Видимый спектр - Visible spectrum

Белый свет является диспергируют с помощью призмы в цвета видимого спектра.
Лазерные лучи видимого спектра

Видимый спектр представляет собой часть электромагнитного спектра , который является видимым для человеческого глаза . Электромагнитное излучение в этом диапазоне длин волн называется видимым светом или просто светом . Типичный человеческий глаз реагирует на волны длиной от 380 до 750 нанометров . По частоте это соответствует полосе в районе 400–790  ТГц . Эти границы четко не определены и могут варьироваться в зависимости от человека. В оптимальных условиях эти пределы человеческого восприятия могут простираться до 310 нм ( УФ ) и 1100 нм (NIR ).

Спектр не содержит всех цветов, которые может различить зрительная система человека . Ненасыщенные цвета, такие как розовый , или пурпурные вариации, такие как , например, пурпурный , отсутствуют, потому что они могут быть получены только из смеси нескольких длин волн. Цвета, содержащие только одну длину волны, также называются чистыми цветами или спектральными цветами.

Видимые длины волн проходят через атмосферу Земли в основном без ослабления через область « оптического окна » электромагнитного спектра. Примером этого явления является случай, когда чистый воздух рассеивает синий свет больше, чем красный, и поэтому полуденное небо кажется голубым (за исключением области вокруг солнца, которая кажется белой, потому что свет рассеивается не так сильно). Оптическое окно также называют «видимым окном», потому что оно перекрывает видимый спектр реакции человека. Окно ближнего инфракрасного диапазона (NIR) находится вне поля зрения человека, так же как окно среднего диапазона длин волн (MWIR) и окно длинноволнового или дальнего инфракрасного диапазона (LWIR или FIR), хотя другие животные могут их видеть.

История

Цветовой круг Ньютона из Opticks 1704 года показывает цвета, которые он ассоциировал с музыкальными нотами . Спектральные цвета от красного до фиолетового разделены нотами музыкальной гаммы, начиная с D. Круг завершает полную октаву от D до D. В круге Ньютона красный цвет находится на одном конце спектра, рядом с фиолетовым, в точке. другой. Это отражает тот факт, что при смешивании красного и фиолетового света наблюдаются неспектральные пурпурные цвета.

В 13 веке Роджер Бэкон предположил, что радуга образовывалась с помощью процесса, аналогичного прохождению света через стекло или кристалл.

В 17 веке Исаак Ньютон обнаружил, что призмы могут разбирать и собирать белый свет, и описал это явление в своей книге « Оптика» . Он был первым, кто использовал слово « спектр» ( лат. «Видимость» или «привидение») в этом смысле в печати в 1671 году при описании своих экспериментов в оптике . Ньютон заметил, что, когда узкий луч солнечного света попадает на грань стеклянной призмы под углом, часть его отражается, а часть луча проходит в стекло и сквозь него, образуя полосы разного цвета. Ньютон предположил, что свет состоит из «корпускул» (частиц) разного цвета, при этом свет разных цветов движется с разной скоростью в прозрачной материи, причем красный свет движется быстрее, чем фиолетовый в стекле. В результате красный свет изгибается ( преломляется ) менее резко, чем фиолетовый, когда он проходит через призму, создавая спектр цветов.

Наблюдение Ньютоном призматических цветов ( Дэвид Брюстер, 1855)

Первоначально Ньютон разделил спектр на шесть названных цветов: красный , оранжевый , желтый , зеленый , синий и фиолетовый . Позже он добавил индиго в качестве седьмого цвета, так как считал, что семь было идеальным числом, полученным от древнегреческих софистов , о существовании связи между цветами, музыкальными нотами, известными объектами в солнечной системе и днями неделя. Человеческий глаз относительно нечувствителен к частотам индиго, и некоторые люди с хорошим зрением не могут отличить индиго от синего и фиолетового. По этой причине некоторые более поздние комментаторы, в том числе Исаак Азимов , предположили, что индиго не следует рассматривать как самостоятельный цвет, а просто как оттенок синего или фиолетового. Факты указывают на то, что то, что Ньютон имел в виду под «индиго» и «синим», не соответствует современным значениям этих цветных слов. Сравнивая наблюдения Ньютона призматических цветов к цветному изображению видимого показывает спектр света , который «индиго» соответствует тому , что сегодня называется синим, в то время как его «голубым» соответствует голубому цвету .

В 18 веке Иоганн Вольфганг фон Гете писал об оптических спектрах в своей Теории цвета . Гете использовал слово « спектр» ( Spektrum ) для обозначения призрачного оптического остаточного изображения , как это сделал Шопенгауэр в « О зрении и цветах» . Гете утверждал, что непрерывный спектр - сложное явление. Там, где Ньютон сузил луч света, чтобы изолировать явление, Гете заметил, что более широкая апертура дает не спектр, а красновато-желтые и сине-голубые края с белыми между ними. Спектр появляется только тогда, когда эти края достаточно близки для перекрытия.

В начале 19 века концепция видимого спектра стала более определенной, поскольку свет за пределами видимого диапазона был открыт и охарактеризован Уильямом Гершелем ( инфракрасный ) и Иоганном Вильгельмом Риттером ( ультрафиолетовый ), Томасом Янгом , Томасом Иоганном Зеебеком и другими. Янг был первым, кто измерил длины волн света разных цветов в 1802 году.

Связь между видимым спектром и цветовым зрением была исследована Томасом Янгом и Германом фон Гельмгольцем в начале 19 века. Их теория цветового зрения правильно предполагала, что глаз использует три различных рецептора для восприятия цвета.

Восприятие цвета у разных видов

Многие виды могут видеть свет в частотах за пределами "видимого спектра" человека. Пчелы и многие другие насекомые могут обнаруживать ультрафиолетовый свет, который помогает им находить нектар в цветах. Виды растений, которые зависят от опыления насекомыми, могут быть обязаны своим репродуктивным успехом своему внешнему виду в ультрафиолетовом свете, а не тому, насколько красочными они кажутся людям. Птицы тоже могут видеть в ультрафиолете (300–400 нм), а у некоторых на оперении есть зависящие от пола отметины, которые видны только в ультрафиолетовом диапазоне. Многие животные, которые могут видеть в ультрафиолетовом диапазоне, не могут видеть красный свет или любые другие красноватые волны. Видимый спектр пчел заканчивается примерно на 590 нм, как раз перед началом оранжевых волн. Птицы могут видеть некоторые красные волны, но не так далеко в световом спектре, как люди. Распространенное мнение, что обычная золотая рыбка - единственное животное, которое может видеть как инфракрасный, так и ультрафиолетовый свет, неверно, потому что золотая рыбка не может видеть инфракрасный свет.

Большинство млекопитающих двуцветны , а собаки и лошади часто считаются дальтониками. Было показано, что они чувствительны к цвету, хотя и не так много, как люди. Некоторые змеи могут «видеть» лучистое тепло на длинах волн от 5 до 30  мкм с такой степенью точности, что слепая гремучая змея может атаковать уязвимые части тела жертвы, а другие змеи с этим органом могут обнаруживать теплые тела от в метре. Его также можно использовать для терморегуляции и обнаружения хищников . (См. Инфракрасное зондирование у змей )

Спектральные цвета

sRGB-рендеринг спектра видимого света
Цвет Длина волны
( нм )
Частота
( ТГц )
Энергия фотона
( эВ )
380–450 670–790 2,75–3,26
450–485 620–670 2,56–2,75
485–500 600–620 2,48–2,56
500–565 530–600 2,19–2,48
565–590 510–530 2.10–2.19
590–625 480–510 1,98–2,10
625–700 400–480 1,65–1,98

Цвета, которые могут быть получены с помощью видимого света с узкой полосой длин волн (монохроматический свет), называются чистыми спектральными цветами . Различные цветовые диапазоны, указанные на иллюстрации, являются приблизительными: спектр непрерывный, без четких границ между одним цветом и другим.

Спектр отображения цветов

Приближение спектральных цветов на дисплее приводит к некоторому искажению цветности.
Визуализация видимого спектра на сером фоне дает неспектральные смеси чистого спектра с серым, которые вписываются в цветовое пространство sRGB .

Цветные дисплеи (например, компьютерные мониторы и телевизоры ) не могут воспроизводить все цвета, различимые человеческим глазом . Цвета за пределами цветовой гаммы устройства, такие как большинство спектральных цветов , можно только приблизительно определить . Для точного воспроизведения цветов спектр можно спроецировать на однородное серое поле. Все полученные смешанные цвета могут иметь неотрицательные координаты R, G, B и поэтому могут воспроизводиться без искажений. Это точно имитирует просмотр спектра на сером фоне.

Спектроскопия

Атмосфера Земли частично или полностью блокирует некоторые длины волн электромагнитного излучения, но в видимом свете она в основном прозрачна.

Спектроскопия - это исследование объектов на основе спектра цвета, который они излучают, поглощают или отражают. Спектроскопия в видимом свете - важный инструмент в астрономии (как и спектроскопия на других длинах волн), где ученые используют ее для анализа свойств далеких объектов. Химические элементы и небольшие молекулы можно обнаружить в астрономических объектах, наблюдая эмиссионные линии и линии поглощения . Например, гелий был впервые обнаружен путем анализа спектра Солнца . Сдвиг частоты спектральных линий используется для измерения доплеровского смещения ( красного или синего смещения ) удаленных объектов для определения их скорости к наблюдателю или от него. В астрономической спектроскопии используются дифракционные решетки с высокой дисперсией для наблюдения спектров с очень высоким спектральным разрешением.

Характеристики

Нагревать

Хотя невидимый инфракрасный свет чаще называют «тепловым излучением», свет любой частоты, включая видимый свет, нагревает поверхности, которые его поглощают. Мощный источник чисто видимого света, такой как лазер видимого света, может обугливать бумагу.

Биологические эффекты

Высокоэнергетический видимый свет (свет HEV) (фиолетовый / синий свет с длиной волны 400-450 нм) оказывает ряд биологических эффектов, особенно на глаза. Исследования, проведенные Harvard Health Publishing и французским ANSES, показали, что воздействие синего света негативно влияет на сон и может привести к ухудшению зрения.


Смотрите также

использованная литература