投影仪怎么合成「不存在」的颜色

每隔一段时间，就会有那种"啊，科学家创造了一种不存在的颜色？""紫色并不真的存在？"等等。

这是洋红色的

为了便于讨论原因，我们都举起了投影仪来探索颜色的秘密。

我们应该愉快地开始互相交流看电影的经验，但是我们遇到了非常尴尬的事情。

投影实景，网络图片

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如果你是/过去是/将来会是一个好的*学生，每天都好好学习，那么你就必须每天在课堂上举起手机拍老师的幻灯片，以免错过任何重要的细节。由于手机摄像头出色的放大性能，手机可以给不能坐在前排的学生带来好消息。

明明想努力学习，却发现讲义上布满了彩色条纹...事实上，颜色有一个秘密，我们的眼睛可以看见，但在自然界中“不存在”。

老师的幻灯片以前不是这样的。

幻灯机

当时，幻灯片实际上是透明的彩色电影。这个话题真的是“曝光时代”。老师们把幻灯片放在承载板上。来自承载板下灯泡的光穿过载玻片，调整透镜和平面镜的位置。通过折射和反射，光线聚焦在垂直于地面的投影屏幕上，形成放大的图像。因为灯泡的功率很大，所以通常在灯泡旁边有一个风扇来帮助它冷却。机器一开机，风扇也会吹。

从透镜的一侧进入后，折射的平行光将聚焦在焦平面上并再次成像。通过调整对象距离，您可以移动图像距离。这幅画来自ello.co/marcrodriguez

长江后浪推前浪，前浪死在沙滩上...随着个人电脑的普及，上面最“经典”的幻灯片和投影仪将不再出现，取而代之的是演示文稿、办公软件和数字投影仪。“幻灯片放映”这个名字逐渐变得不那么频繁了，放屁的次数实际上增加了。虽然现在很多人都这样称呼它，但这个名字的诞生却是在洗澡的时候出现的。产品经理鲍勃·加斯金(Bob Gaskin)命名了PowerPoint，以避免与市场上的其他产品重复，但他没想到会有一个通用术语。

除了阿基米德，你还能想到谁是著名的游泳运动员？

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在我们开始回答标题的问题之前，我们需要谈谈投影仪的发展史——这实际上是人类“视觉动物”的进化史。虽然视觉动物现在听起来像...不友好的话，人类真的在追逐视觉和颜色的道路上奔跑。

科学史上关于光和颜色的讨论始于亚里士多德，但我们仍然要等到牛顿爵士站出来之后才能说什么。我不得不说牛顿真的很无情——那种对自己很残忍，不考虑任何研究结果的人。例如，一只眼睛用来长时间看太阳，直到一只眼睛看到所有白色物体都是红色。这时，他一次又一次地闭上眼睛，发现在他眼前会有像太阳一样的斑点，尽管他现在没有看太阳。由此他得出结论，他的幻觉能像太阳一样充分刺激神经。

牛顿在光学方面做出了许多贡献。最著名的一个实际上是用三棱镜进行光谱实验。这张照片来自@thesarahshow

当然，我们现在可以测量出神经信号的传播速度大约是90米/秒。通过产生视觉时间差，我们可以判断出大脑在合成视觉信号的过程中起了一定的作用，更不用说三原色理论已经被检验了很长时间。因为人眼中有三种不同波段的敏感细胞，有人巧妙地设计了“配色实验”。基本原理是，人眼不擅长直接量化，但擅长比较。如果只有两种颜色的光混合，总会有无法合成的颜色，但是一旦使用了三种颜色，人们就可以混合光谱中的任何颜色。明白这一点后，人类在成为“视觉动物”的历史上迈出了一大步。

选择口红颜色的过程类似于配色实验。要比较的两面是特定波长的参考光和三原色混合的光。照片来自@jessmac

正是在前人的探索下，我们终于找到了人类颜色感知的“基础”。由于人眼的结构，我们不需要产生特定波长的光来获得各种颜色。我们只需要将红色、绿色和蓝色以适当的比例混合，进入人眼，万能的大脑就能合成它们。虽然这是一种轻描淡写的说法，是两个词的混合，但在人类历史上，这真的不是一件容易的事情。

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有两种混合方式，一种是在时间上混合，另一种是在空间上混合。前者依赖大脑补充，而后者依赖大脑补充。当然，大脑得到补充的方式仍然有一点不同。前者需要依靠弗格森爵士在产生颜色前探索的延迟效应，然后大脑得到补充，而后者则直接得到补充。

所谓的健脑剂实际上是一只鼻子里有大蒜的猪。互联网上的图片

早期的投影仪思想非常简单和粗糙。如果你想显示颜色内容，你需要使用三种光源和三个镜头，这就是所谓的“三枪投影机”，分别投射红色，绿色和蓝色。我们想要的图像由这三种颜色的亮度混合而成。因为在筛选过程中使用的灯泡的功率非常高，所以三组灯泡和透镜系统的组合需要复杂的电缆。还有一件事非常致命，这个光学系统太复杂，需要把三张照片都放在屏幕上的同一位置，对焦非常不方便。所以一开始，发展是非常有限的。

三枪投影仪的外观不是交通灯。互联网上的图片

我们能把三个光源合二为一吗？“三枪投影仪”问世后，人们开发了所谓的“单枪投影仪”。在投影仪领域，“炮塔”，即更多的光源，似乎没有任何用处。相反，它们增加了系统的规模和调整的复杂性。

在“单枪投影仪”中，根据混合不同颜色光的思想，它可以大致分为液晶显示器和DLP。需要解释的是，这两所学校现在实际上已经发展了许多分支，但我们今天不会涉及太专业的内容。

液晶显示器基本原理图。通过调节电压，改变液晶分子在空间中的取向，从而控制不同颜色的光量，进而控制光发射的颜色。请参见右下角的图片来源。

液晶显示器使用液晶显示技术作为色源的基础。我们每天都能看到液晶显示屏。顾名思义，颜色的来源是液晶。植物生理学家弗里德里希·伦泽于1888年发现了液晶。液晶最神奇的效果是它能选择光振动的方向。液晶分子的形状像擀面杖。通过改变电压和旋转滚动销，可以控制通过的光的强度。爱普生VJP 2000诞生于1989年，是世界上第一台液晶投影仪，今年已有整整30年的历史。

色轮图。投影仪中有多种色轮样式。在上图中，最简单的只有三种颜色:红色、绿色和蓝色。互联网上的图片

在随后的技术发展中，DLP应运而生，并采用了不同的方法。单个DLP投影仪通过色轮产生颜色，灯泡发出的光通过色轮上不同的透光片变成三原色光，然后被数字信号控制的反射板反射，在屏幕上形成相应的图案。为了增加亮度，色轮通常分为四个区域:红色区域、绿色区域、蓝色区域和透明区域。为什么不使用只有红、绿、蓝三原色的色轮呢？原因很简单。DLP投影仪只使用普通汞灯光源有效部分的1/3左右，亮度大大降低。最后，您看到的图片颜色与真实颜色值有一些颜色差异。

当我们评估投影仪时，投影仪的亮度实际上是一个非常重要的参数。投影仪越亮，屏幕就越清晰，白天也能看到。当我看到投影仪看不清楚时，我的第一反应是换了一个灯泡，但我没有意识到颜色的亮度和白光的亮度之间仍然有差别。在不同的投影技术下，相同的白光亮度实际上并不意味着相同的颜色亮度。例如，数字液晶显示器的效率比液晶显示器低。

液晶显示器用分光器原理示意图。投影仪中常用的光源是汞灯，它有离散的谱线。它的蓝色和绿色光谱线正好对应于CIE颜色空间中的两种原色。分光器可以通过涂层反射特定波长的光，而其余的光通过，从而实现分光原理。光源的利用率更高。互联网上的图片

颜色亮度的概念对每个人来说可能都是新的，但它在我们的生活中有许多应用。例如，一张照片在电脑上看起来不错，但投影是灰色的。这是因为输出的彩色光不够亮，看起来像一个过滤器。

不同颜色亮度对比图。图片来自百度百科。

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为了让每个人对投影仪内部发生的事情有一个真实的感觉，边肖厚着脸皮安装了另一台投影仪，它使用不同的原理来产生彩色光。因为它是借来的，我担心拆卸后我不能组装它(它太小了，不能做一个盘子)。我特别准备了一个偏光板来展示不同颜色的原理而不损坏它。我在玩失业警告栏。

在我们安装了两台投影仪之后，让它们都以相同的距离投射在墙上。举起你的手机，然后，这是我们见证奇迹的时刻。

如果你手机的相机参数不正确，它会像这样。经过长时间的密切关注，我一定会知道这幅画是什么，所以我不会解释它。

可以看出，在拍摄的照片中，上位机桌面仍然保持着相对真实的颜色，而下位机的画面效果已经完全偏离了真实的颜色。当手机拍照时，DLP投影仪不能在每个位置洒上红、绿、蓝三种颜色，所以我们可以看到这三种颜色是分开的，而不是彩色的。因为DLP投影仪中的色轮不仅是红色、绿色和蓝色的，而且还有一个透明的部分发出白光，所以有一个部分是黑白的。

在切换到另一台摄像机后，我们可以看到两台投影仪之间的差别并不大。

当我还是个孩子的时候，电视屏幕实际上是用来测试屏幕的。可以看出，下面投影仪的整个画面是暗的，例如，左下角的颜色很难识别分界线。

但是，如果你仔细看这两个之前，仍然有一些差异，因为DLP模型有更高的白光亮度由于我们选择的投影仪模型之间的关系，所以下面的图片的白色部分将比上面的更亮。然而，彩色部分的亮度不如基于液晶显示原理的投影仪的亮度好。

因为液晶显示器使用液晶来控制亮度，所以来自最终透镜的光是偏振光，几个偏振光叠加形成最终的颜色。碰巧的是，我们手头有现成的偏光片，所以我们可以找到。我们已经知道液晶投影仪中的色轮是三原色，红色、绿色和蓝色，并且可能具有不同的偏振方向。

人造偏光板

我们把偏振器放在投影区域的白色部分，慢慢旋转偏振器。可以看出，在穿过偏振板之后，光的颜色将从绿色慢慢变为品红色。在其他不同的颜色中，相应地会有不同的偏振方向。

通过偏光板，我们可以确认投影仪确实是由不同偏振方向的彩色光组成的。

但是，如果我们将偏光片移动到DLP投影仪投影的图像上，颜色不会改变。

这不是偏振光

如前所述，如果拍摄时间太短，DLP投影仪将无法在每个位置洒上红色、绿色和蓝色。因为运动是相对的，如果我们的眼睛在屏幕上扫得足够快，那么屏幕相对于人的眼睛是高速运动的，并且DLP投影仪将具有色光分离，即彩虹效应。

彩虹效应图...因为找不到，我们在网上找到了一个。在实际操作中，人们可以通过左右摇晃眼球来看到它，这是非常明显的。经过尝试，这种效果在黑暗的背景下尤其明显。

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有了这么长时间的铺垫，我们终于可以回答标题中的问题了...

为了解决这个概念，我们需要量化上面对颜色的描述，并且我们还需要使用颜色空间。色空间是一种常见的颜色空间。x和y水平和垂直坐标分别代表标准化三原色的红色和绿色分量，x-y代表蓝色。这构成了人类感知的所有颜色。

色彩空间。图中的三角形代表汞灯的蓝色和绿色谱线，以及700纳米红光能产生的所有颜色范围。

图中上边缘的曲线是指在颜色空间中波长从435.8纳米到700纳米连续变化的可见光轨迹。因为人眼对颜色的感知几乎是线性的，如果我们从颜色空间中随机选择两种颜色C1和C2，那么由这两个点连接的线段上的每个点的颜色可以由C1和C2组合。选择三种颜色，你可以画一个所有颜色的三角形。因为除了自然可见光波段，我们不能有其他光源，所以在三个角落都有一些缝隙。

在投影仪中，汞灯通常用于获得不同的三原色。理想是充实的，现实是瘦骨嶙峋的。这句话我们已经说过很多次了，投影仪也是如此。我们实际得到的颜色肯定没有上面的三角形大。

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品红

对于CIE RGB颜色空间的下半部分，人眼可以将蓝色和红色混合成品红色(即今天封面图像的颜色)，但是实际上没有特定波长的光，这对于人眼来说是真正的品红色。

这就是投影仪合成“不存在的”颜色的全部真相。

附言

经过这么多考验，我们终于知道什么样的内容更合适了，于是我们决定转售投影仪。然而，现实是我们的钱包限制了我们的购买力，我们甚至买不起两个借来的投影仪。

*非常感谢汤姆少校提供的摄影支持，他目前正在演奏小型系列。

参考内容

1.幻灯机——*

2.微软PowerPoint，*

3.现代科学的先驱王金凤·牛顿

4.杨-亥姆霍兹理论，二向色滤光片，屏门效应