費(fèi)希納顏色效應(yīng)

李思奇，徐 能，魏素娟，楊 杰，楊長(zhǎng)銘

（長(zhǎng)江大學(xué) 物理學(xué)院，湖北 荊州434023）

1 引 言

費(fèi)希納顏色效應(yīng)是指轉(zhuǎn)動(dòng)分布著黑白相間條紋的圓盤（貝納姆轉(zhuǎn)盤），能夠看到彩色環(huán)的現(xiàn)象.目前對(duì)該現(xiàn)象的大多數(shù)解釋都認(rèn)為是人眼對(duì)三原色光的響應(yīng)時(shí)間不同，但該解釋仍不能解釋其中的很多現(xiàn)象.本文對(duì)此作了些初步研究.

2 光源的選擇對(duì)費(fèi)希納顏色的影響

2.1 單色光下貝納姆轉(zhuǎn)盤上的顏色現(xiàn)象

我們采用編號(hào)為 0212，0213，0214，0215，0216的5種圖樣（圖1）作為研究對(duì)象.選與日光較為接近的溴鎢燈作為背光源，經(jīng)不同顏色的波片濾色，觀察貝納姆轉(zhuǎn)盤的顏色（轉(zhuǎn)速為250～1 000r／min）.

圖1 不同編號(hào)色光對(duì)應(yīng)的圖樣

從表1顯然可以看出單色光的顏色會(huì)覆蓋整個(gè)貝納姆轉(zhuǎn)盤，不會(huì)出現(xiàn)彩色色環(huán)，因此在研究費(fèi)希納顏色時(shí)不宜使用單色光作為光源.

表1 不同色光下旋轉(zhuǎn)圓盤的顏色

2.2 周期性閃爍燈光下貝納姆轉(zhuǎn)盤的顏色現(xiàn)象

以日光燈和通交流的LED燈為例說明，日光燈下貝納姆轉(zhuǎn)盤上會(huì)出現(xiàn)極其清晰的青褐徑向條紋（圖2圖樣的圓盤在日光燈下觀察到圖3的現(xiàn)象），通交流的LED燈下會(huì)出現(xiàn)極其清晰的黑白徑向條紋.這顏色都不是費(fèi)希納顏色，均是由燈光自身顏色隨時(shí)間周期變化和頻閃效應(yīng)共同引起的.因此周期性閃爍燈光下也很難觀察到費(fèi)希納顏色或者說由于其燈光自身的特性會(huì)掩蓋費(fèi)希納顏色，不適宜用其進(jìn)行費(fèi)希納顏色研究.

圖2 實(shí)驗(yàn)圓盤

圖3 日光燈下旋轉(zhuǎn)圓盤的現(xiàn)象

3 關(guān)于費(fèi)希納顏色主客觀性的研究

實(shí)驗(yàn)在自然光下進(jìn)行，采用以下2種方法.

3.1 相機(jī)拍攝與人眼直接觀察對(duì)比

以0203，0204，0205，0206圖案為例在轉(zhuǎn)速為300r／min（順時(shí)針）進(jìn)行了研究.

人眼直接觀察到的現(xiàn)象如表2所示（規(guī)定環(huán)數(shù)由內(nèi)到外依次增大）.用相機(jī)拍攝到的相應(yīng)的照片見圖4.

表2 圓盤300r／min（順時(shí)針）呈現(xiàn)的顏色

圖4 相機(jī)拍攝的照片

從上文可以看出，人眼在觀察現(xiàn)象時(shí)是可以看到彩色的，而相機(jī)是拍攝不到彩色的，這說明貝納姆轉(zhuǎn)盤顏色是人眼的一種主觀顏色.

3.2 數(shù)據(jù)間接論證

假定貝納姆轉(zhuǎn)盤顏色是客觀的，那么上述圖案在相同的轉(zhuǎn)速情況下正反轉(zhuǎn)現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)是對(duì)應(yīng)相同的，因?yàn)槊恳画h(huán)反光情況是相同的，人眼是無法區(qū)分正反轉(zhuǎn)來光學(xué)性質(zhì)的差異.為此設(shè)置了對(duì)照性實(shí)驗(yàn).0203，0204，0205，0206圖案在轉(zhuǎn)速為300r／min（逆時(shí)針）的現(xiàn)象如表3所示.

表3 圓盤300r／min（逆時(shí)針）呈現(xiàn)的顏色

對(duì)比上述表2和表3，顯然可以看出同一個(gè)圓盤正反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象差別較大，這用傳統(tǒng)的Ang-Helmholtz的三色學(xué)說和Helin的四色學(xué)說是很難解釋的，所以它只能是一種主觀顏色，是眼睛內(nèi)在的一種生理結(jié)構(gòu)或反應(yīng)造成的.

4 關(guān)于費(fèi)希納顏色與轉(zhuǎn)速及圖案分區(qū)關(guān)系的研究

通過大量實(shí)驗(yàn)與總結(jié)，選擇了在自然光下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本次均用現(xiàn)象較明顯的圖樣進(jìn)行采樣.

所用到圖樣編號(hào)如下：0212，0213，0214，0215，0216，0202，0203，0204，0205，0206，0112，0113，0114，0115，0116，0102，0103，0104，0105，0106（02開頭代表雙環(huán)圖樣，01開頭代表單環(huán)圖樣）.

采集了大量的數(shù)據(jù)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）同一張圖案在相同轉(zhuǎn)速條件下，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象是不相同的.

2）在相同轉(zhuǎn)速情況下，圖案的正（反）轉(zhuǎn)與其鏡像圖案的反（正）轉(zhuǎn)現(xiàn)象幾乎相同.

在實(shí)驗(yàn)中，0202與0212，0203與0213，0204與0214，0205與0215在相同轉(zhuǎn)速下，現(xiàn)象對(duì)應(yīng)相同.這里僅以0203和0213圖樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，如表4.

表4 2012-08-07實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3）貝納姆轉(zhuǎn)盤顏色的種類不多，實(shí)驗(yàn)中只觀察到以下幾種顏色：

觀察者a記錄數(shù)據(jù)為6018，6010（草綠色）；4011，4012；5014（鴿藍(lán)色）.

觀察者b記錄數(shù)據(jù)為6013（蘆葦綠），6019（崧藍(lán)綠色），6021（淺綠色），6024（交通綠），6025（蕨綠色）；4011；7008（土黃灰色），8003（土棕褐色）.

4）不同人觀察顏色會(huì)有一定差異，但顏色在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)程上幾乎是同步的.

僅以0214的7，8環(huán)的顏色變化見表5.

此外，對(duì)圓盤上某一環(huán)的顏色是否僅由這一環(huán)的反光情況決定做了研究：

將圖5與圖6在相同的光照條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn).可得到數(shù)據(jù)如表6所示.

表5 0214圓盤不同轉(zhuǎn)速下7，8環(huán)的顏色

圖5 實(shí)驗(yàn)圖樣1

圖6 實(shí)驗(yàn)圖樣2

表6 圖3、圖4圖樣在日光下不同轉(zhuǎn)速時(shí)的現(xiàn)象

由此可得出：貝納姆轉(zhuǎn)盤上某一環(huán)的顏色不能通過該環(huán)的反光特性決定，與周圍區(qū)域反光特性密切相關(guān).

5 分析與猜想

目前為了將三色理論和四色理論協(xié)調(diào)，現(xiàn)代有些學(xué)者提出了“階段”學(xué)說［1］，認(rèn)為顏色視覺過程可以分成幾個(gè)階段，如圖7所示.

圖7 “階段”學(xué)說框圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)論來看，費(fèi)希納顏色是人的一種主觀顏色，它與轉(zhuǎn)速、圖案分區(qū)及圓盤轉(zhuǎn)向關(guān)系密切.由于貝納姆轉(zhuǎn)盤上某一環(huán)的顏色不能通過該環(huán)的反光特性決定，與周圍區(qū)域反光特性密切相關(guān)，因此可以肯定圓盤上某一環(huán)的顏色是由該環(huán)的反射光與其周圍半圓反射光的對(duì)比引起的.

傳統(tǒng)三色視錐時(shí)差理論不能獨(dú)立解釋費(fèi)希納顏色效應(yīng)，而現(xiàn)階段的顏色理論也很難解釋該效應(yīng).費(fèi)希納顏色可能是由于眼睛本身的生理結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的黑白顏色產(chǎn)生的彩色效應(yīng)，不同于階段學(xué)說色覺體系，其顏色視覺過程見圖8.

圖8 研究假設(shè)框圖

該視覺過程認(rèn)為，人眼感覺顏色來源于2個(gè)獨(dú)立的部分，即傳統(tǒng)的色光疊加部分（圖8左部）和黑白顏色動(dòng)態(tài)刺激部分（圖8右部），平?？次矬w的顏色源于色光疊加部分，但當(dāng)在日光下看到轉(zhuǎn)動(dòng)的貝納姆轉(zhuǎn)盤時(shí)，其正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象差異較大，某環(huán)的顏色與周圍反光特性關(guān)系較大，這用色光疊加是行不通的，可用黑白顏色動(dòng)態(tài)刺激解釋.

［1］金偉其，胡威捷.輻射度光度與色度及其測(cè)量［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011：28.