眼睛只会「数到三」：我们是怎么看见颜色的？

上一篇《秋天的叶子，为什么会慢慢变黄、变红？》发出去以后，有朋友问了一个很好的问题：

第二幅图里，叶子在 700 纳米以后反射回来的光非常多，比绿光还多得多。那为什么叶子的颜色，并不是那些光的颜色？

答案不在叶子里，而在我们的眼睛里。

先猜一猜

一种猜法是：那一段太阳光本来就少。这不对，阳光在那里一点也不弱。另一种猜法是：那是红外线，眼睛看不见。这只对了一半，700 到 780 纳米其实还算可见光，只是眼睛已经非常迟钝了。

要真正说清楚，得先知道眼睛是怎么「看」颜色的。

眼睛只认三个数

眼睛里负责分辨颜色的，是三种视锥细胞。它们各有偏爱：L 视锥偏爱红光一侧，M 视锥偏爱绿光，S 视锥偏爱蓝光。

一束光进到眼睛里，每种视锥都会把所有颜色的光，按自己的口味加权加起来，得到一个数：这束光让我「兴奋」了多少。于是不管光谱多复杂，眼睛最后只留下三个数，交给大脑。颜色，就是这三个数之间的比例。

回到那片叶子

把叶子反射回来的光，和三种视锥的灵敏度相乘，就得到眼睛实际收到的信号：

第一行里，700 纳米以后的那一大片光，占了叶子反射光的一半。可是看第二行：三种视锥在 700 纳米以后几乎都趴在了地上。在 700 纳米，最敏感的 L 视锥也只剩峰值的 0.6%；到 750 纳米，只剩 0.015%。两者一乘，第三行里 700 纳米以后的那一大片光，几乎完全消失了，只占眼睛信号的 0.06%。

真正决定叶子颜色的，是 500 到 600 纳米之间那个不起眼的「小鼓包」：它让 M 视锥比 L 视锥更兴奋一些，S 视锥只是一点点，大脑就把它读成了绿色。

一束光扫过彩虹

可见光的边界并不是一堵墙，而是一段慢慢变低的坡。让一束同样强的单色光，从紫外一路扫到红外，看看三种视锥怎么反应：

在中间，三种视锥轮流兴奋，颜色从紫变到蓝、绿、黄、红。到了两头，信号越来越弱，颜色也越来越暗，最后完全变黑。电视遥控器用的是 940 纳米左右的红外光，三种视锥都毫无反应，所以按遥控器时，我们什么也看不见。

同一种黄，三种完全不同的光

既然眼睛只留下三个数，那就会有一件很奇妙的事：只要三个数一样，完全不同的光，看起来就是同一种颜色。

第一行是秋天黄叶反射的阳光，光谱又宽又平缓。第二行是手机屏幕上的「黄」：屏幕上只有红、绿、蓝三种小灯，这里亮的是红光和绿光，再加一点蓝光，里面一点黄光也没有。第三行是一盏只发很窄一段黄光的灯。

三条光谱长得完全不一样，三个数却几乎一样，眼睛也就分不出来。这叫「同色异谱」。手机、电视、电脑屏幕之所以只用三种颜色的小灯，就能显示出成千上万种颜色，靠的正是这一点：它们不用复制真实的光谱，只要骗过三种视锥就够了。

仔细看，黄光灯的 S 信号是 0，比另外两个少了一点点，所以它的黄看起来更「纯」、更鲜艳一些。三个数里只要有一个不一样，颜色就会跟着变。

一句话：颜色不在光里，而在眼睛里。眼睛把一整条光谱压缩成三个数；红外的光再多，三种视锥都不理它，我们也就看不见。

我们怎么知道

• 用手机看遥控器：在家就能试。按住电视遥控器，对着手机的前置摄像头，屏幕上会看到遥控器的灯一闪一闪，眼睛直接看却什么也没有。手机的感光芯片能「看见」近红外光，我们的视锥不能。（不少手机的后置摄像头装了挡红外的滤镜，所以前置摄像头更容易看到。）
• 用放大镜看屏幕：把手机屏幕调成纯黄色，用放大镜或手机的微距镜头看，只能看到红色和绿色的小点。
• 色觉异常：如果三种视锥里有一种缺失，或者两种的灵敏度太接近，原本三个数不同的两种颜色，就可能变得分不出来。最常见的是红绿色觉异常，在男性中并不少见。
• 测量视锥：19 世纪，麦克斯韦就用三种颜色的光调配出了各种颜色。后来，科学家直接测量了单个视锥细胞吸收各种波长光的本领。文中用的视锥灵敏度曲线（Stockman 和 Sharpe，2000 年），就是由这些测量和大量配色实验共同得出的。

还不知道什么

• 三个数怎么变成「红色的感觉」？眼睛和大脑怎样传递、比较这三个数，我们已经知道很多；但这三个数为什么会让人「感觉到」红色，仍然是一个没有答案的问题。
• 颜色恒常性：同一张白纸，在正午阳光下和在灯泡下，进到眼睛的光谱差别很大，我们却都觉得它是白的。大脑是怎么「扣掉」光源颜色的？那条有人看成蓝黑、有人看成白金的裙子，就是这件事出了分歧。
• 别的动物：很多鸟有四种视锥，还能看见紫外光；螳螂虾有十几种感光细胞，可实验发现，它们分辨相近颜色的本领反而不如人。眼睛的「数数」方式，远比我们想象的多样。

下一次看到一片树叶、一块屏幕，可以想一想：这一刻，眼睛正在悄悄地数到三。

进阶：这些图是怎么算出来的

眼睛的三个数。一束光的光谱是 S(λ)，三种视锥的灵敏度是 l(λ)、m(λ)、s(λ)。眼睛收到的三个信号是

L = ∫ S(λ) l(λ) dλ，M = ∫ S(λ) m(λ) dλ，S = ∫ S(λ) s(λ) dλ。

一条光谱有无穷多个数（每个波长一个），积分之后只剩三个，信息被大量丢掉了。凡是三个积分相同的光谱，眼睛都分不出来，这就是同色异谱。文中所有信号都按日光（CIE D65）为 1 来归一化。

叶子的光。叶子反射回来的光 = 日光光谱 × 叶子反射率，叶子来自上一篇的 PROSPECT-D 模型（夏天的绿叶，以及秋天第 28 天的黄叶）。

屏幕的黄。屏幕的红、绿、蓝三种子像素，用峰值分别在 620、530、462 纳米、宽度为 32、36、24 纳米的高斯曲线近似，这是典型 OLED 屏幕的样子，不是某块实测屏幕。要让它和黄叶的三个数完全相同，只需要解一个三元一次方程组，求出三种子像素各亮多少。黄光灯是宽 6 纳米的窄带光，选择让 L 和 M 的比例与黄叶相同的波长。

颜色和亮度。屏幕上显示的颜色，由 CIE 1931 标准观察者计算，再换算到 sRGB，与上一篇使用同一个曝光系数。纯单色光的颜色比屏幕能显示的更鲜艳，超出的部分被截掉了，所以动画里蓝紫色一端看起来比实际更亮一些。

数据来源。视锥灵敏度：Stockman & Sharpe, Vision Research 40:1711–1737 (2000)，CVRL（伦敦大学学院）。CIE 1931 颜色匹配函数：CVRL。D65 光谱：CIE 015。叶片模型：Féret 等，Remote Sensing of Environment 193:204–215 (2017)。