
01
如果你是 / 曾經是 / 將要是一個好好學習天天向上(good good study，day day up) 的社會主義好學生，那麼每天上課的時候免不了要舉起手機對著老師的幻燈片拍拍拍，生怕錯過了什麼重要細節。得益於現在手機相機優秀的放大性能，手機很多時候也能給搶不到前排的同學帶來福音。
明明想要好好學習，卻發現講義被彩色條紋蓋了個嚴嚴實實…… 實際上，這裡面就藏著我們人眼能看到，但是自然界中卻「不存在」的顏色的秘密。
老師們的幻燈片在以前，還不是這樣子。
幻燈片投影儀
那時候的幻燈片，是現實中真的一張一張透明的彩色的片。這個話題說起來真的是「暴露年齡」。老師們把幻燈片放到載盤上，在載盤下方燈泡發出的光線穿過幻燈片，調節透鏡和平面鏡的位置，通過折射和反射，讓光線聚焦在和地面垂直的投影幕布上，成一個放大的像。因為燈泡的功率很大，所以通常在燈泡邊上還會有一個幫助其冷卻降溫的風扇。一開機，這個風扇也會呼呼呼地吹起來。
光線從透鏡的一側進入後，經過折射平行光會焦於焦平面，再成像。通過調節物距，就可以移動像距，圖片來自 ello.co/marcrodriguez
長江後浪推前浪，前浪死在沙灘上……在個人電腦普及開來以後，就再也見不到上面這種最有「古典範」的幻燈片和投影儀了，取而代之的是演示文稿、辦公軟體和數碼投影儀。幻燈片這個名字也漸漸地出現的次數也少了，屁屁踢反而變多。雖然大家現在叫得多，但這個名字的誕生，卻是在洗澡的時候想出來的。產品負責人 Bob Gaskin 為了避免和市面上的其它產品重名，才取名為PowerPoint，卻沒想到成就了一個全球通用的名詞。
洗澡的名人，除了阿基米德你還能想到誰
02
在開始解答我們的標題這個問題之前，我們需要先來嘮嘮投影儀的發展史——這真的是一部活脫脫的人類「視覺動物」進化史。雖然現在視覺動物聽上去是一個……不是很友好的詞，但人類在追求視覺和色彩的道路上那是真的狂奔不止。
科學史上對光和顏色之間的討論始於亞里士多德，但是真的要說出點門道來，還得等到我們的牛頓牛爵爺出面。不得不說牛頓真的是狠人——對自己狠的那種，為了研究不考慮任何後果。比如長時間用一隻眼睛看太陽，直到把眼睛把所有白色的物體全都看成紅色。此時再閉上眼睛，反覆之後，他發現眼前，會出現和太陽一樣的斑點，雖然他現在並沒有看著太陽。由此他得出結論，他的幻覺也能像太陽一樣充分激勵神經。
牛頓在光學方面貢獻頗多，最為人所知的，其實還是用三稜柱進行分光實驗，圖片來自 @thesarahshow
當然我們現在可以測出來神經信號傳播的速度大約為 90m/s，通過產生視覺的時間差，我們可以判斷大腦在合成視覺信號的過程中起到了一定的作用，更何況三原色理論早已久經考驗。因為人眼中存在著三種不同的波段敏感的細胞，就有人巧妙地設計了「色彩匹配實驗」。基本原理在於人眼不擅長直接定量，但很擅長比較。如果只用兩種色光混合，始終會有顏色合成不出來，但是一旦使用三種顏色，人們就能混合出光譜裡面的任意顏色。摸清楚了這一點，人類真的算是在成為「視覺動物」的歷史上邁出了一大步。
挑口紅顏色的過程，就和色彩匹配實驗差不多。需要比較的兩邊分別是參考的特定波長的光和三原色混合而成的光。圖片來自 @jessmac
正是在前輩們的探索下，我們終於找到了人類顏色感知的「基底」。因為人眼的構造，想要得到各種顏色，我們並不需要產生特定波長的光線，只需要讓紅綠藍三種顏色以適當的比例混合在一起，進入到人眼裡，萬能的大腦就能把它們合成起來。雖然這裡是輕描淡寫混合兩個字，但在人類的歷史上為了得到彩色，真的不是一件容易的事情。
03
混合的思路我們可以有兩種，一種是在時間上混合，一種則是在空間上混合。前者靠腦補，後者……還是靠腦補。當然腦補的方式還是有點點區別的，前者生成顏色需要靠前面牛爵爺探索得到的延遲效應，再讓大腦腦補，後者是讓大腦直接腦補。
所謂腦補，其實就是豬鼻子插大蒜。圖片來自網絡
早期的投影儀思路非常地簡單粗暴，想要放映彩色內容的話，需要使用三種光源和三個透鏡，叫做「三槍投影儀」，分別投射出紅、綠、藍三種顏色，而我們想要的影像，就通過這三種顏色的明淡來進行混合。因為放映過程中需要使用的燈泡功率都很高，把三組燈泡和透鏡系統組合起來，需要複雜的電纜。而且還有一點很要命，這個光學系統太過複雜，需要把三個畫面都要投到螢幕上的同一位置，對焦十分不方便。所以在最開始的時候發展非常受限。
三槍投影儀的樣子，不是紅綠燈。圖片來自網絡
那麼我們能不能夠把三種光源合成成一個呢？在「三槍投影儀」問世後，人們發展了被稱為「單槍投影儀」。在投影儀這個領域裡面，「炮塔」，也就是光源越多，似乎並沒有什麼用，反而憑空增加了系統的大小和調節的複雜度。
在「單槍投影儀」裡面，按照混合不同顏色色光的思路的不同，大概分為 LCD 和 DLP 兩個流派。需要說明一下，這兩個流派其實現在發展了很多分支，不過太過專業的東西今天我們就不涉及了。
液晶顯示器的基本原理示意圖。通過調節電壓讓液晶分子在空間中的取向發生變化，從而控制不同顏色的光的多少，進而控制發光的顏色。圖片來源見右下角
LCD(Liquid Crystal Display) 以液晶顯示技術作為彩色來源基礎。液晶顯示面板我們每天都能夠看到，人如其名，彩色的來源正是液晶。液晶在 1888 年由植物生理學家弗里德里希·萊尼澤發現。關於液晶最神奇的效應，就是它對光線的振動方向有選擇性。液晶分子的形狀像一個擀麵杖，通過改變電壓，讓這個擀麵杖轉起來，就能控制通過的光的強弱。誕生於 1989 年的愛普生 VJP-2000，便是全球第一台 LCD 投影機，到今年已經有整整三十年的歷史。
色輪示意圖。投影儀中色輪樣式有很多種，上圖中是最簡單的只有紅綠藍三種顏色的樣式。圖片來自網絡
再後來的技術演進中，出現了 DLP 這個流派，採用另外一種不同的方法。單片 DLP 投影儀通過色輪來產生顏色，從燈泡上發出的光經過色輪上不同的透光片，變成了三原色的光，再通過數位訊號控制的反射板，把光線反射形成螢幕上對應的圖樣。色輪上通常被分為四個區域：紅區、綠區、藍區和用來增加亮度的透明區域，為什麼不使用只有三種三原色紅綠藍的色輪呢？原因很簡單，DLP 投影儀裡面只使用了常用汞燈光源 1/3 左右的有效部分，亮度其實大打折扣，最後看到的圖片顏色與真實色值存在一定色差。
我們在評價投影儀的時候，投影儀的亮度其實是一個非常重要的參數，投影儀越亮，意味著投出來的螢幕更清晰，在白天都能看得見。看到投影儀看不清了，第一反應是去換一個燈泡，但是殊不知在這裡面還存在色彩亮度和白光亮度這個區別。不同的投影技術下，同樣的白光亮度其實並不意味著相同的色彩亮度，比如 DLP 的效率就不如 LCD。
LCD 使用的分光器原理示意圖。投影儀中常用的光源為汞燈，具有分立的譜線，其藍色譜線和綠色譜線正好對應 CIE 色彩空間中的兩種原色。分光器通過鍍膜，可以使得特定波長的光發生反射，而其餘的光穿透而過，實現分光原理。光源的利用率更高。圖片來自網絡
色彩亮度這個概念可能大家是第一次聽說，但在我們的生活中其實有很多應用。比如一張照片，電腦上看起來還好好的，但投影投出來卻是灰濛濛的，這就是因為輸出的彩色光不夠亮，看起來就和加了個濾鏡似的。
不同色彩亮度的對比圖。圖片來自百度百科
04
為了給大家真的感受投影儀裡面發生了什麼，小編厚著臉皮整來了另一個使用不同原理來生成色光的投影儀。因為是借的，怕拆了以後組裝不回去（小編太菜了），特地準備了偏振片，來不破壞地展示不同色彩的合成原理 正經玩專欄失業警告 。
我們架設好兩台投影儀機器以後，讓它們都在相同的距離往牆上投影。舉起手機，然後，就是我們見證奇蹟的時刻。
如果你的手機拍照參數不太對的話，就會拍成這個樣子。關注我們比較久的肯定知道這張圖是個啥，我就不解釋了
可以看到，在拍出來的照片裡面，上方的電腦桌面還保持了比較真實的顏色，下方投影儀畫面用照片效果已經完全偏離了真實的顏色了。在手機拍照的時候，DLP 投影儀還來不及在每個位置都撒上紅綠藍三種顏色，所以就看到這三種顏色分開，而不是彩色的情況。因為 DLP 的投影儀裡面的色輪並不是只有紅綠藍三種顏色，而是還留了一塊透明的部分，發出白光，所以還有一部分是黑白的。
在換用另一台拍照的設備以後，可以看到，兩種投影儀的差別並不是那麼的大。
小時候電視台停播的時候的畫面，其實是用來測試螢幕的。可以看出來下面這台投影儀的畫面整體都偏暗，比如左下角的顏色都難以辨認分界線了
但是這兩者之前仔細一點看的話，區別還是有的，因為我們選用的投影儀的型號的關係，DLP 型號的白光亮度更高，所以下面的圖片白色部分比起上面而言會更亮一些。但是彩色部分亮度表現卻不如 LCD 原理的投影儀。
因為 LCD 使用液晶控制亮度，所以最後鏡頭出來的光是偏振光，幾個偏振光疊加在一起，構成了最後的彩色。正好我們手頭有現成的偏振片，可以一探究竟。我們已經知道 LCD 投影儀中的色輪是三原色，紅綠藍，而且可能具有不同的偏振方向。
偏振片
我們把偏振片放在投影區域中的白色部分，並緩慢轉動偏振片。可以看到經過偏振片以後，光線的顏色會緩緩從綠色變成洋紅色。在其他不同顏色，也會相應地有不同的偏振方向。
通過偏振片，我們可以確定投影儀確實是由不同偏振方向的色光合成而成的
但是如果我們把偏振片移動到 DLP 投影儀投出來的圖像上，顏色並不會有變化。
這個並不是偏振光
前面提到，如果拍照的時間太短，那麼 DLP 投影儀還來不及在每個位置都撒上紅綠藍三種顏色。因為運動是相對的，如果我們目光掃過螢幕的速度足夠快，那麼在人眼看來，螢幕就是相對人眼處於高速運動狀態，DLP 投影儀就會出現色光分離，也就是彩虹效應。
彩虹效應示意圖……因為我們實在拍不出來，就在網上找了一張了。實際實踐的時候左右來回晃動眼球就可以看到，非常明顯。經過嘗試，這種效應在暗色背景下尤為明顯。
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有了前面那麼久的鋪墊，我們終於可以解答標題裡面的問題……
為了解答這個概念，我們需要把上面對於色彩的描述定量化，也就需要使用色彩空間。CIE RGB 色彩空間是一種很常用的色彩空間。其x，y 橫縱兩個坐標分別表示標準化以後的三原色中紅色和綠色的成分，1-x-y 代表藍色。由此構成了人類所感知到的所有顏色。
CIE-xyz 色彩空間。圖中的三角形代表汞燈的藍色譜線與綠色譜線，還有 700nm 紅光所能製造的所有色彩的範圍。
圖上上邊緣的那條曲線，是指波長從 435.8nm 連續變化到 700nm 的可見光，在色彩空間上的軌跡。因為人眼對色彩的感知幾乎是線性的，如果我們隨便從色彩空間中選兩種顏色 C1 和 C2，那麼這兩點連成的線段上每一點的顏色都可以用 C1 和 C2 組合而成。選定三種顏色，就可以畫一個所有可顯示顏色的三角形。因為我們不可能擁有除了自然的可見光波段其它的光源，所以三個角落各有一些空白。
在投影儀中，常用的是汞燈，來得到不同的三原色。理想很豐滿，現實很骨感，這句話我們說了很多遍了，投影儀裡面也是一樣。我們實際得到的顏色肯定沒有上面那個三角形那麼大。
洋紅色
對於 CIE RGB 色彩空間中下半部分，人眼可以將藍色和紅色混合成洋紅色（就是今天封面圖的顏色），但是實際上並不存在特定波長的光，在人眼看來是真正的洋紅色。
這就是投影儀合成「不存在」的顏色全部的真相了。
後記
經過這麼一番折騰，
我們終於知道啥樣的內容更適合
我們決定重新挑選投影儀
然而，現實是
錢包限制了我們的購買力
甚至連兩台借來的投影儀都買不起
* 感謝正經玩小編 Major Tom 提供的攝影支持
參考內容
1. 幻燈片投影儀 - 維基百科
2. Microsoft PowerPoint，wikipedia
3. 現代科學先驅牛頓 By 王金鋒
4. Young-Helmholtz_theory, Dichroic_filter, Screen-door_effect
編輯：Cloudiiink