费希纳颜色效应

李思奇，徐 能，魏素娟，杨 杰，杨长铭

（长江大学 物理学院，湖北 荆州434023）

1 引 言

费希纳颜色效应是指转动分布着黑白相间条纹的圆盘（贝纳姆转盘），能够看到彩色环的现象.目前对该现象的大多数解释都认为是人眼对三原色光的响应时间不同，但该解释仍不能解释其中的很多现象.本文对此作了些初步研究.

2 光源的选择对费希纳颜色的影响

2.1 单色光下贝纳姆转盘上的颜色现象

我们采用编号为 0212，0213，0214，0215，0216的5种图样（图1）作为研究对象.选与日光较为接近的溴钨灯作为背光源，经不同颜色的波片滤色，观察贝纳姆转盘的颜色（转速为250～1 000r／min）.

图1 不同编号色光对应的图样

从表1显然可以看出单色光的颜色会覆盖整个贝纳姆转盘，不会出现彩色色环，因此在研究费希纳颜色时不宜使用单色光作为光源.

表1 不同色光下旋转圆盘的颜色

2.2 周期性闪烁灯光下贝纳姆转盘的颜色现象

以日光灯和通交流的LED灯为例说明，日光灯下贝纳姆转盘上会出现极其清晰的青褐径向条纹（图2图样的圆盘在日光灯下观察到图3的现象），通交流的LED灯下会出现极其清晰的黑白径向条纹.这颜色都不是费希纳颜色，均是由灯光自身颜色随时间周期变化和频闪效应共同引起的.因此周期性闪烁灯光下也很难观察到费希纳颜色或者说由于其灯光自身的特性会掩盖费希纳颜色，不适宜用其进行费希纳颜色研究.

图2 实验圆盘

图3 日光灯下旋转圆盘的现象

3 关于费希纳颜色主客观性的研究

实验在自然光下进行，采用以下2种方法.

3.1 相机拍摄与人眼直接观察对比

以0203，0204，0205，0206图案为例在转速为300r／min（顺时针）进行了研究.

人眼直接观察到的现象如表2所示（规定环数由内到外依次增大）.用相机拍摄到的相应的照片见图4.

表2 圆盘300r／min（顺时针）呈现的颜色

图4 相机拍摄的照片

从上文可以看出，人眼在观察现象时是可以看到彩色的，而相机是拍摄不到彩色的，这说明贝纳姆转盘颜色是人眼的一种主观颜色.

3.2 数据间接论证

假定贝纳姆转盘颜色是客观的，那么上述图案在相同的转速情况下正反转现象应当是对应相同的，因为每一环反光情况是相同的，人眼是无法区分正反转来光学性质的差异.为此设置了对照性实验.0203，0204，0205，0206图案在转速为300r／min（逆时针）的现象如表3所示.

表3 圆盘300r／min（逆时针）呈现的颜色

对比上述表2和表3，显然可以看出同一个圆盘正反转的现象差别较大，这用传统的Ang-Helmholtz的三色学说和Helin的四色学说是很难解释的，所以它只能是一种主观颜色，是眼睛内在的一种生理结构或反应造成的.

4 关于费希纳颜色与转速及图案分区关系的研究

通过大量实验与总结，选择了在自然光下进行实验，本次均用现象较明显的图样进行采样.

所用到图样编号如下：0212，0213，0214，0215，0216，0202，0203，0204，0205，0206，0112，0113，0114，0115，0116，0102，0103，0104，0105，0106（02开头代表双环图样，01开头代表单环图样）.

采集了大量的数据，得到以下几点结论：

1）同一张图案在相同转速条件下，正转与反转的现象是不相同的.

2）在相同转速情况下，图案的正（反）转与其镜像图案的反（正）转现象几乎相同.

在实验中，0202与0212，0203与0213，0204与0214，0205与0215在相同转速下，现象对应相同.这里仅以0203和0213图样的实验现象说明，如表4.

表4 2012-08-07实验结果

3）贝纳姆转盘颜色的种类不多，实验中只观察到以下几种颜色：

观察者a记录数据为6018，6010（草绿色）；4011，4012；5014（鸽蓝色）.

观察者b记录数据为6013（芦苇绿），6019（崧蓝绿色），6021（浅绿色），6024（交通绿），6025（蕨绿色）；4011；7008（土黄灰色），8003（土棕褐色）.

4）不同人观察颜色会有一定差异，但颜色在对应转速变化进程上几乎是同步的.

仅以0214的7，8环的颜色变化见表5.

此外，对圆盘上某一环的颜色是否仅由这一环的反光情况决定做了研究：

将图5与图6在相同的光照条件进行实验.可得到数据如表6所示.

表5 0214圆盘不同转速下7，8环的颜色

图5 实验图样1

图6 实验图样2

表6 图3、图4图样在日光下不同转速时的现象

由此可得出：贝纳姆转盘上某一环的颜色不能通过该环的反光特性决定，与周围区域反光特性密切相关.

5 分析与猜想

目前为了将三色理论和四色理论协调，现代有些学者提出了“阶段”学说［1］，认为颜色视觉过程可以分成几个阶段，如图7所示.

图7 “阶段”学说框图

从实验结论来看，费希纳颜色是人的一种主观颜色，它与转速、图案分区及圆盘转向关系密切.由于贝纳姆转盘上某一环的颜色不能通过该环的反光特性决定，与周围区域反光特性密切相关，因此可以肯定圆盘上某一环的颜色是由该环的反射光与其周围半圆反射光的对比引起的.

传统三色视锥时差理论不能独立解释费希纳颜色效应，而现阶段的颜色理论也很难解释该效应.费希纳颜色可能是由于眼睛本身的生理结构对转动的黑白颜色产生的彩色效应，不同于阶段学说色觉体系，其颜色视觉过程见图8.

图8 研究假设框图

该视觉过程认为，人眼感觉颜色来源于2个独立的部分，即传统的色光叠加部分（图8左部）和黑白颜色动态刺激部分（图8右部），平常看物体的颜色源于色光叠加部分，但当在日光下看到转动的贝纳姆转盘时，其正转与反转的现象差异较大，某环的颜色与周围反光特性关系较大，这用色光叠加是行不通的，可用黑白颜色动态刺激解释.

［1］金伟其，胡威捷.辐射度光度与色度及其测量［M］.北京：北京理工大学出版社，2011：28.