1.4 成像原理

本节讨论显示屏是如何用电子元器件把信息传递给人的。

1.4.1 人类的视觉系统

人类的视觉系统对光电的感知范围只是整个电磁波的波谱中很小的一段，该范围通常为400～700nm，其中波长（ λ ）越短，能量越高，颜色越偏紫；波长越长，能量越低，颜色越偏红。

人眼球的构造从外到内包括角膜（Cornea）、虹膜（Iris，有彩虹的意思）、晶状体（Lens）、视网膜（Retina，词根Ret是拉丁语的“网”）、黄斑（Macula，视网膜中视觉细胞比较集中的地方）等部分。人类的视网膜分为几层，靠前面（面前）是神经和血管，靠后面（大脑）才是接收和识别光的细胞。视网膜中能识别光和接收光的关键是两种细胞，一种叫作视杆细胞，一种叫作视锥细胞，接着对这两种细胞展开讨论。

首先是视锥细胞，这种细胞是锥形的，有600万～700万个，分布在视网膜上。这种细胞可以分为三类，分别携带了三种不同的视蛋白，用S、M、L来标记，它们用化学的方式把光转化为神经信号。S、M、L三种细胞对应三种波长：S对应短波长，蓝紫色（420～440nm）；M对应中波长，绿色（530～540nm）；L对应长波长，黄绿色（560～580nm）。

在数量上，S视锥细胞最少，所以人类眼睛对蓝色光最不敏感，而红色光和绿色光更容易让人眼产生明亮的感觉，故人眼对红色光、绿色光、蓝色光的感受不同可能与人类拥有的视锥细胞比例有关。而且这三种细胞的数量因人而异，每个人对三种颜色感知不一样，数量还会根据年龄变化。色盲症患者分不清红绿色或者蓝绿色，就是因为缺少了某一种颜色的视锥细胞，导致其对某一种颜色失去了分辨能力。

其次是视杆细胞，这种细胞在人体中的数量更多一些，约为一亿两千五百万个。但是这些细胞没有分辨颜色的能力，也没有视蛋白，只对光敏感，能提供夜视力。视杆细胞主要接收400～500nm的波长。这种细胞非常敏感，一个光子就能激发视杆细胞产生神经信号。

1.4.2 配色原理

人类视觉主要依赖三种颜色，近似为红色（R）、绿色（G）、蓝色（G），我们称其为光的三原色或三基色，定义三种主要颜色，通过光的颜色的混合能混合出不同的色彩。显示技术通过将三种颜色的子像素配以不同的亮度可实现不同的颜色，如粉色或紫色，放大之后就看到红色子像素和蓝色子像素点亮。如图1-17所示，三原色搭配构成了白色、紫色、天蓝色、黄色等颜色，不同亮度配比能混合出更多种颜色。

但这其实是比较抽象的描述，我们需要用更定量的理论来描述配色原理，比如颜色混合有基本的定律——格拉斯曼定律。该定律的内容很多，我们只讨论其中主要的部分。

首先，人类对色彩感知几乎是线性的，如果两种颜色的光由（ R ₁ ， G ₁ ， B ₁ ）和（ R ₂ ， G ₂ ， B ₂ ）组成，第三种光（ R ₃ ， G ₃ ， B ₃ ）的颜色看起来与前两种光混合在一起相同，那么第三种光的三个分量的数值就是前两种光的三个分量的数值分别相加之和，即 R ₃ = R ₁ + R ₂ ， G ₃ = G ₁ + G ₂ ， B ₃ = B ₁ +B ₂ 。给定足够的光的原色，就可以通过组合方式实现我们想要的光。

利用数学的方式描述，三原色的观察者感知到的三原色数值，就是一个积分，即首先三种视锥细胞的反应强度（也就是三种曲线）乘以光的强度，然后对波长范围积分，就是我们看到的三原色的感知强度。

蓝天的光的强度分布（光谱）如图1-18（a）所示，人类三种视锥细胞的反应强度如图1-18（b）所示，看到蓝天的光谱时，得到的刺激就是把视锥细胞的反应强度与蓝天的光谱作乘积，如图1-18（c）所示，再进行积分，积分蓝色部分，得到的就是S视锥细胞受到的刺激，积分绿色部分，得到的就是M视锥细胞受到的刺激，最后在人脑转换为三个数值，即红、绿、蓝三个组成部分，如图1-18（d）所示。

显示技术可以针对三种视锥细胞设计不同的刺激，然而实际的光谱常常是连续的、复杂的，到了显示屏中，三种红绿蓝基色子像素的光谱一般是集中在某一波长附近的，但仍可以通过三波长的配比让视锥细胞得到同样的感受（见图1-19），从而让人眼看到同样的事物。当然显示屏具有局限性，显示屏上能显示出的光谱无法完全描述所有自然色彩，原因是显示屏的三基色子像素的波长不够纯粹，色域不够宽广，而且三基色在色彩空间上无法覆盖人类全部的视觉。

对上述颜色现象进行定量描述，需要用到色彩空间。色彩空间是抽象的空间，能定义人类想要的不同颜色。选择坐标系有不同的选法，如RGB、HSV、CIE1931等，最常用的是CIE 1931。国际照明委员会于1931年成立，并提出了这种色彩空间，它基于三种颜色刺激值 X 、 Y 、 Z ，分别对应于红色、绿色、蓝色。这种模型形成了一个三维空间，能够描述出大多数人眼可见的色彩。

但三种颜色用起来并不方便，可以做一个简单的归一化，令 x = X /（ X + Y + Z ）， y = Y /（ X + Y + Z ），就把 XYZ 三维空间退化成 xy 二维空间，这就是CIE 1931色彩空间。在CIE 1931色彩空间中，人类可以看到如图1-20所示的马蹄形的颜色范围， x 比较小时，表示蓝色或绿色； x 比较大时，表示红色； y 比较大时，表示绿色， y 比较小时，表示蓝色或红色。

因此，要想让一个显示系统能尽可能多地描述人类想看到的颜色，就至少需要三种颜色，这三种颜色分别对应彩色空间中一个三角形的三个顶点。两种颜色叠加就能产生连线上的任何颜色，三种颜色叠加就能得到三角形内的任何颜色，但无法覆盖人眼可见的马蹄形内的全部颜色，这就是三基色显示技术永远存在的一个局限性，如图1-21所示。