Можно ли измерить длину волны цвета?

Длина волны видимого света определяет, какой цвет воспринимают наши глаза. Длина световых волн находится в диапазоне от 380 до 750 нанометров (нм) в электромагнитном спектре. Самые длинные волны кажутся красными, а самые короткие — фиолетовыми. Между ними появляются цвета радуги. Но можем ли мы назначить точные длины волн каждому различимому цвету?

Видимый спектр

Видимый спектр охватывает длины волн света, которые могут обнаружить человеческие глаза. Этот диапазон находится между инфракрасным светом и ультрафиолетовым светом в электромагнитном спектре. Инфракрасный имеет более длинные волны (от 750 нм до 1 мм), а ультрафиолетовый — более короткие (от 10 до 380 нм).

Как показано в таблице, фиолетовый свет имеет самую короткую длину волны, видимую человеком, а красный — самую длинную. Остальные цвета располагаются последовательно между ними. Но диапазоны для каждого цвета перекрываются из-за непрерывной природы спектра. Наши глаза не могут воспринимать точные границы между ними.

Трихроматическая теория цветового зрения

Согласно трихроматической теории, цветовое зрение человека зависит от трех типов колбочек фоторецепторных клеток в сетчатке. Каждый тип чувствителен к разному диапазону длин волн:

• S-колбочки — короткие волны (синие)
• M-колбочки — средние волны (зеленые)
• L-колбочки — длинные волны (красные)

Сочетание и относительная стимуляция трех типов колбочек позволяет нам воспринимать весь спектр видимых цветов. Однако не существует единого типа колбочек, предназначенного для каждого цвета. Длины волн, стимулирующие колбочку, зависят от ее пигмента. Красный свет, например, сильно активирует L-колбочки, но едва активирует S-колбочки.

Субъективная природа восприятия цвета

Восприятие цвета субъективно — то, что мы видим, зависит от наблюдателя. Вот некоторые факторы, которые на него влияют:

• Соотношения колбочек — у каждого человека есть S-, M- и L-колбочки, но в разном количестве. Это влияет на цветовую чувствительность.
• Цветовая слепота — около 8% мужчин не имеют колбочек типа M или L, которые изменяют восприятие цвета.
• Возраст — хрусталик со временем желтеет, отфильтровывая коротковолновый (синий) свет.
• Опыт — цвета в памяти формируются на основе того, что мы научились ассоциировать с объектами (например, бананы желтые).

Поскольку цвет формируется в нашей зрительной системе и мозге, назначение точной длины волны невозможно. Мы все можем воспринимать слегка отличающийся оттенок для одной и той же длины волны.

Спектральное распределение мощности

Хотя мы не можем указать одну длину волны для каждого цвета, мы можем охарактеризовать свет, излучаемый источником. Спектральное распределение мощности (SPD) измеряет мощность излучения на каждой длине волны по всему видимому спектру. Он показывает преобладающие длины волн и относительные интенсивности.

Например, красный лазер будет иметь высокий узкий пик около 650 нм, в то время как лампа накаливания будет иметь более широкий пик в красно-желтой области. SPD позволяют нам определить, почему два источника света могут выглядеть по-разному, несмотря на схожие цветовые обозначения.

Доминирующая и дополнительная длина волны

При описании цветного света мы часто указываем доминирующую или дополнительную длину волны вместо диапазона:

• Доминирующая длина волны — длина волны, на которой кривая SPD достигает пика интенсивности.
• Дополнительная длина волны — появляется как «противоположный» цвет при смешивании с доминирующей длиной волны.

Например, неоновая красная вывеска может иметь доминирующую длину волны 610 нм (в красном диапазоне) и дополнительную длину волны 494 нм (сине-зеленый). Это дает достаточно информации, чтобы охарактеризовать цвет света, приблизительно указав, где он находится в спектре.

Диаграммы цветности

Диаграммы цветности, такие как диаграмма CIE 1931 ниже, отображают цвета по их координатам цветности x и y:

Координаты x и y рассчитываются по кривой SPD. Любой цвет, который может воспринимать человек, имеет уникальный набор значений цветности. Эти диаграммы лучше представляют цвет по сравнению с простым указанием доминирующей длины волны.

Цветовая температура

Цветовая температура описывает «теплоту» или «холодность» источников белого света. Она измеряется в кельвинах (К) на основе температуры, до которой необходимо нагреть излучатель черного тела для получения сопоставимого цвета:

• Низкие цветовые температуры (
• Высокие цветовые температуры (>5000К) выглядят более синими («холодными»)

Мы не можем назначить одну длину волны белому свету. Но измерение цветовой температуры дает представление о его SPD и цветности.

Измерение длины волны

Чтобы эмпирически измерить длину волны источника света, вам нужен спектрометр. Этот прибор разделяет свет на его составляющие длины волн с помощью призмы или дифракционной решетки. Затем фотодетекторы измеряют интенсивность на каждой длине волны.

Спектрометры выдают кривую SPD для источника. Пики указывают доминирующие длины волн и их относительную интенсивность. Импорт данных в программное обеспечение позволяет вам вычислять дополнительные метрики, такие как координаты цветности и Цветовая температура.

Заключение

Хотя мы можем называть свет определенным цветом, понятие точной длины волны проблематично, учитывая природу человеческого зрения. Цвета формируются, когда наш мозг интерпретирует сигналы, полученные от фоторецепторов. Количественное описание цвета требует таких метрик, как доминирующая/дополнительная длина волны, координаты цветности и цветовая температура.

Такие приборы, как спектрометры, измеряют спектр источника в деталях. Но в конечном итоге цвет зависит от зрительной системы наблюдателя и нейронной обработки в той же степени, что и от физических свойств света.