Видимый спектр электромагнитного излучения

Введение

Часть электромагнитного спектра, видимая человеческому глазу.

Видимый спектр – это полоса электромагнитного спектра, воспринимаемая человеческим глазом. Электромагнитное излучение в этом диапазоне длин волн называется видимым светом (или просто светом). Оптический спектр иногда рассматривается как тождественный видимому спектру, но некоторые авторы определяют этот термин шире, включая ультрафиолетовую и инфракрасную части электромагнитного спектра, известные в совокупности как оптическое излучение. Типичный человеческий глаз реагирует на длины волн примерно от 380 до 750 нанометров. В частотном диапазоне это соответствует полосе около 400–790 терагерц. Эти границы не являются чёткими и могут варьироваться у разных людей. При оптимальных условиях пределы человеческого восприятия могут расширяться до 310 нм (ультрафиолета) и 1100 нм (ближнего инфракрасного излучения). Спектр не содержит всех цветов, которые способна различать человеческая зрительная система. Ненасыщенные цвета, такие как розовый, или пурпурные оттенки, например, маджента, отсутствуют, поскольку 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 в значительной степени беспрепятственно проходят через атмосферу Земли через область "оптического окна" электромагнитного спектра. Примером этого явления является то, что чистый воздух рассеивает синий свет сильнее, чем красный, поэтому полуденное небо кажется синим (за исключением области вокруг Солнца, которая выглядит белой, поскольку свет рассеивается в меньшей степени). Оптическое окно также называют "видимым окном", поскольку оно перекрывается с диапазоном видимого восприятия человеческим глазом. Окно ближнего инфракрасного излучения (NIR) находится за пределами человеческого зрения, как и окно инфракрасного излучения средней длины волны (MWIR) и окно дальнего инфракрасного излучения (LWIR или FIR), хотя другие животные могут воспринимать их.

Спектровые цвета

Цвета, которые могут быть получены видимым светом узкой полосы длин волн (монохроматический свет), называются чистыми спектральными цветами. Различные цветовые диапазоны, показанные на иллюстрации, являются лишь приближением: спектр непрерывен и не имеет четких границ между отдельными цветами.

История

В 13 веке Роджер Бэкон предположил, что радуга создается аналогичным процессом, как прохождение света через стекло или кристалл. В XVII веке Исаак Ньютон обнаружил, что призма может разлагать и собирать белый свет, и описал это явление в своей книге "Оптика". Он первым использовал слово "спектр" (лат. spectrum – "вид" или "явление") в этом смысле в печати в 1671 году, описывая свои эксперименты в области оптики. Ньютон заметил, что когда узкий луч солнечного света падает на поверхность стеклянной призмы под углом, часть луча отражается, а часть проходит внутрь стекла и сквозь него, выходя в виде различных цветных полос. Ньютон предположил, что свет состоит из "корпускул" (частиц) разных цветов, причем разные цвета света движутся с разной скоростью в прозрачной среде, красный свет движется быстрее, чем фиолетовый в стекле. В результате красный свет, проходя сквозь призму, преломляется менее резко, чем фиолетовый, создавая спектр цветов. Ньютон первоначально разделил спектр на шесть названий: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый. Позже он добавил индиго в качестве седьмого цвета, поскольку считал, что семь – это совершенное число, как это выводили древнегреческие софисты, полагая, что существует связь между цветами, музыкальными нотами, известными объектами в Солнечной системе и днями недели. Человеческий глаз относительно нечувствителен к частотам индиго, и некоторые люди с нормальным зрением не могут отличить индиго от синего и фиолетового. По этой причине некоторые поздние комментаторы, в том числе Исаак Азимов, предположили, что индиго не следует рассматривать как самостоятельный цвет, а лишь как оттенок синего или фиолетового. Существуют свидетельства, что понимание "индиго" и "голубого" у Ньютона не соответствовало современным значениям этих слов. Сравнение наблюдений Ньютона за цветами, полученными с помощью призмы, с цветовым изображением видимого спектра света показывает, что "индиго" соответствует тому, что сегодня называется синим, в то время как его "голубой" соответствует циан. В 18 веке Иоганн Вольфганг фон Гёте писал об оптических спектрах в своей "Теории цветов". Гёте использовал слово "спектр" (Spektrum) для обозначения призрачного оптического послеобразия, как и Шопенгауэр в "О зрении и цветах". Гёте утверждал, что непрерывный спектр – это сложное явление. Там, где Ньютон сужал луч света, чтобы изолировать явление, Гёте заметил, что более широкая апертура производит не спектр, а красновато-желтые и сине-циановые края с белым между ними. Спектр появляется только тогда, когда эти края достаточно близки, чтобы перекрываться. В начале 19 века понятие видимого спектра стало более определенным, поскольку свет за пределами видимого диапазона был обнаружен и охарактеризован Уильямом Гершелем (инфракрасный) и Иоганном Вильгельмом Риттером (ультрафиолетовый), Томасом Янгом, Томасом Иоганном Зеебеком и другими. Янг был первым, кто измерил длины волн различных цветов света 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 утверждала, что глаз использует три различных рецептора для восприятия цвета.

In the 13th century, Roger Bacon theorized that rainbows were produced by a similar process to the passage of light through glass or crystal. In the 17th century, Isaac Newton discovered that prisms could disassemble and reassemble white light, and described the phenomenon in his book Opticks. He was the first to use the word spectrum (Latin for "appearance" or "apparition") in this sense in print in 1671 in describing his experiments in optics. Newton observed that, when a narrow beam of sunlight strikes the face of a glass prism at an angle, some is reflected and some of the beam passes into and through the glass, emerging as different colored bands. Newton hypothesized light to be made up of "corpuscles" (particles) of different colors, with the different colors of light moving at different speeds in transparent matter, red light moving more quickly than violet in glass. The result is that red light is bent (refracted) less sharply than violet as it passes through the prism, creating a spectrum of colors. Newton originally divided the spectrum into six named colors: red, orange, yellow, green, blue, and violet. He later added indigo as the seventh color since he believed that seven was a perfect number as derived from the ancient Greek sophists, of there being a connection between the colors, the musical notes, the known objects in the Solar System, and the days of the week. The human eye is relatively insensitive to indigo's frequencies, and some people who have otherwise good vision cannot distinguish indigo from blue and violet. For this reason, some later commentators, including Isaac Asimov, have suggested that indigo should not be regarded as a color in its own right but merely as a shade of blue or violet. Evidence indicates that what Newton meant by "indigo" and "blue" does not correspond to the modern meanings of those color words. Comparing Newton's observation of prismatic colors with a color image of the visible light spectrum shows that "indigo" corresponds to what is today called blue, whereas his "blue" corresponds to cyan. In the 18th century, Johann Wolfgang von Goethe wrote about optical spectra in his Theory of Colours. Goethe used the word spectrum (Spektrum) to designate a ghostly optical afterimage, as did Schopenhauer in On Vision and Colors. Goethe argued that the continuous spectrum was a compound phenomenon. Where Newton narrowed the beam of light to isolate the phenomenon, Goethe observed that a wider aperture produces not a spectrum but rather reddish yellow and blue cyan edges with white between them. The spectrum appears only when these edges are close enough to overlap. In the early 19th century, the concept of the visible spectrum became more definite, as light outside the visible range was discovered and characterized by William Herschel (infrared) and Johann Wilhelm Ritter (ultraviolet), Thomas Young, Thomas Johann Seebeck, and others. Young was the first to measure the wavelengths of different colors of light, in 1802. The connection between the visible spectrum and color vision was explored by Thomas Young and Hermann von Helmholtz in the early 19th century. Their theory of color vision correctly proposed that the eye uses three distinct receptors to perceive color.

Границы видимого диапазона

Видимый спектр ограничен длинами волн, которые способны достигать сетчатки и запускать визуальную фототрансдукцию (возбуждать зрительный опсин). Нечувствительность к ультрафиолетовому свету обычно обусловлена его прохождением через хрусталик. Нечувствительность к инфракрасному свету ограничена спектральными характеристиками чувствительности зрительных опсинов. Диапазон определяется психометрически функцией световой эффективности, которая учитывает все эти факторы. У человека существуют отдельные функции для каждой из двух зрительных систем: одна для фотопического зрения, используемого при дневном свете и опосредованного колбочками, и одна для скотопического зрения, используемого при слабом освещении и опосредованного палочками. Каждая из этих функций имеет свой собственный видимый диапазон. Однако, обсуждение видимого диапазона обычно относится к фотопическому зрению.

Атмосферная передача

Видимый диапазон у большинства животных эволюционировал, чтобы соответствовать оптическому окну – диапазону света, способного проникать сквозь атмосферу. Озоновый слой поглощает почти весь ультрафиолетовый свет (с длиной волны менее 315 нм). Однако это относится только к космическому свету (например, солнечному), но не к земному свету (например, биолюминесценции).

Глазная передача

Чтобы достичь сетчатки, свет должен сначала пройти через роговицу и хрусталик. UVB-излучение (< 315 нм) в основном фильтруется роговицей, а UVA-излучение (315–400 нм) – хрусталиком. С возрастом хрусталик также желтеет, ослабляя прохождение света сильнее всего в синей части спектра. В то время как некоторые могут быть озабочены психометрией и достижением максимально широкого спектра, они могут указывать диапазон 380–750, или даже 380–800 нм. Функция световой эффективности в ближней инфракрасной области (NIR) не имеет резкого обрыва, а скорее экспоненциально убывает, так что значение функции (или чувствительность зрения) при 1050 нм примерно в 109 раз ниже, чем при 700 нм; следовательно, для восприятия света с длиной волны 1050 нм требуется гораздо большая интенсивность, чем для света с длиной волны 700 нм.

Видение за пределами видимого спектра

В идеальных лабораторных условиях испытуемые могут воспринимать инфракрасный свет до 1064 нм. Однако обнаружение света ниже 380 нм может быть обусловлено флуоресценцией сред глаза, а не прямым поглощением УФ-излучения опсинами. Поскольку УФА-излучение поглощается средами глаза (хрусталиком и роговицей), оно может флуоресцировать и излучаться с более низкой энергией (большей длиной волны), которое затем может быть поглощено опсинами. Например, при поглощении хрусталиком света 350 нм, спектр флуоресценции имеет максимум на 440 нм.

Невизуальное светоотслеживание

Помимо фотопической и скотопической систем, у человека существуют и другие системы для обнаружения света, которые не участвуют в формировании основного зрительного восприятия. Например, меланопсин поглощает свет в диапазоне 420–540 нм и регулирует циркадные ритмы и другие рефлекторные процессы. Поскольку меланопсиновая система не формирует изображения, её строго говоря нельзя считать зрением, и она не вносит вклад в видимый спектр.

У нелюдей

Видимый спектр определяется как спектр, воспринимаемый человеческим глазом, но различия между видами значительны. Конусовые опсины могут не только спектрально смещаться, изменяя видимый диапазон, но позвоночные с 4 конусами (тетрахроматические) или 2 конусами (дихроматические), в отличие от 3 конусов (трихроматических) у человека, как правило, имеют более широкий или более узкий видимый спектр, соответственно. У позвоночных обычно имеется до 4 различных классов опсинов: у собак есть два конусовых опсина с пиками чувствительности 429 нм и 555 нм, поэтому они воспринимают почти весь видимый спектр человека, несмотря на дихроматическое зрение. У лошадей два конусовых опсина с пиками чувствительности 428 нм и 539 нм, что приводит к несколько ограниченному восприятию красного цвета.

Птицы

Большинство других позвоночных (птицы, ящерицы, рыбы и т. д.) сохранили тетрахроматическое зрение, включая UVS-опсины, которые простираются в ультрафиолетовый диапазон дальше, чем VS-опсин человека. Это означает, что у некоторых птиц видимый спектр сопоставим с человеческим, а у других – значительно расширенная чувствительность к ультрафиолетовому излучению. Пиковая длина волны LWS-опсина птиц иногда указывается выше 600 нм, однако это эффективная пиковая длина волны, учитывающая фильтрующий эффект птичьих масляных капель.

Рыба

Телеосты (костные рыбы) обычно тетрахроматичны. Чувствительность UVS-опсинов рыб варьируется от 347 до 383 нм, а LWS-опсинов – от 500 до 570 нм. Однако некоторые рыбы, использующие альтернативные хромофоры, могут расширить чувствительность своих LWS-опсинов до 625 нм. Утверждение о том, что это возможно, неверно, поскольку золотые рыбки не видят инфракрасный свет.

Беспозвоночные

Система зрения беспозвоночных значительно отличается от системы позвоночных, поэтому проводить прямые сравнения сложно. Однако чувствительность к УФ-излучению была зарегистрирована у большинства видов насекомых. Пчелы и многие другие насекомые способны воспринимать ультрафиолетовый свет, что помогает им находить нектар в цветах. Растения, зависящие от опыления насекомыми, могут быть обязаны своим репродуктивным успехом тому, как они выглядят в ультрафиолетовом свете, а не тому, насколько красочными они кажутся человеку. Длинноволновой предел восприятия пчел составляет около 590 нм. У креветок-богомолов обнаружено до 14 опсинов, обеспечивающих восприятие в диапазоне от менее 300 до более 700 нм. Они способны воспринимать тепловое излучение на длинах волн от 5 до 30 мкм с такой точностью, что слепая гремучая змея может нацеливаться на уязвимые части тела добычи, а другие змеи, обладающие этим органом, могут обнаруживать теплые тела с расстояния метра. Это также может использоваться для терморегуляции и обнаружения хищников.

Спектроскопия

Спектроскопия – это изучение объектов на основе спектра цветов, которые они излучают, поглощают или отражают. Спектроскопия видимого света является важным инструментом в астрономии (как и спектроскопия в других диапазонах длин волн), где ученые используют ее для анализа свойств удаленных объектов. Химические элементы и небольшие молекулы могут быть обнаружены в астрономических объектах путем наблюдения линий излучения и линий поглощения. Например, гелий был впервые обнаружен при анализе спектра Солнца. Изменение частоты спектральных линий используется для измерения эффекта Доплера (красного или синего смещения) удаленных объектов, чтобы определить их скорости сближения или удаления от наблюдателя. Астрономическая спектроскопия использует дифракционные решетки с высокой дисперсией для наблюдения спектров с очень высоким спектральным разрешением.