白色光はガラスプリズムによって可視スペクトルの色に分散されます。

可視スペクトルは、人間の目に見える電磁スペクトルの帯域です。この波長範囲の電磁放射は可視光（または単に光）と呼ばれます。光スペクトルは可視スペクトルと同じものと考えられる場合もありますが、一部の研究者はより広義に定義し、電磁スペクトルの紫外線と赤外線を含む、総称して光放射として定義しています。[1] [2]

人間の目は通常、約380ナノメートルから約750ナノメートルの波長に反応します。[3]周波数で言えば、これは約400～790テラヘルツの帯域に相当します 。これらの境界は明確に定義されておらず、個人差があります。[4]最適な条件下では、人間の知覚限界は310ナノメートル（紫外線）から1100ナノメートル（近赤外線）まで広がります。[5] [6] [7]

スペクトルには、人間の視覚システムが識別できるすべての色が含まれているわけではありません。例えば、ピンクのような不飽和色や、マゼンタのような紫の変種は、複数の波長の混合からしか生成できないため、スペクトルには含まれていません。1つの波長のみを含む色は、純色またはスペクトル色とも呼ばれます。[8] [9]

可視波長は、電磁スペクトルの「光学窓」領域を通過し、地球の大気圏をほとんど減衰することなく通過します。この現象の一例として、清浄な空気は赤色光よりも青色光を多く散乱するため、正午の空は青く見えます（太陽の周囲は光の散乱が少ないため白く見えます）。光学窓は、人間の可視応答スペクトルと重なるため、「可視窓」とも呼ばれます。近赤外線（NIR）の窓は、中波長赤外線（MWIR）の窓、そして長波長または遠赤外線（LWIRまたはFIR）の窓と同様に、人間の視覚範囲のすぐ外側にありますが、他の動物はこれらを知覚することがあります。[2] [4]

スペクトルカラー

狭い波長帯域の可視光（単色光）によって生成される色は、スペクトル色と呼ばれます。図に示されている様々な色の範囲は近似値です。スペクトルは連続しており、ある色と次の色の間に明確な境界はありません。[10]

歴史

ニュートンの色相環（ 1704年刊行の『光学』所収）。彼が音符に関連付けた色を示している。赤から紫までのスペクトル色は、音階の音符（D）ごとに分割されている。円はDからDまで1オクターブを成す。ニュートンの色相環では、スペクトルの一方の端に赤、もう一方の端に紫が位置している。これは、赤と紫の光を混ぜると、スペクトルに関係のない紫色が観測されるという事実を反映している。

13世紀、ロジャー・ベーコンは虹はガラスや水晶を通過する光と同様のプロセスによって生成されると理論づけました。 [11]

17世紀、アイザック・ニュートンはプリズムが白色光を分解・再構成できることを発見し、その現象を著書『光学』で記述しました。ニュートンは1671年、光学における自身の実験を記述する際に、スペクトル（ラテン語で「出現」または「幻影」を意味する）という言葉をこの意味で初めて印刷物で使用しました。ニュートンは、細い太陽光線がガラスプリズムの面に斜めに当たると、一部は反射され、一部はガラスに入射して透過し、異なる色の帯として現れることを観察しました。ニュートンは、光は異なる色の「微粒子」で構成されており、透明物質中を異なる速度で移動すると仮定しました。ガラス中を移動する赤色光は紫色光よりも速く移動します。その結果、赤色光はプリズムを通過する際に紫色光よりも緩やかに屈折し、色のスペクトルが生まれます。

ニュートンによるプリズム色の観察（デイヴィッド・ブリュースター1855）

ニュートンは当初、スペクトルを赤、橙、黄、緑、青、紫の6つの色に分けました。後に彼は、古代ギリシャのソフィストが7を完全数と考えたことから、色と音符、太陽系の既知の天体、そして曜日との間に関連性があると信じ、藍を7番目の色として加えました。 [12]人間の目は藍の周波数に比較的鈍感で、視力の良い人でも藍と青や紫を区別できない場合があります。このため、アイザック・アシモフ[ 13]を含む後世の評論家たちは、藍はそれ自体の色ではなく、単に青や紫の色合いとして捉えるべきだと提唱しました。ニュートンが「藍」や「青」という言葉で意味したものは、現代の色彩用語の意味とは一致していないことが示唆されています。ニュートンのプリズム色の観察と可視光スペクトルの色画像を比較すると、「藍」は今日で言う青に相当するのに対し、彼の「青」はシアンに相当することがわかります。[14] [15] [16]

18世紀、ヨハン・ヴォルフガング・フォン・ゲーテは著書『色彩論』の中で光学スペクトルについて論じました。ゲーテはスペクトル（スペクトラム）という言葉を、ショーペンハウアーが『視覚と色彩について』で用いたように、幽霊のような光学的残像を指すために用いました。ゲーテは連続スペクトルは複合現象であると主張しました。ニュートンが光線を狭めてこの現象を分離したのに対し、ゲーテはより広い絞りではスペクトルではなく、赤みがかった黄色と青みがかったシアンの縁とその間に白が現れることに気づきました。スペクトルは、これらの縁が重なり合うほど接近した場合にのみ現れます。

19世紀初頭、ウィリアム・ハーシェル（赤外線） 、ヨハン・ヴィルヘルム・リッター（紫外線）、トーマス・ヤング、トーマス・ヨハン・ゼーベックらによって可視光線以外の光が発見され、その特徴が解明されたことで、可視スペクトルの概念はより明確になりました。[17] ヤングは1802年に初めて異なる色の光の波長を測定しました。[18]

可視スペクトルと色覚の関係は、19世紀初頭にトーマス・ヤングとヘルマン・フォン・ヘルムホルツによって研究されました。彼らの色覚理論は、目が色を認識するために3つの異なる受容体を用いるという正しい提唱でした。

可視範囲の制限

明所視（黒）と暗所視（緑）の視感度関数。横軸は波長（nm）です。詳しくは視感度関数をご覧ください。

可視スペクトルは、網膜に到達して視覚の光変換をトリガーする（視覚オプシンを刺激する）波長に限定されます。紫外線に対する無感度は、一般的に水晶体の透過によって制限されます。赤外線に対する無感度は、視覚オプシンのスペクトル感度関数によって制限されます。範囲は、これらすべての要因を考慮した視感度関数によって心理測定学的に定義されます。人間では、2 つの視覚システムのそれぞれに個別の機能があります。1 つは日光の下で使用される明所視で、これは錐体細胞によって媒介され、もう 1 つは薄暗い光で使用される暗所視で、これは桿体細胞によって媒介されます。これらの機能にはそれぞれ異なる可視範囲があります。ただし、可視範囲に関する議論では、一般的に明所視を前提としています。

大気透過

ほとんどの動物の可視光範囲は、大気を通過できる光の範囲である光学窓に合わせて進化しました。オゾン層はほぼすべての紫外線（315nm以下）を吸収します。 [19]しかし、これは宇宙からの光（例：太陽光）にのみ影響し、地上からの光（例：生物発光）には影響しません。

眼球透過

光が眼球媒質を通過する際の累積透過スペクトル。角膜通過後（青）、水晶体通過前（赤）、水晶体通過後（灰色）、網膜通過前（オレンジ）。実線は4.5歳の眼の透過率。オレンジ色の破線は53歳の眼の透過率、点線は75歳の眼の透過率で、水晶体の黄変の影響を示しています。

網膜に到達する前に、光はまず角膜と水晶体を通過する必要があります。UVB光（< 315 nm）は主に角膜でフィルタリングされ、UVA光（315–400 nm）は主に水晶体でフィルタリングされます。[20]また、水晶体は加齢とともに黄色くなり、スペクトルの青色部分の透過率を最も強く減衰させます。[20]これにより、黄色視症や可視スペクトルの短波（青色）限界のわずかな短縮が引き起こされる可能性があります。無水晶体症の人は水晶体が欠損しているため、UVA光が網膜に到達して視覚オプシンを刺激し、可視範囲が拡大して青視を引き起こすこともあります。

オプシン吸収

各オプシンには分光感度関数があり、これは各波長の光子を吸収する可能性を定義します。視感度効率関数は、寄与する視覚オプシンのおおよその重ね合わせです。したがって、個々のオプシン分光感度関数の位置の変動は、視感度効率関数と可視範囲に影響します。たとえば、長波 (赤) 限界は、L オプシンの位置に比例して変化します。位置はピーク波長 (最も感度の高い波長) によって定義されるため、L オプシンのピーク波長が青に 10 nm シフトすると、可視スペクトルの長波限界も 10 nm シフトします。L オプシンのピーク波長の大きな偏差は、プロタノマリーと呼ばれる色覚異常の一形態につながり、L オプシンの欠損 (プロタノピア) により、長波限界で可視スペクトルが約 30 nm 短くなります。 M オプシンと S オプシンに影響を及ぼす色覚異常は、視感度関数や可視スペクトルの限界に大きな影響を与えません。

異なる定義

実際の物理的および生物学的変動にかかわらず、限界の定義は標準化されておらず、業界によって異なります。たとえば、実用的な限界を重視する業界によっては、控えめに420～680 nmと報告する場合もありますが[21] [22] 、心理測定学を重視する業界は、最も広いスペクトルを実現するために380～750 nm、あるいは380～800 nmと報告する場合もあります。[23] [24] NIRにおける視感度関数には明確なカットオフはなく、むしろ指数関数的に減少するため、1,050 nmでの関数の値（または視覚感度）は700 nmでの約10 9倍弱くなります。そのため、1,050 nmの光を知覚するには、700 nmの光よりもはるかに高い強度が必要になります。[25]

可視スペクトル外の視覚

理想的な実験室環境では、被験者は少なくとも1,064nmまでの赤外線を知覚することができます。[25] 1,050nmのNIR光は赤色を想起させる可能性があり、L-オプシンによる直接吸収を示唆していますが、パルスNIRレーザーは緑色を想起させるという報告もあり、これは2光子吸収がNIR感度の拡張を可能にしている可能性を示唆しています。[25]

同様に、若い被験者は310～313nm程度の紫外線波長を感知する可能性がある[26] [27] [28]が、380nm未満の光の検知は、オプシンによる紫外線の直接吸収ではなく、眼媒質の蛍光によるものである可能性がある。UVA光は眼媒質（水晶体と角膜）に吸収されると蛍光を発し、より低いエネルギー（より長い波長）で放出され、オプシンに吸収される。例えば、水晶体が350nmの光を吸収する場合、蛍光発光スペクトルは440nmを中心とする。[29]

非可視光検出

明所視系と暗所視系に加えて、人間は一次視覚系に寄与しない光を検出する他のシステムも有する。例えば、メラノプシンは420～540nmの吸収域を持ち、概日リズムやその他の反射プロセスを制御している。[30]メラノプシン系は像を形成しないため、厳密には視覚とはみなされず、可視範囲には寄与しない。

非ヒトでは

可視スペクトルは人間に見えるスペクトルと定義されていますが、種によって大きく異なります。錐体オプシンのスペクトルシフトによって可視範囲が変化するだけでなく、錐体細胞が4つ（四色型）または2つ（二色型）あるのに対し、人間は3つ（三色型）であるため、脊椎動物はそれぞれ人間よりも可視スペクトルが広く、狭くなる傾向があります。

脊椎動物は1～4種類のオプシンクラスを持つ傾向がある：[19]

  • 長波感度（LWS）は500～570 nmにピーク感度を持ち、
  • 中波感度（MWS）は480～520 nmにピーク感度を持ち、
  • 短波感度（SWS）は415～470 nmにピーク感度を持ち、
  • 355～435 nm の間にピーク感度を持つ紫外/紫外線感度 (VS/UVS)。

動物の視覚系を行動的にテストすることは難しいため、通常、動物の可視範囲はオプシンのピーク波長を典型的な人間のもの（Sオプシンは420 nm、Lオプシンは560 nm）と比較することによって推定されます。

哺乳類

ほとんどの哺乳類は、おそらく夜行性のボトルネックのため、2つのオプシンクラス（LWSとVS）のみを保持しています。しかし、旧世界の霊長類（ヒトを含む）は、その後、3色型色覚を取り戻すためにLWSクラスの2つのバージョンを進化させました。[19]ほとんどの哺乳類とは異なり、げっ歯類のUVSオプシンはより短い波長のままです。水晶体にUVフィルターがないことに加え、マウスは340nmまで検出できるUVSオプシンを持っています。紫外線が網膜に到達すると網膜損傷につながる可能性がありますが、他の哺乳類と比較してマウスの寿命が短いため、紫外線視力の利点と比較してこの不利な点は最小限に抑えられている可能性があります。[31]イヌは429nmと555nmの2つの錐体オプシンを持っているため、2色型であるにもかかわらず、人間の可視スペクトルのほぼ全体を見ることができます。[32]ウマは428nmと539nmの2つの錐体オプシンを持っているため、わずかに切断された赤色視覚が得られます。[33]

鳥

他のほとんどの脊椎動物（鳥類、トカゲ、魚類など）は4色型色覚を保持しており、その中にはヒトのVSオプシンよりも紫外線領域まで感度が広がるUVSオプシンも含まれる。[19]鳥類のUVSオプシンの感度は355～425 nm、LWSオプシンの感度は560～570 nmと大きく異なる。[34]これは、一部の鳥類はヒトと同等の可視スペクトルを持ち、他の鳥類は紫外線に対する感度が大幅に拡大していることを意味する。鳥類のLWSオプシンは600 nmを超えるピーク波長を持つと報告されることがあるが、これは鳥類の油滴のフィルターを組み込んだ有効なピーク波長である。[34] LWSオプシンのピーク波長のみで、長波限界をより正確に予測できる。鳥類の紫外線視覚の利点として考えられるのは、羽毛に紫外線領域でのみ見える性別に依存する模様があることである。[35] [36]

魚

硬骨魚類（硬骨魚類）は一般的に四色性です。魚類のUVSオプシンの感度は347～383 nm、LWSオプシンの感度は500～570 nmです。[37]しかし、代替の色素分子を使用する魚類の中には、LWSオプシンの感度を625 nmまで拡張できるものもあります。[37]金魚だけが赤外線と紫外線の両方を見ることができるという一般的な考え[38]は誤りです。なぜなら、金魚は赤外線を見ることができないからです。[39]

無脊椎動物

無脊椎動物の視覚系は脊椎動物とは大きく異なるため、直接比較することは困難です。しかし、ほとんどの昆虫種で紫外線感受性が報告されています。[40] ミツバチをはじめとする多くの昆虫は紫外線を感知することができ、花の蜜を見つけるのに役立ちます。昆虫による受粉に依存する植物種は、人間の目には色鮮やかに見えませんが、紫外線下での外観が繁殖の成功に寄与している可能性があります。ミツバチの長波長限界は約590nmです。[41] シャコは最大14個のオプシンを有し、300nm未満から700nmを超える範囲の可視光域を感知します。[19]

熱視覚

一部のヘビは5～30μmの 波長の放射熱を「見る」ことができます[42]。その精度は、盲目のガラガラヘビでも獲物の弱点を狙って攻撃できるほどです[43]。また、この器官を持つ他のヘビは、1メートル離れた場所から温かい体を感知することができます[44 ] 。また、体温調節や捕食者の検知にも利用されています[45] [46]。

分光法

地球の大気は電磁放射のいくつかの波長を部分的にまたは完全に遮断するが、可視光線ではほとんど透明である。

分光法は、物体が放出、吸収、または反射する色のスペクトルに基づいて物体を研究する学問です。可視光分光法は（他の波長の分光法と同様に）天文学において重要なツールであり、科学者はこれを使用して遠くの物体の特性を分析します。天体の化学元素や小分子は、輝線と吸収線を観測することによって検出できます。たとえば、ヘリウムは太陽のスペクトルの分析によって初めて検出されました。スペクトル線の周波数のシフトは、遠くの物体のドップラーシフト（赤方偏移または青方偏移）を測定するために使用され、観測者に向かう速度または遠ざかる速度を決定します。天文分光法では、高分散回折格子を使用して非常に高いスペクトル分解能でスペクトルを観測します。

参照

英語版ウィキソースにはこの記事に関連する原文があります:
藍色の定義
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