光与颜色：从棱镜到偏振片的实验

白光中的颜色从哪里来

把一杯水放在阳光充足的窗台上，旁边的地板上常会出现一小片彩色光斑。杯中并没有有色的东西。这些颜色本来就在阳光中，只是混合得十分均匀，让我们把混合光看成白色，而弯曲的水体把它们稍稍分开了。

本展览在两张桌子上设置了十四项实验。在光具座上，玻璃棱镜把一束白光分成光谱，三盏灯展示红、绿、蓝光如何相加成为白光，旁边的卡片则展示油墨如何产生相反的效果，单个水滴展示彩虹为何位于距太阳正对面那个点约 42° 的位置，两片偏振片则展示转动其中一片时有多少光能够通过。第二张桌子上还有十项实验：灯箱上的滤光片、衍射光栅、肥皂膜、一槽掺奶的水、在紫外线下发光的样品、可以从 1000 加热到 10,000 K 的灯、通过分光镜观察的气体管、眼睛三类视锥细胞的响应、色觉板，以及一片闪蝶（Morpho）翅膀。屏幕上的角度、波长和亮度数值来自下文介绍的公式，并与已发表的数据表一致。

在控件下方，你会看到实验站列表、七项可尝试的任务、来自历史、日常生活和自然界的 50 个案例（每个案例都附有来源和一个把模型设为相应状态的按钮），以及一些值得了解的知识。

玻璃为什么让紫光比红光偏折更多

光在玻璃中传播得比在空气中慢。两种速度的比值就是折射率 n。当光束斜着射向玻璃表面时，内部较慢的传播速度会使它改变方向。斯涅尔定律给出新的方向：

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

其中 θ1 和 θ2 是光束与垂直于表面的一条直线（法线）之间的夹角。从空气（n 约为 1.000）进入玻璃（n 约为 1.5）时，光束向法线偏折。

如果每种颜色的折射率都相同，棱镜就会让整束白光偏折同一个角度，屏幕上的光斑仍然是白色。但折射率并不相同。普通玻璃对短波长的折射率略高，因此紫光比红光减速更多，偏折也更多。折射率随波长变化的现象称为色散。

玻璃制造商用塞尔迈耶方程描述色散，这是对实测折射率的拟合：

n² = 1 + B1 λ² / (λ² − C1) + B2 λ² / (λ² − C2) + B3 λ² / (λ² − C3)

其中波长 λ 的单位是微米。对于常见的硼硅酸盐冕牌玻璃 BK7，SCHOTT 给出 B1 = 1.03961212、B2 = 0.231792344、B3 = 1.01046945、C1 = 0.00600069867、C2 = 0.0200179144 和 C3 = 103.560653。代入数值得到，400 nm（紫光）时 n = 1.5308，550 nm（绿光）时为 1.5185，700 nm（红光）时为 1.5131。紫光与红光的差值只有 0.018，约为 1/85。

计算棱镜中的光路

本展览分别追踪从 400 到 700 nm 的 25 个波长。在每个表面，它使用相应波长的折射率应用斯涅尔定律，并计算该表面反射了多少光（菲涅耳方程）。如果玻璃内部的光线以过大的入射角到达表面而无法射出，它就会反射回去。这就是全反射。

对于顶角为 A 的棱镜，光束平行于底面穿过玻璃时偏折最少。这一最小偏折角称为最小偏向角：

D = 2 asin(n sin(A/2)) − A

A = 60° 时，400 nm 光的偏向角为 39.89°，700 nm 光为 38.32°，相差 1.57°。对绿光而言，光束以 49.4° 入射第一表面时达到最小偏向角，这也是棱镜的初始位置。屏幕距棱镜 66 cm，因此屏幕上的彩色光带约宽 18 mm（tan 1.57° × 660 mm）。读数面板以毫米显示屏幕的局部放大图。

转动棱镜，数值就会改变。入射角为 31° 时，光束在玻璃中穿行得更斜，扇形光束展开到约 5°，屏幕上的颜色变暗，因为每个表面反射损失的光更多。再把角度调低一点，紫色一端会先消失。在 BK7 内部，光只有以小于临界角 asin(1/n) 的角度到达表面才能射出：400 nm 时为 40.8°，700 nm 时为 41.4°。入射角低于约 30° 时，紫光到达第二表面的角度超过了临界角，被反射回玻璃中，而红光仍能射出。

从第一表面反射的微弱白光束也会被追踪。在 49.4° 时，它带走约 6% 的光。在 85° 时，它带走超过 60% 的光，因此几乎从侧边看一片玻璃时，玻璃就像镜子一样。

光的相加：红、绿、蓝

视网膜有三类视锥细胞，其敏感度峰值大致位于光谱的蓝色、绿色和黄红色区域。只要光以相同的比例刺激这三类细胞，不论光谱如何，我们看起来都是同一种颜色。因此，屏幕只用红、绿、蓝光点就能模拟几乎任何颜色。

在深色混光板上，每盏灯投下一个单色圆。红圆和绿圆重叠的位置，两类视锥细胞的信号都高，而蓝色信号低，我们就会看到黄色，即使那里并没有黄色波长的光。绿光加蓝光得到青色，红光加蓝光得到品红色。中间三种光相交的位置，板面呈白色。本展览精确相加三盏灯的光（每个颜色通道都是 1 + 1 + 1），因此屏幕中央是纯白色。关掉一盏灯，所有原来包含这盏灯的重叠区域都会失去该颜色。拖动重叠控件，让圆彼此靠近或分开。

光的相减：油墨和颜料

颜料的作用正好相反。青色油墨之所以呈青色，是因为它吸收红光，反射绿光和蓝光。黄色油墨吸收蓝光，反射红光和绿光。把青色叠在黄色上，两种油墨都允许通过的光只剩绿光。再加上吸收绿光的品红色，几乎就没有光剩下。这就是减色混合。每一层都使光乘以自己的透射率，因此结果只会更暗。

灯旁的卡片就是按这种方式绘制的，三种油墨的透射率在纸面上相乘。印刷机因此使用青、品红和黄色油墨，并另加黑色油墨，因为真实油墨并非完美的吸收体：三层叠加会得到浑浊的深棕色，而非纯净的黑色。

雨滴如何形成 42° 的圆

雨滴接近球形。阳光进入雨滴时在表面折射，在背面内侧反射一次，离开时再次折射。总偏转角取决于光线击中水滴的位置。穿过中心的光线原路返回。靠近边缘的光线返回时角度也较小。两者之间有一个转折点。

设入射角为 i，水滴内部的角度为 r，满足 sin i = n sin r。总偏向角为

D = 180° + 2i − 4r

返回光线与背离太阳的方向之间的夹角为 4r − 2i。当 cos² i = (n² − 1)/3 时，这个角最大。勒内·笛卡尔在 1637 年通过追踪装满水的玻璃球中的光线，用这种方法计算了彩虹。

使用 24 °C 水的实测折射率（Daimon 和 Masumura，2007），656 nm 时 n 为 1.3311，400 nm 时为 1.3432。对红光，转折点在 i = 59.5°，得到 42.4°。对紫光，转折点在 i = 58.8°，得到 40.6°。光线在转折点附近聚集，因为那里的角度变化缓慢：在均匀分布于水滴截面的光线中，约 12% 会在距红光最大角度 1° 以内射出。每个位于距太阳正对面那个点 42.4° 的水滴都会向你送来红光；位于 40.6° 的水滴则送来紫光。因此彩虹呈圆形，外红内紫。

开启「多条光线」即可观察。每种颜色的光线都在各自的极限角附近聚集，没有光线越过它，因此虹外紧邻的天空比虹内更暗。经过两次内部反射，同样的计算会得到第二道较暗的虹，角度从 50.4°（红色）到 53.5°（紫色），颜色顺序相反。两道虹之间约 8° 的暗带称为亚历山大暗带。

偏振片与马吕斯定律

光是一种电场振动方向横于传播方向的波。在灯光或阳光中，振动指向各个方向，而且时时变化。偏振片由沿同一方向排列的长分子构成。它吸收沿分子方向的振动分量，让垂直于分子的分量通过，因此射出的光只沿一个方向振动。

理想偏振片让一半的非偏振光通过。第二片偏振片转过 θ 角后，允许到达它的光中的 cos² θ 通过。这个规律就是马吕斯定律：

I = I0 cos² θ

0° 时全部通过，45° 时通过一半，60° 时通过四分之一，90° 时完全不通过。沿光束分布的白色短线表示振动方向。第一片偏振片之前，短线指向各个方向；之后则全部与其透光轴平行。

现在试试第三片偏振片。第一片和第二片呈 90° 交叉时，屏幕是暗的。在两者之间放入一片朝向为 45° 的偏振片，光就重新出现：一半通过第一片，其中一半通过中间那片，再有一半通过最后一片，合计为灯光的 12.5%。中间的偏振片没有增加光。它把振动方向分两步转动，每一步都让部分光通过。

减去光：灯箱上的三片滤光片

第二张桌子的开头是一个白色灯箱和三张有色薄膜。每张薄膜都是减色滤光片。青色薄膜让波长短于约 585 nm 的大部分光通过，挡住红色一端。品红色挡住中间约 495 到 575 nm 的一段，让红光和蓝光通过。黄色挡住所有短于约 495 nm 的光。在模型中，每片滤光片让通带内 96% 的光通过，并漏过阻带内 4% 的光，接近优质滤色胶片的表现。

两片薄膜重叠时，光必须穿过两者，因此透射率相乘。青色叠在黄色上，只留下 495 到 585 nm 的绿色波段。青色叠品红色留下蓝色，品红色叠黄色留下红色。在三片都覆盖的位置，只有漏光能通过，灯箱看起来呈深灰棕色：读数为灯箱亮度的 17%，而非零，这也是印刷机仍需要黑色油墨的原因。读数面板中的图表绘出每片滤光片的曲线，并用阴影表示穿过全部滤光片后剩下的光。每个重叠区的颜色都由曲线乘积计算，而不是混合屏幕颜色得到。

衍射光栅按角度分开颜色

光栅是一张刻有成千上万条精细平行线的薄片。穿过相邻刻线之间的光会散开，从所有间隙出来的波在另一侧重新相遇。在大多数方向上，它们相互抵消。只有当来自一个间隙的光程比相邻间隙的光程长整数个波长时，它们才会相加：

d sin θ = m λ

这里 d 是刻线间距，θ 是相对于直通光束的角度，m 是级次（0、±1、±2 等）。每毫米 600 条线时，d = 1.67 µm。532 nm 的绿色激光，此时一级光以 18.6° 射出，二级光以 39.7° 射出。三级光会以 73.3° 射出，在模型中落不到屏幕上。

与棱镜不同，光栅使红光比紫光偏折更多，而且差别大得多。开启白光后，每一级都成为完整的光谱；每毫米 600 条线时，一级光谱从 400 nm 对应的 13.9° 延伸到 700 nm 对应的 24.8°。增加刻线密度，光谱会进一步展开，直到高级次消失。CD 每隔 1.6 µm 有一条轨道，约为每毫米 625 条；DVD 的轨道间隔为 0.74 µm，约为每毫米 1350 条，因此 DVD 以大得多的角度散开各色光。

实验室用光栅测量波长。夫琅禾费在 1821 年用 260 根平行金属丝制作光栅，并用它测出阳光中暗线的波长数值。

肥皂膜和油膜：厚度产生的颜色

肥皂膜是夹在两层肥皂分子之间、厚几百纳米的水层。光先从前表面反射，再从后表面反射。后表面反射的光多走了 2nd cos θt，其中 n = 1.33 是水的折射率，d 是厚度，θt 是膜内角度。前表面反射还会发生半波相位反转，因为光是从较密的介质反射。因此，对于垂直入射的光，当满足下式时，两束反射光相加：

2nd = (m + ½) λ

当 2nd 为整数个波长时则相互抵消。在模型薄膜的中心，厚度为 450 nm，额外光程为 1197 nm。这相当于 479 nm 光的 2.5 个波长，因此这种光强烈反射，而 599 nm 光（恰好为 2 个波长）被抵消。那里看起来呈蓝紫色。

模型精确计算每次反射，对 81 个波长累加全部内部反射（艾里求和），再用 CIE 函数把结果转换成颜色。膜中的水向下流，因此上薄下厚，彩色条带随厚度分布。肥皂膜最多反射入射光的 7.7%，所以展台上的颜色显示为十倍亮度，类似在深色背景下看到的效果。

调低厚度。低于约 23 nm 时，薄膜对白光中每种颜色的反射都不到 1%，看起来呈黑色。真实气泡破裂前，顶部会变黑。23 nm 是这个模型中白光反射降到 1% 以下的厚度值。实测的黑膜有两种：普通黑膜厚约 10 至 100 nm，厚度由水中的盐分决定；最薄的牛顿黑膜厚约 5 nm，仅比两层肥皂分子的厚度稍大。厚度超过约 1500 nm 的厚膜混合了太多级次，颜色会冲淡为浅粉色和浅绿色。倾斜观察方向会缩短膜内光程，使颜色移向蓝色一端，因此移动头部时条带会滑动。

湿路面上的油膜也以同样的方式起作用，水（1.33）上覆盖着油（n 约为 1.47）。相机镜头和眼镜使用相反的技巧：约 100 nm 厚的氟化镁层（n = 1.38）让绿光的两束反射光相互抵消，把玻璃表面对 550 nm 光的反射率从约 4.3% 降到 1.3%。

掺奶的水槽为什么变蓝

在长水槽中滴入几滴牛奶，让白灯照穿水槽。从侧面看，水泛着微弱的蓝光。在另一端的卡片上，光斑呈黄色或橙色。没有加入任何蓝色或橙色的物质；只是脂肪和蛋白质颗粒对短波长的散射比对长波长更强。

对于远小于波长的颗粒，瑞利勋爵在 1871 年证明，散射功率与 1/λ⁴ 成正比。450 nm 光的散射强度是 700 nm 光的 (700/450)⁴ = 5.9 倍。在模型中，「牛奶」控件设定 550 nm 光穿过整个水槽时被散射的比例。设为 40% 时，光学厚度为 0.6，使末端光束中剩下 26% 的 450 nm 光和 74% 的 650 nm 光。从侧面散射出的光就是光束损失的部分，偏向蓝色。把控件推到 100%，末端的光斑会变成深橙色，如同地平线附近的太阳。

这与蓝天和红色日落的物理原理相同，只是用水槽代替了 100 km 的空气。天空展览追踪阳光穿过整个大气层的过程，并解释天空为何不是紫色。（牛奶液滴并非全部远小于波长，因此真实水槽的效果不像模型那么纯粹。）

紫外线下的荧光和余辉

黑光灯管发出 365 nm 的紫外线，刚刚超出眼睛可见的紫色一端。有些材料吸收这种光，再发出波长更长的可见光。乔治·斯托克斯在 1852 年用奎宁溶液研究这一现象，并以矿物萤石命名为荧光。他发现，发出的光总比吸收的光能量低（波长更长），这一规律称为斯托克斯位移。

托盘上从左到右是：荧光笔（绿色，约 515 nm）、含奎宁的汤力水（蓝色，约 450 nm）、萤石（紫蓝色，约 425 nm）、硅锌矿（绿色，约 525 nm）、方解石（红色，约 615 nm）、含荧光增白剂的白纸（蓝色，约 440 nm），以及一颗夜光星。模型中的发射峰是每类材料的典型值；真实样品会随杂质而变化。开启灯后，室内照明变暗，以便看清发光。

灯关闭后，荧光会在十亿分之几秒内停止。夜光星则不同。1996 年首次制成的掺有铕和镝的铝酸锶会储存部分能量，再以磷光缓慢释放。关掉紫外灯，星星仍继续发出绿光，读数面板同时对余辉倒计时。模型使用时间常数为 6 s 的简单指数衰减，方便你观察；真实夜光星的光会在数小时内逐渐变暗。

色温：热灯发出什么光

任何物体加热到足够高的温度都会发光：约 800 K 时为暗红色，2000 K 时为橙色，3000 K 时为黄白色。称为黑体的完美吸收体，其发光光谱只取决于温度。马克斯·普朗克在 1900 年找到了公式：

B(λ, T) = 2hc² / λ⁵ × 1 / (e^(hc / λkT) − 1)

其中 h 是普朗克常数，c 是光速，k 是玻尔兹曼常数。温度升高时，曲线峰值移向更短波长，遵循维恩定律：λ_max = 2898 µm·K / T。2700 K 灯丝的峰值为 1.07 µm，位于红外区深处，因此大部分功率都成为热。太阳表面温度为 5772 K，峰值位于 502 nm。

模型将普朗克曲线与 CIE 配色函数相乘后积分，得到灯的颜色，再用它照亮一张绘有六个色块的卡片。卡片没有按这盏灯作白平衡，而是按日光（6504 K）平衡，就像相机设为「日光」时记录的效果。2700 K 时，白色块呈橙色，蓝色块变成灰绿色。把温度升到 6500 K 以上，一切都会偏蓝。眼睛约在一分钟内就会适应灯光，因此室内灯光在我们看来是白色，在照片里却呈橙色。

色温也用于标注灯具。「暖白」LED 约为 2700 到 3000 K，「冷白」约为 4000 K，「日光」约为 6500 K。LED 不是黑体，因此包装盒上的数字是颜色最接近它的黑体温度，即相关色温。

线状光谱：气体的指纹

热固体产生平滑的光谱。通电发光的稀薄气体只产生几条锐利的谱线，波长由其原子决定。每条谱线都来自电子从一个能级跃迁到更低能级；能量差决定波长。氢的可见谱线遵循巴耳末和里德伯发现的简单公式：

1/λ = R (1/2² − 1/n²), n = 3, 4, 5, 6

用质子质量修正里德伯常数后，n = 3 时得到真空波长 656.47 nm，或空气波长 656.29 nm。NIST Atomic Spectra Database 列出的数值是 656.279 nm。按同样方法计算全部四条巴耳末谱线，并与 NIST 比较，也得到相同程度的一致。

用滑块选择气体。钠把几乎全部可见光集中在 589.0 和 589.6 nm 两条相隔 0.6 nm 的谱线上，因此钠路灯呈橙黄色，而且使颜色难以分辨。氖在 585 到 703 nm 之间有十几条强谱线，发出红橙色光。汞产生紫、蓝、绿和一对黄色谱线；其中 546.07 nm 的绿线长期用于校准仪器。氦的 587.6 nm 黄线在 1868 年日食期间首先在阳光中被看到，比地球上发现氦早 27 年。

最后一个选项是阳光，它呈现相反的情况：连续光谱上横着暗线。太阳外层的气体恰好吸收它们加热时会发出的那些波长。夫琅禾费从 1814 年开始测量数百条这样的谱线，并用字母命名最强的几条；基尔霍夫和本生在 1859 年证明，他的 D 线正位于钠发光的位置。移动波长光标，读取任意一条谱线。

三类视锥细胞

日间视觉使用三类视锥细胞。L 视锥细胞对长波长响应最强，M 对中波长、S 对短波长响应最强。每个视锥细胞只报告受刺激的强度，而不报告由哪种波长引起。大脑比较这三种信号。在 580 nm 时，模型中的 L 视锥细胞响应达到最大，M 为 76%，S 几乎没有响应，这个比例被感知为黄色。红光与绿光混合也能产生相同的三种信号，因此屏幕即使完全没有 580 nm 光，也能显示黄色。

板上的曲线由 CIE 1931 配色函数通过 Hunt-Pointer-Estevez 矩阵计算得到，这也是 CIECAM02 色貌模型使用的变换。峰值分别为 576、547 和 448 nm。直接测得的视锥细胞敏感度，例如 Stockman 和 Sharpe（2000）的函数，峰值略低，约为 566、541 和 441 nm。CIE 函数本身来自 1920 年代的配色实验，观察者通过调节三原色来匹配单一波长；托马斯·杨在 1802 年就提出了三种感受器的设想。

移动波长滑块，观察三根柱条。在约 540 到 570 nm 之间，L 和 M 曲线大幅重叠，因此波长的小变化只引起 L/M 比例的小变化。在 400 到 700 nm 之外，三者都下降，这就是可见光谱的边界。

用两类视锥细胞看颜色

红绿色觉缺陷在男性中比女性常见得多，因为 L 和 M 色素的基因位于 X 染色体上。通常是一类视锥细胞的敏感度偏移或缺失。如果只有两类视锥细胞正常工作（二色视觉），许多正常视觉看来不同的颜色就会相似。红色盲缺少 L 视锥细胞，绿色盲缺少 M 视锥细胞，罕见得多的蓝黄色盲缺少 S 视锥细胞。约翰·道尔顿在 1794 年描述了自己的色觉；1995 年对其保存眼球的 DNA 检测表明，他是绿色盲。

板面会按每种类型看到的样子重新绘制。方法来自 Brettel、Viénot 和 Mollon（1997）以及 Viénot、Brettel 和 Mollon（1999）：把每种颜色转换成视锥细胞信号，再以根据另外两类信号计算的数值替换缺失视锥细胞的信号，选择这一数值时，使已知二色视觉者能正常看见的颜色保持外观。对红色盲和绿色盲，这些颜色是白色和蓝色；对蓝黄色盲，方法使用以 485 nm 和 660 nm 为锚点的两个半平面。所有类型看到的白色都仍是白色。

点阵图在橄榄绿色圆点中，用橙红色圆点藏着一个 5，并混合不同明度，以免明度暴露数字。正常视觉中，5 很突出。红色盲或绿色盲视觉中，两组圆点的颜色变得接近，数字便淡去。色块 A 和 B 用 ΔE 测量差异，即 CIE 1976 色差：约 1 时刚能察觉，40 时十分明显。任务要求你找到一种 B 的色相，使正常视觉下它与 A 的差异超过 40，而绿色盲视觉下小于 6。

蝴蝶和羽毛的结构色

闪蝶的蓝色不是色素。每片鳞片都有带着几丁质（n = 1.56）和空气交替叠层的脊。从各层反射的光在某个波段相加，在其他波段抵消，等于把肥皂泡的薄膜效应重复许多次。Kinoshita 及其同事在 2002 年测量了这一结构，并表明脊之间的轻微不规则使颜色分布在很宽的角度范围内。

模型使用理想叠层：在几丁质基底上，叠放六对 70 nm 几丁质层和 120 nm 空气层，使用特征矩阵法计算（与设计光学镀膜的方法相同；对于单层，它给出与艾里结果完全相同的结果）。正面观察时，叠层在 458 nm 处反射 99% 的光。改变观察角度，峰值移向更短波长：30° 时为 415 nm，45° 时接近 380 nm 的紫色边缘。真实闪蝶翅膀的颜色变化比这小，因为脊并不完全规则。

孔雀羽毛以羽小枝中的黑色素棒晶格产生类似效果。Zi 及其同事在 2003 年证明，仅改变晶格间距，就足以产生眼状图案的蓝色、绿色和棕色。

展台上的颜色如何计算

第二张桌子上的每种彩色光都从光谱开始：滤光曲线、反射率、普朗克曲线或一组谱线。要把光谱转换成屏幕颜色，模型将其与三个 CIE 1931 配色函数相乘，从 380 到 780 nm 每隔 5 nm 累加一次结果。由此得到三刺激值 X、Y 和 Z。标准矩阵（IEC 61966-2-1）把 XYZ 转换成 sRGB 屏幕的红、绿、蓝。

为提高速度，模型使用 Wyman、Sloan 和 Shirley（2013）对 CIE 函数的解析拟合，而非完整数据表。与 CIE 表中八个波长的数据比较，拟合值与表值的差距在 0.02 以内。此外，日光 D65 恰好显示为白色，2856、5000 和 6500 K 的黑体颜色与已发表的普朗克轨迹之间的差距在 0.002 以内。

许多光谱色超出屏幕能显示的范围。例如，纯 520 nm 绿光比屏幕三原色的任何混合都更饱和。模型保持色相和明度，加入白色，直到颜色落入可显示范围。第一张桌子的棱镜和彩虹仍使用第 1 版较简单的 Bruton 公式，并作缩放，使追踪的全部 25 个波长相加后恢复白色。

模型省略了什么

屏幕颜色是近似的。580 nm 黄色这样的光谱色无法由只混合自身红、绿、蓝的屏幕精确显示。波长通过简单的分段公式转换成屏幕颜色，再作缩放，使全部 25 个波长相加后恢复白色。

光线在平面中追踪：棱镜在桌面平面内，水滴在穿过中心的竖直切面内。水滴忽略了每个表面反射造成的光损失，真实水滴中这些损失使形成虹的光只剩百分之几，并把太阳视为点而非宽半度的圆盘。偏振片是理想的，沿透光轴没有光损失。尺寸按光具座空间选取；真实雨滴直径只有几毫米。

第二张桌子上的减色滤光片使用平滑的模型曲线，而非实测曲线，荧光峰是典型值，余辉在几秒而非几小时内消退，闪蝶翅膀则是完美叠层。灯箱、水槽和色块的颜色相对于等能白光显示。放电管只显示最强的可见谱线；NIST 还列有许多更弱的谱线。

简史

艾萨克·牛顿后来写道，1666 年初，他买了一块三角玻璃棱镜，让从窗板小孔进入的阳光穿过它，落在远处墙上。他预期会看到圆形光斑。实际的彩色图像却是长条形，长度约为宽度的五倍。在 Experimentum Crucis 中，他用第二块板选出一种颜色，再让它通过第二块棱镜，发现它再次偏折相同的角度，颜色不变。他在 1672 年 2 月发表于英国皇家学会的 Philosophical Transactions 的信中描述了实验，后来又写入 Opticks（1704）。

笛卡尔对彩虹角度的解释在 1637 年随 Discourse on Method 发表。1861 年，托马斯·萨顿与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦合作，通过红、绿、蓝滤光片各拍一张照片，再把三张叠加投影，制成第一张能够长久保存的彩色照片。艾蒂安-路易·马吕斯在 1809 年发表的研究中描述了反射产生的偏振。埃德温·兰德于 1929 年申请了第一项片状偏振片专利；他给塑料片涂上涂层，再拉伸它，使微小晶体排列整齐。