可視スペクトル

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であると考えられることもありますが、一部の著者は、この用語をより広く定義し、電磁スペクトルの紫外線と赤外線の部分も含め、総称して光放射として知られています。^{[1] [2]}

典型的な人間の目は、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、個人によって異なる場合があります。^[4]最適な条件下では、人間の知覚の限界は310nm（紫外線）と1100nm（近赤外線）まで拡張できます。^{[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。たとえば、ピンクなどの不飽和色や、マゼンタなどの紫のバリエーションは、複数の波長の混合からのみ作成できるため、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」領域を通って、地球の大気圏をほとんど減衰せずに通過します。この現象の一例として、きれいな空気が赤色光よりも青色光を多く散乱し、そのため正午の空が青く見えることが挙げられます (太陽の周りの領域は光があまり散乱し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) 窓は、中波長赤外線 (MWIR) 窓、長波長または遠赤外線 (LWIR または FIR) 窓と同様に、人間の視覚のすぐ外側にありますが、他の動物はそれらを認識できます。^{[2] [4]}

狭い波長帯域の可視光（単色光）によって生成される色は、純粋なスペクトル色と呼ばれます。図に示されているさまざまな色の範囲は近似値です。スペクトルは連続しており、1つの色と次の色の間に明確な境界はありません。^[10]

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過程によって生成されると理論づけた。 ^[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して再構成できることを発見し、その現象を著書『光学』で説明しました。ニュートンは、1671 年に光学実験を説明する際に、スペクトル(ラテン語で「出現」または「幻影」)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、一部はガラスを通過して透過し、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、光が異なる色の「粒子」で構成され、異なる色の光は透明物質内で異なる速度で移動し、赤い光はガラス内で紫色よりも速く移動するという仮説を立てました。その結果、赤い光はプリズムを通過するときに紫色よりも緩やかに曲げられ (屈折され)、色のスペクトルが作成されます。

ニュートンはもともとスペクトルを赤、オレンジ、黄、緑、青、すみれ色の6つの色に分けた。後に彼は、古代ギリシャの詭弁家が色と音符、太陽系の既知の物体、曜日の間に関連があると考えていたように、7は完全数であると信じて、藍を7番目の色として加えた。^[12]人間の目は藍の周波数に比較的鈍感で、視力が他の点では良好な人でも藍と青やすみれ色を区別できない。このため、アイザック・アシモフ[ ^13]など後代の評論家は、藍はそれ自体が色ではなく、単に青やすみれ色の色合いとみなすべきだと示唆している。証拠によれば、ニュートンが「藍」や「青」で意味したものは、それらの色彩を表す言葉の現代的な意味とは一致していない。ニュートンのプリズム色の観察と可視光スペクトルのカラー画像を比較すると、「藍」は現在青と呼ばれるものに対応するのに対し、彼の「青」はシアンに対応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書いている。ゲーテは、幽霊のような光学的残像を指すのにスペクトル( Spektrum ) という言葉を使った。ショーペンハウアーも『視覚と色彩について』で同じことをしている。ゲーテは、連続スペクトルは複合現象であると主張した。ニュートンは光線を狭めてこの現象を分離したが、ゲーテは、より広い開口部ではスペクトルではなく、間に白がある赤みがかった黄色と青みがかったシアンのエッジが生成されることに気づいた。スペクトルは、これらのエッジが重なり合うほど近い場合にのみ現れる。

19世紀初頭、ウィリアム・ハーシェル（赤外線）やヨハン・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範囲外の光が発見され、特徴づけられるにつれて、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た人物です。^[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、目は 3 つの異なる受容体を使って色を認識するという正しい提唱でした。

可視スペクトルは、網膜に到達して視覚光変換を引き起こす（視覚オプシンを刺激する）ことができる波長に限定されています。紫外線に対する無感応性は、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応性は、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、1 つは錐体細胞によって媒介される日光下で使用される明所視用、もう 1 つは桿体細胞によって媒介される薄暗い光下で使用される暗所視用です。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。

ほとんどの動物の可視範囲は、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（315 nm以下）を吸収します。 ^{[19]しかし、これは宇宙光（例：}太陽光）にのみ影響し、地上光（例：生物発光）には影響しません。

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]水晶体も加齢とともに黄色くなり、スペクトルの青色部分の透過が最も強く減衰します。^[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発生する可能性があります。無水晶体症の人は水晶体がないため、UVA光が網膜に到達して視覚オプシンを刺激します。これにより可視範囲が拡大し、青視を引き起こす可能性もあります。

各オプシンには分光感度関数があり、各波長の光子を吸収する可能性を定義します。視感度関数は、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が大きくずれると、プロタノマリーと呼ばれる色覚異常の一種になり、L-オプシンが欠損すると (プロタノピア)、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。

実際の物理的および生物学的変動に関係なく、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、いくつかの業界では実用的な限界を懸念しているため、控えめに 420～680 nm と報告しますが、^{[21] [22]他の業界では}心理測定学を懸念し、最も広いスペクトルを達成するために 380～750、または 380～800 nm と寛大に報告する場合があります。^{[23] [24]} NIRの発光効率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。したがって、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です。^[25]

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ため、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310～313 nm程度の紫外線波長を感知する可能性があるが^{[26] [27] [28]}、380 nm以下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、眼媒体の蛍光によるものである可能性がある。UVA光は眼媒体（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可能性がある。例えば、水晶体が350 nmの光を吸収すると、蛍光発光スペクトルは440 nmを中心とする。^[29]

明所視と暗所視のシステムに加えて、人間には一次視覚系に寄与しない光を検出する他のシステムがあります。例えば、メラノプシンは420～540 nmの吸収範囲を持ち、概日リズムやその他の反射プロセスを制御します。^{[30]メラノプシン系は画像を形成しないため、厳密には}視覚とは見なされず、可視範囲には寄与しません。

可視スペクトルは人間に見えるスペクトルとして定義されますが、種間の差異は大きいです。錐体オプシンのスペクトルをシフトして可視範囲を変更できるだけでなく、 4 つの錐体 (四色型) または 2 つの錐体 (二色型) を持つ脊椎動物は、人間の 3 つの錐体 (三色型) に対して、それぞれ人間よりも広いまたは狭い可視スペクトルを持つ傾向があります。

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)。

動物の視覚システムを行動的にテストすることは難しいため、動物の可視範囲は通常、オプシンのピーク波長を典型的な人間のオプシンのピーク波長（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。

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（人間を含む）は、三色視を取り戻すために、それ以来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340 nm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、紫外線視覚の利点と比較してこの不利な点は最小限に抑えられる可能性があります。^[31]イヌは429 nmと555 nmの2つの錐体オプシンを持っているため、二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428 nmと539 nmの2つの錐体オプシンを持っているため、わずかに切り詰められた赤色視覚が得られます。^[33]

他のほとんどの脊椎動物（鳥類、トカゲ、魚類など）は、ヒトのVSオプシンよりも紫外線にまで広がるUVSオプシンを含め、4色型色覚を維持している。 ^[19]鳥類のUVSオプシンの感度は355～425 nm、LWSオプシンは560～570 nmと大きく異なる。^[34]これは、一部の鳥類は人間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だけで、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、紫外線範囲でのみ見える羽毛の性別に依存する模様である。 ^{[35] [36]}

硬骨魚類（硬骨魚類）は一般的に四色性である。魚のUVSオプシンの感度は347～383 nm、LWSオプシンの感度は500～570 nmである。^{[37]しかし、代替の}色素を使用する魚の中には、LWSオプシンの感度を625 nmまで拡張できるものもある。^[37]金魚は赤外線と紫外線の両方を見ることができる唯一の動物であるという一般的な考え^[38]は誤りである。なぜなら、金魚は赤外線を見ることができないからである。^[39]

無脊椎動物の視覚系は脊椎動物とは大きく異なるため、直接比較するのは難しい。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る。^[40] ミツバチや他の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つ。昆虫による受粉に依存する植物種は、人間の目に色鮮やかに見えるのではなく、紫外線下での見た目によって繁殖が成功している可能性がある。ミツバチの長波長限界は約 590 nm である。^[41] カマキリエビは最大 14 個のオプシンを発現し、300 nm 未満から 700 nm を超える範囲の可視範囲を可能にする。^[19]

ヘビの中には、波長5～30μm の放射熱を「見る」ことができる種もいる[ ^{42]。盲目の}ガラガラヘビでも、攻撃する獲物の弱い部位を狙うことができるほどの精度で^[43]、この器官を持つ他のヘビは1メートル離れたところから温かい体を感知できる。^{[44]また、}体温調節や捕食者の検出にも使われる。 ^{[45] [46]}

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ものです。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。天体中の化学元素や小分子は、輝線と吸収線を観察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観測者から離れ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。

Wikisource にはこの記事に関連する原文があります:

インディゴ色の定義

ウィキメディア・コモンズには、可視スペクトルに関連するメディアがあります。

• 高エネルギー可視光
• 宇宙線の視覚現象
• 水による電磁波吸収
• 二光子吸収- 可視スペクトルの外側を見る方法