課程內容：色彩學理與色光 授課： 謝忠恆老師 國立台灣藝術大學博士班 國立台灣藝術大學造形藝術研究所碩士

課程大綱：色彩學理與色光 一、色彩學理的形成 （一）牛 頓：光粒子理論 （二）其他科學家：光波動理論 （三）愛因斯坦 ：光之「波粒」二相性 （一）牛 頓：光粒子理論 （二）其他科學家：光波動理論 （三）愛因斯坦 ：光之「波粒」二相性 二、光與色彩的關係 （一）可見光（Visible light） （二）三稜鏡的分色、發現的色彩 （三）受光路徑與物體色

認識色彩 一、 生活中充滿了許多的色彩。 二、 色彩是可以用科學的方法去研究 物理學：物體本身不具有顏色，而是物件反射的光線。 化 學：化學方法合成等方法取得色彩顏料。 生物學：植物、動物、礦物。 生理學：眼睛（色盲）、眼睛障礙、透視眼睛。 心理學：色彩給人的反應、感知。 哲 學：人生哲學、學說哲學。 三、色彩的應用：美學、設計、生活。 四、聽課要有想像力、聯想力。

色彩學理的形成

色彩科學的先驅 - 牛頓（ 1642－1727 ） 早在西元1666年初，牛頓進行磨制球面玻璃以外其他形式的光學玻璃時，使用原為改良天文望遠鏡之用的三稜鏡，進行實驗，並利用它研究光線折射現象。 在一間漆黑的房間之中，牛頓從窗戶上一個小孔，讓白色日光射在三稜鏡上，透過三稜鏡的白色光被分成為光譜，即人造彩虹，證明光中含有紅、橙、黃、綠、藍、青、紫等色光，換句話說這些色光聚合起來就是白色光，也就是白光並不是單一的，而是幾種不同色光的複合。

牛頓

（一）牛頓光粒子理論：光是微小粒子組成 早在牛頓之前，人們基於對光的好奇，驅動了一系列的探討。缺乏系統的整理，終究不能形成一致性的理論傳世。 牛頓結合自己的實驗引導出光粒子理論，主張光是由『微小粒子』組成，並以極大的速度運動；而證據就是光的顏色分解及直線傳播。 不同色光就是有不同的微粒，其中紫光微粒的質量最大，紅光微粒的質量最小。利用這種學說牛頓成功的解釋了光的折射、反射和玻璃透鏡發生之色散現象。光粒子說完美的合乎人們的日常直觀要求，就是光是直線行進的粒子流動。

牛頓的光學成就 1666年他發現光的散射現象：波長短的藍光或紫光，通過稜鏡時偏折較多；波長長的紅光，偏折較少。 在牛頓離開劍橋之前，由於製作望遠鏡而開始對白光的本質感到興趣並且進行實驗；他用一塊玻璃三角稜鏡把日光分成彩虹的七色光，再用另一個稜鏡恢復為白光；光是由許多色光混合而成的，且有色散現象。 望遠鏡的透鏡沒有經過色差的校正，使成像的邊緣帶有彩色；為此，牛頓認為折射望遠鏡無法做到無色差的程度，於是，他在1671年製造了第一台反射式望遠鏡，口徑只有2.5公分，在倫敦的皇家學會展示。因為此項重大發現，在1672年當選為英國皇家學會會員。

（二）其他科學家：光波動理論 十九世紀初葉，更多科學家發現了光的干涉、繞射和偏振現象，這些行為只適合以『光波動』論來解釋。加上牛頓的光粒子論解釋光在水中的傳播速度要大於在空氣中的傳播速度（因為水對光的折射），但相對地波動論則認為光在水中受到介質改變的影響，速度會減慢。 原始牛頓理論中假設，由介質對光微粒的吸引，使它們的速度發生變化，即造成光的折射。此假設中介質的光速將大於真空中的光速。 牛頓的微粒說，成功解釋光的直進、影的形成、反射、折射，加上這個時期人們還無法精確測量光速，因此光性質的爭論並未有一個完整的解答。

1862年法國人福科首次測得了光在水中的傳播速度，證實了光在水中的傳播速度確實小於真空，這時光的粒子說才徹底被打敗了。 到了1863年麥克斯威爾發表著名的電磁方程式，揭示了光波其實也是電磁波的一種，這時波動理論的最後的一個難題 - 傳播介質（以太）問題被解決了。但麥克斯韋的理論告訴我們，電磁波的傳播不需要介質。變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場再產生變化的電場。這樣，電磁場的交替就構成了電磁波由近及遠的傳播。 如果我們把光視為一種電磁波，則就不需要『以太』作為介質（事實上『以太』本身就是一個假設，而當假設不存在難題自然迎刃而解）

（三）愛因斯坦（1879－1955）：光之「波粒」二相性 光的微粒性質被推翻還不到百年，應用麥斯偉爾理論解釋雖可當時已知所有光學現象，卻又再十九世紀末，發現了一連串令人困惑的實驗結果『光電效應』。 光電效應是由赫茲（H.R.Hertz，1857一1894）在1887年發現，他發現部分金屬在受到光的照射而放出電子，這些電子的能量與光的頻率有關，此現象稱爲光電效應。 光電效應實驗又使光波動學說被打回原形，進而受到嚴峻考驗。 愛因斯坦於1905年一口氣提出了四篇影響甚鉅的理論，其中之一即是愛因斯坦根據一九○○年德國物理學家普朗克觀察熱物體會以離散量發出被稱為『量子』特定頻率的光，而提出『光量子說』來解釋該現象。

愛因斯坦認爲光是一束束以光速運動的粒子流，每一個光粒子（Photon ) 都攜帶著一份能量，當光粒子與金屬物質作用時，其攜帶的能量會傳導到物質上，形成光電效應。 愛因斯坦的光理論成功之處，在於一方面既解釋了光所具有波動的性質，另一方面也可以反應出光確實具有粒子的表現。 這兩方面綜合說明了光不是單純的波和粒子，而是具有波粒二相性。這畫時代的認識，啟發了未來對量子力學的研究。 愛因斯坦的努力，成功化解長達數百年對光性質的爭論，也因此獲得諾貝爾獎（而非相對論）。 愛因斯坦這項光電效應理論讓後世生產了無數光電控制設備，包括數位相機，電動門感應器，影印機等，都利用到光電效應。

二、光與色彩的關係 nm：nano meter 10億分之一公分 色彩的呈現與光有密不可分的關係，物理界為了光的波動和粒子表現，打了近300年的論戰，終於得出了『波粒兼容』的結論。對光的徹底瞭解，使之在人的世界中，將寬廣的光電磁波譜，至終可劃分可見光線描述範圍，並簡化為頻率與波長的表示。 人眼可見光（Visible light）的波長從 380nm – 780nm，頻率為 750TeraHZ – 430THZ。這段光譜色彩表現，正好呈現了由紅到紫的七色彩虹。在這道彩虹的兩端雖也是光線，但為不可見光，我們所熟知的紅外與紫外線就是這兩種光。所有色彩的表現正是集中在這短短的波長範圍之中 ，瞭解之中的原理色彩學才能不斷的延續。

（一）可見光（Visible light） 可見光（Visible light）是電磁波譜中人眼可以看見（感受得到）的部分。這個範圍中電磁輻射被稱為可見光，或簡單的稱為光。人眼可以感受到的波長範圍一般是落在390 到 700nm。對應於這些波長的頻率範圍在430–790 THz。但有一些人能夠感知到波長大約在380到780奈米之間的電磁波。正常視力的人眼對波長約為555奈米的電磁波最為敏感，這種電磁波處於光學頻譜的綠光區域。

（二）三稜鏡的分色、發現的色彩 三稜鏡的分色、發現的色彩

色彩原理的發現

色光三原色 R,G,B：最原始（直接）的光色彩體系 彩色顯示器的直接輸入訊號 加法色系 兩相鄰色混合可得更亮的中間色 人類的眼睛的直接接收訊號 掃描器的直接輸出訊號 彩色顯示器的直接輸入訊號 [R,G,B]是一個三維向量 Red, Green, Blue三者為顯示器色彩空間的基礎 調整三者的強弱可以組合出各種顏色 若三者各有255種變化則可表現224種顏色加法色系 電腦因此用RGB三個數值來標示顏色 加法色系 兩相鄰色混合可得更亮的中間色 互補色是只完全不含另一種顏色 兩對角色為互補色 每一個色光都有一個相應的補色光 最基本的互補色有三對：紅-青，綠-品紅，藍-黃

光譜的六種色彩可以減少為三種原色（紅、綠、深藍）；如果再將這三種色彩混合，就又會變成了白色（正確應該說是無色）。 色彩原理的發現 光譜的六種色彩可以減少為三種原色（紅、綠、深藍）；如果再將這三種色彩混合，就又會變成了白色（正確應該說是無色）。

380nm 780nm

色彩產生 （三）受光路徑與物體色 由發光體之射到眼睛，稱為「光源色」，所以有「色光」 。 由物體反射或透過光。物體本身不會發光，稱之「物體色」 ，所以有「色彩」。 我們之所以看的見物體的色彩有兩種原因： 表面色：是指物體反射光所以眼睛看的到。 透過色：是指透明物體如玻璃、玻璃紙經由光線的 吸收與透過眼睛才能看到。 色彩產生 發光體 （發光） 透光體 （透射） 反光體 （反射）

灰 白 黑

紅 黃 藍

作品欣賞 讓光線成為最迷幻的裝飾，稜鏡反射藝術 透過三稜鏡將白色光分為虹，再將虹還原為色光

THE END