光とカラー
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初めに
グラフィックとカラー
「カラー」はコンピュータグラフィックで最も重要な要素の一つです。
最も重要な要素は「オブジェクト」かも知れませんが、オブジェクトもカラーが設定されていなければプリントアウトすることが出来ません。
いや、オブジェクトを見ることも、それが有ることさえも分からない場合が有り得ます。
このことはコンピュータグラフィックに限りません。
そもそもわれわれが「モノを見る」と言うことは、その「形をしたカラー」を見ている訳で、 全くカラーの無い無色透明のものは見ることが出来ません。
空想物語の「透明人間」の話は、透明のモノは見えない、と言うことを明らかな前提としています。
光とカラー
カラーの前提は光です。
光の全く無いところではカラーも、従ってモノも見えません。
加法混色・減法混色の仕組みなど、カラー全般に渡って光が基礎になっています。
カラーと視覚系
カラーを認識する為には当然のことですが、人間の視機能に依存します。
眼の光学的な特性、或いは脳による演算など。 こちらもカラーを理解する上で必要となる問題かも知れません。
視覚現象の三要素
このように「ものを見る」為には、
- 光源
- 光によって照らされた物体
- それを見る目
の3つの要素が不可欠です。 この3つを「視覚現象の三要素」と言います
サイト構成
光・電磁波関連情報
ここでも先ず最初に「光」について、特にカラーの理解に繋がるだろうと思われる部分を中心に、述べて見ようと思います。
しかし「光」は物理現象の、従ってモノの成り立ちのコア概念です。「光とカラー」の周辺情報として、管理人の覚書程度のページを別途設けました。殆どあてにならない雑文ですが、興味の有る方はご覧下さい。
眼の常識・非常識
「眼の常識・非常識」と言うページを設けています。視覚系に関連する情報として、こちらも参照して下さい。
■ 光と電磁波
最初に「カラー」の基礎となる、光、電磁波、そしてスペクトルについて見てゆきましょう。
■ 電磁波
電磁波と可視光線
われわれが通常「光」と呼んでいる可視光線は、電磁波の一種です。一種と言うより、周波数・波長の違いによって性格の異なる電磁波の、ある領域を差す概念です。
電磁波を一言で説明すると、「電気と磁気が相互に作用して発生するエネルギーの波」と言うことになります。つまり光とはエネルギーそのものです。
電磁波は周波数が低い（従って波長が長い）方から順に、電波、赤外線、可視光線、紫外線、エックス線、ガンマ線に分類されます。つまりこれらは皆、モノは同じだと言えます。周波数・波長の違いだけですが、しかしその違いによってそれぞれの電磁波の性格は全く異なります。
その幅広い周波数帯の、ホンの僅かな帯域、およそ760ナノメータから380ナノメータの波長域に対し、人間の眼は感受性を示します。つまり可視光線として認識します。
※周波数と波長の関係
「電磁波（光）」の中身に入る前に、周波数と波長の関係について、復習も兼ねてふれて置きます。
なお周波数とエネルギーの関係には、電磁波（光）特有の事情も有ります。
周波数
1秒間における波の数を「周波数」と言います。
波長と周波数は逆比例します。
電磁波の周波数は、その電磁波のエネルギーに比例します。
波長
1サイクルの波の長さを「波長」と言います。
振幅
波の高さを「振幅」と言います。
振幅は電磁波の強さに比例します。光で言えばその明るさに比例します。
周波数が高いほど、エネルギーが高くなり、振幅が大きいほど電磁波（光）が強くなります。
（下記参照）
紫外線は周波数が高く、仮に曇って弱い紫外線でも日焼けを起こすが、周波数の低い赤外線は幾ら強くても日焼けを起こすことは無い（ただし火傷を起こすことはある）。
※振幅・周波数とエネルギー
振幅の大きさ（光の強さ）が、エネルギーの高さに繋がらない、と言うことは非常に奇異な話です。
例えば水の波で言えば、振幅（波の高さ）が高い程、津波のエネルギー・破壊力が高いことは普通に理解できることです。 しかし「光」については事情が異なります。
これは光が電磁波として「波」の性質を持つと共に「光子」として粒子の性質も持っていることによります。
その辺の事情を定式化したのが、アインシュタインの「光量子説」理論です。アインシュタインがノーベル賞を受賞したのは「相対性理論」に対してではなく、この「光量子説」に対してです。
可視光線とスペクトル、カラー
可視光線の中も又連続的に周波数は変化していて、その周波数の違いは「色相の違い」として現れます。
可視光線（光）で最も重要で基本的なものは太陽光線ですが、自然界では通常、周波数の違う波は交じり合っていて、白色光（無色）として感じられます。
周波数の違いは、光の屈折率の違いとして現れますから、混合色としての白色光をプリズムに通すと、周波数の違いによって分光され、単色光の連続的な帯が現れます。これをスペクトルと言います。
スペクトルの理解はカラー理解の基礎です。
周波数の違いによる電磁波の種類と、可視光線のスペクトルを図示しておきます。
※ 下のスペクトル図は、説明のため便宜的に描いたもので、正確な色では有りません。モニタの状況によっても変わってきます 。 この事情は以下の全ての図において、同じです。
電磁波のほんの僅かな領域が可視光線として人間の眼に認識される（左図）。 太陽光は様々な波長の光を含むが、それらは混合されて、白色（透明）に感じられる。 混合光である白色太陽光をプリズムに通すと、屈折力の違いにより波長ごとに異なる単色光に分離する。これを分光と言う（上図）。 分光されて波長ごとに分離された単色光の並びをスペクトルと言う。 |
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■ スペクトルとカラー
■ スペクトルの再混合
白色光はプリズムによって、スペクトル成分に分解されます（分光）。
分解されたスペクトルをレンズで再度収束すると、混合されて白色光の焦点スポットになります（右図）。
■ 単色光
単一の波長のみを含有している光を単色光（モノクローム）と言います。
単色光はこれ以上分光できない色光の最小単位です。 単色光を日常的に見ることは有りません。
スペクトルに分解された光は、その波長成分ごとに取り扱いが可能となります。
特定の波長域だけを選択的に取得した場合、その波長に応じた単色光が得られます。
単色光をさらに次のプリズムに通しても、それ以上には分離されない。つまり単色光は分光することはできない。
■線スペクトル
元々全ての光線が太陽光のように、最初から連続的で虹色のスペクトルになる訳では有りません。
高速道路のトンネル照明に使われているナトリューム電球の光をプリズムに通しても黄色一色の線形のスペクトルしか出て来ません。これはナトリウム光が単一の波長しか含んでいない為です。つまりナトリウム光は単色光です。
このようなスペクトルを線スペクトルと言います。
水銀灯のスペクトルは複数の線スペクトルになります。
線 スペクトルは、その原子の振る舞いに起源を持っており、、その元素特有のスペクトルが現れます。宇宙からの電磁波のスペクトルを調べることで、発生源の物質を特定することが出来ます。
■ 単色光の再混合
スペクトルの再混合によって、白色光が得られることは上記で見ましたが、適切に選択された単色光の組み合わせによっても、白色光が得られます。
例えば、短波長435nm（青）、中波長546nm（緑）、長波長700nm（赤） の単色光を混合しても白が生じます。
この三色光の強度をそれぞれに変化させることによって、白だけでなく全てのカラーを作ることが出来ます。
これが後述する「加法混色」の基礎です。
スペクトルとニュートン
光がスペクトルに分離するのは、波長によって屈折力が違う為ですが、 この現象をプリズムを使って始めて実証したのは、イギリスの偉大な科学者ニュートンです（1668年）。
又スペクトルと言う学術用語を始めて使ったのもニュートンです。
スペクトルと７色
スペクトルが７色である、と最初に言ったのもニュートンだそうです。その影響も有ってか、虹も７色と言うことになっています。
しかし、これには科学的な根拠は有りません。 人間にとって何色に見えるか、或いは何色に見たいか、と言う意味合いから決まったことでしょう。
ラッキーセブン等と言って、ヨーロッパでは 7 は特別な数のようです。
音階が7度で循環していることからも来ているのでしょう。カラーも「赤」「橙」「黄」「緑」「青」「藍」「紫」と経過して、又赤に戻り、循環します。
国や民族によって、6色或いは2色としているケースも有るそうです。