我们在生活中经常遇到这样的问题：在商场里搭配了颜色相近的裤子和上衣，穿出门后却发生了微妙的变化，颜色变得不再相近。这种变化时常让我们感到困惑，难道生活中物品的颜色像变色龙一样在时刻发生变化吗？
不同照明条件下同一套衣服的颜色差异 /图源网络
事实显然并非如此，衣服并不具有生命，无法像变色龙一样通过改变自身色素细胞产生不同的色彩。解释这一现象的本质，还需从颜色产生的本源说起，五彩缤纷的世界之所以能够被人类观察，需要有光源、物体和观察者共同参与。首先，光源发出的光照射在物体表面，物体表面由于物理性质的不同，会选择性地吸收部分谱段的光，并反射其他谱段的光；随后，物体反射的光进入观察者的眼睛，并汇聚在视网膜上；最后，由视网膜上的视锥细胞感光，并将色彩信息通过视觉神经传输至大脑，在大脑中成像，进而获取物体的颜色。
物体颜色产生过程 /图源网络
那么，为什么两个不同的物体，在某一光源下颜色相近，在另一种光源下颜色却产生了明显差异呢？这是由于观察者对颜色分辨能力有限而造成的，人类视网膜上分布的视锥细胞只对红、绿、蓝三种颜色的光敏感，而物体反射的可见光在390nm-780nm谱段均有分布。假设有两个不同的物体，在同一光源下反射光谱不同，但在红、绿、蓝三个谱段具有近似相同的光谱强度分布，观察者就无法区分两种反射光谱，认为两种物体颜色相同（如下图光源1）；当照明光源改变时，物体在红、绿、蓝三个谱段的反射光谱强度产生差异，观察者就可以区分两种物体的颜色（如下图光源2），这种现象被称为同色异谱（Metamerism）。
同色异谱原理示意图 /作者原创
同色异谱是人类生产和生活中十分普遍的光学现象，其存在有利有弊。例如，同色异谱独特的光学特性有利于防伪技术的进步。荷兰在1985年发行的250元面值钞票中，使用同色异谱油墨印染了兔子暗记，在正常光照条件下钞票左下角的兔子与周边油墨色差不大；而在红色滤光片下观察，会发现兔子与周边油墨产生明显色差。由于同色异谱油墨的配方极为复杂，难以被复现，因此采用同色异谱技术印染的钞票具有优良的防伪性能，在多国钞票中均有应用。
荷兰盾兔子防伪标志 /图源网络
然而同色异谱现象也给许多行业带来了生产和技术上的障碍。在印染行业中，印染品经常出现“跳灯”情况，即厂家的生产环境与客户所处的环境光照条件不同，导致印染产品在厂家所处的光照条件下与样板无色差，在客户所处的光照条件下与样板产生明显色差。印染过程中的同色异谱增加了印染成本，降低了印染效率。
不同光源照明下样品的颜色差异 /图源网络
同色异谱的不利影响还体现在自动驾驶领域。2016年，美国佛州一辆自动驾驶状态下的汽车撞上了一辆正在转弯的白色半挂卡车；2019年，同样在佛州，一辆在自动驾驶状态下以110km/h高速行驶的汽车撞上了一辆正在缓慢穿过马路的白色拖挂卡车。
2021年3月美国底特律自动驾驶事故 /图源网络
自动驾驶事故的频发严重威胁了驾驶者的生命安全，降低了民众对自动驾驶的信赖度，阻碍了自动驾驶技术的推广和发展。那么，是什么原因导致了这些事故的发生？为什么白色的货车车厢在一定环境下无法被识别和躲避？其实这些事故背后的“幕后黑手”就是同色异谱。自动驾驶所采用的摄像头对色彩分辨的原理与人眼类似，只能提取物体的RGB（红绿蓝）光谱信息，而舍弃了其他谱段大量的光谱信息。因此，当白色车厢的RGB强度值与天空极其接近时，白色车厢就在自动驾驶系统中“隐身”，无法被识别和避让，最终导致车祸的发生。
白色车厢与天空光谱的降维提取 /作者原创
同色异谱的危害能否被及时发现和避免呢？其实方法并不复杂，只需要采用光谱分辨能力较强的光谱检测设备对物质的光谱波段进行更密集的细分采集，提取出物品详细的光谱信息；通过提取和比对采样光谱，印染行业的色差在调色环节即可避免，自动驾驶过程中“隐形”的障碍也可被轻松识别和躲避。
传统的光谱检测设备主要基于空间光路的原理，从而导致成本较高、体积较大、对检测环境有较高要求，因此限制了其在人类日常生活中的应用。然而小型化光谱检测设备的应用空间和需求都在急速增长。便携式、手持式甚至是芯片级的光谱检测产品也逐渐出现在市场上，随着近十年来，计算能力的增加以及光学领域的技术创新和突破，也大大加速了光谱仪的微型化进程，我们期待微型光谱检测设备在各行业发挥更广泛的作用，走进人类的日常生活。
注：本文原创组图中的RGB三个波长点为简化示意，实际颜色需要通过光谱积分后体现，但是文中的现实场景、科学原理和结论均是不变且一致的。
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