A spektrum és a színek

Az elektromágneses sugárzás egy fölöttébb keskeny tartománya vagy annak részei fizikai ingerként érkeznek a szemünkbe, ahol az ott lévő színérzékelő fotoreceptorokat ingerlik. Ez utóbbiakról korábban már írtunk, most csak azt a közismert tényt említjük meg, hogy háromféle van belőlük (csapok). Beszéljünk most az elektromágneses sugárzásról!

Az ún. elektromágneses kölcsönhatás a természet négy alapvető kölcsönhatásának egyike, amely az elektromosan töltött elemi részecskék viselkedéséből eredeztethető. Elektromágneses sugárzás (elektromágneses hullám) pedig a töltött részecskék energiaállapotának változásakor keletkezik. Hullámhossz-tartománya a sok tízezer kilométeres AC hullámoktól a kb. pikométer (tíz a mínusz tizenkettediken méter) hullámhosszúságú gammasugárzásig terjed (ez kb. 20 nagyságrendnek felel meg), de elméletileg végtelen nagy.

A látható sugárzás spektruma

Ebből a tartományból történetesen még egy nagyságrendnél (dekád) is jóval kisebb az a tartomány, amelyet mi, emberi lények képesek vagyunk a látásunkkal érzékelni. Valójában kb. egy „oktávnyi”: a legnagyobb érzékelhető érték kb. kétszerese a legkisebbnek. Amit érzékelünk, azt fénynek és/vagy színnek nevezzük. Amikor fényről beszélünk, akkor gyakran csak a sugárzás intenzitására, illetve ennek érzékelésére (világosság) gondolunk, tekintet nélkül a színjellemzőkre. A fény és színek természetesen elválaszthatatlanok egymástól, végső soron minden fény „színes” (a fehér is). A továbbiakban spektrumon a látható elektromágneses sugárzás energiaeloszlását értjük a hullámhossz (vagy a frekvencia) függvényében*.

*A fizikusok szótárában a látható elektromágneses sugárzás és a fény gyakran ugyanazt jelenti, ezért előfordulhat, hogy megbocsátható módon mi is felváltva fogjuk használni a két fogalmat, noha az elektromágneses sugárzás a kiváltó fizikai inger, a fény pedig az általa kiváltott érzet (észlelet, érzéklet).

A fény- és színérzetet kiváltó fizikai hatás a min. 360 nanométer és max. 830 nanométer közötti elektromágneses sugárzás vagy annak egy része, illetve összetevőinek keverékei. A gyakorlati számításokhoz elegendő a 380 és 720 nanométer közötti tartomány, de gyakran megelégszünk a 400-700 nanométeres tartomány vizsgálatával is. A színek ezen az ábrán rendre egy-egy adott hullámhosszúságú sugárzás által kiváltott színérzetek folytonos sokaságát szemléltetik, a sugárzásnak önmagában nincs színe. Ha az ultraibolya és infravörös tartományt is beleszámítjuk, akkor beszélünk a kb. 10 nanométertől 100 mikrométerig terjedő, négy nagyságrendet átfogó optikai sugárzási tartományról

A spectrum latin szó eredeti jelentése kísértet, látomás, szellem. Newton ezt a szót használta a fehér fény (napfény) prizmával való felbontásakor kapott színsorozat elnevezésére, mivel valóban „kísértetiesnek” tűnt, hogy a fehér fény ilyen sokféle színből tevődik össze** (lásd a Newton színelmélete c. írásunkat). A fogalom később általánossá vált tetszőleges színinger/fényinger hullámhossz szerinti összetételének (energiaeloszlásának) jellemzésére. Magyar megfelelője a színkép. Nagy általánosságban nemcsak a látható fény, hanem a teljes elektromágneses sugárzási tartomány bármely részének leírására használható a spektrum fogalma.

**Itt megint belefutottunk a kategóriatévesztésbe, mivel az érzettel próbáljuk leírni az inger természetét, pedig önmagában a fényingert/színingert fizikai értelemben csak a hullámhossz (vagy frekvencia) szerinti összetétele jellemzi. Valamilyen színérzethez csakis az egyetlen frekvencián sugárzó forrás esetében rendelhetjük hozzá egyértelműen a spektrális összetételt, ti. az egyetlen spektrumvonalat, de még ekkor is számolnunk kell a színérzet függésével az adott spektrálisan tiszta sugárzás intenzitásától.

A spektrum sajátosságai

A fényforrások spektrumában, de a tárgyakról visszavert vagy általuk áteresztett fény spektrumában is az összetevők száma és aránya végtelenül sokféle lehet, ezen belül beszélhetünk folytonos, sávos vagy vonalas spektrumról. A folytonos spektrum leggyakrabban emlegetett példája az ún. feketetest, illetve a termikus sugárzók spektruma (ehhez nagyon közeli pl. a Nap sugárzási spektruma), a sávos spektrum gyakori az ún. fluoreszcens fényforrásoknál (pl. fénycső), a vonalas spektrum pedig pl. a gerjesztett kisnyomású gázokra vagy a lézerforrásokra jellemző, egy vagy több spektrumvonallal.

A napsugárzás közvetlen, illetve az égbolt által szűrt napfény spektrális eloszlása. Látható, hogy az északi égbolt spektrumában megnő az alacsony hullámhosszak aránya, mivel a napsugárzásnak vastagabb atmoszféra-rétegen kell áthaladnia

Manapság az egy „vonalból” álló – vagy ehhez közeli, nagyon keskeny – spektrum (spektrálisan „tiszta” vagy monokromatikus fényinger) legkézenfekvőbb és legpontosabb előállítási módja a lézerfény gerjesztése. De közel spektrálisan tiszta színinger hozható létre megfelelően megválasztott LED-ekkel, vagy akár fehér fény felbontásával optikai ráccsal vagy prizmával, illetve kisnyomású gerjesztett gázok spektrumvonalainak kiszűrésével.

Vörös, zöld és kék LED keskeny spektruma, továbbá a foszforral konvertált (Phosphor Converted) PC borostyánsárga sokkal szélesebb energiaeloszlása. Az R, G, B LED-ekkel fehér fény hozható létre

A folytonos vagy sávos spektrum különböző hullámhosszúságú összetevők, illetve színingerek végtelen sokasága (kvantummechanikai szinten diszkrét sokaság), amelyek közül azonban látásunk csak véges számú összetevőt tud megkülönböztetni (észlelni). A spektrum jellemzésére leggyakrabban használt fizikai jellemző az ún. spektrális energiaeloszlás vagy teljesítményeloszlás (spectral power distribution – SPD) watt/(négyzetméter x nanométer) egységekben, vagy ennek relatív változata, ahol a legnagyobb energiájú összetevőhöz rendeljük hozzá az 1-es (100-as vagy 100%-os) értéket, mint az az előző ábrákon és a következő ábrán is látható.

A „fehér” fény különböző változataihoz tartozó relatív spektrális energiaeloszlások. Figyelemre méltó, hogy az itt látható, nagyon eltérő spektrális eloszlások (a wolframszálas izzólámpát kivéve, amelynek fénye erősen sárgás színezetű) hasonló fehér színérzetet hoznak létre. Ezen belül „hidegebb” vagy „melegebb” fehér fényről beszélhetünk

Még meggyőzőbb a következő ábra, ahol azt láthatjuk, hogy pontosan ugyanazt a színérzetet sokféle spektrális energiaeloszlású sugárzással létre lehet hozni. Ezeket metamer színingereknek nevezzük:

Néhány példa arra, hogy a jobb oldalon látható bíbor (lila) színérzetet nagyon különböző spektrális eloszlású sugárzások (fényingerek) létrehozhatják

A spektrális energiaeloszlás és a szín

A fentiekből következik, hogy a spektrális energiaeloszlás és a színérzet (valójában redukált színérzet vagy pszichofizikai szín) között nincs kölcsönösen egyértelmű kapcsolat. Adott eloszlás létrehoz egy konkrét színérzetet, de ugyanez a színérzet hasonló külső körülmények mellett kiváltható más (elvben végtelenül sokféle spektrális energiaeloszlású) fizikai ingerrel.

Az „A” és „B” keverékszínek (jobb oldal) vizuálisan megegyeznek, pedig az őket kiváltó spektrális „A” és „B” spektrális eloszlások (bal oldal) igencsak különböznek egymástól. Ezért kell a színméréshez a szemünket érő fizikai ingereket súlyozni a látásunkra jellemző ún. színmegfeleltető függvényekkel (lásd később). A színmegfeleltetés az összehasonlításon alapul a három „alapszín” additív keverékével

Meg kell még említeni, hogy a bíbor (magenta) színek a spektrumban nem találhatók meg, mivel ezek az ún. „extraspektrális” színek keverékszínek, főleg kék és vörös összetevőket tartalmaznak (lásd az utolsó előtti ábránkat). A telített bíbor színek a vörös és kék szélső spektrumszínek keverékei. Ezért nem lehet hozzájuk rendelni valós hullámhossz-értéket, hanem formálisan a kiegészítő vagy komplementer szín negatív előjelű hullámhossz-értékével szokás őket jellemezni. Egy szín kiegészítő színe az, amellyel a szóban forgó színt „összeadva” – additíven keverve – fehéret kapunk. A szemünk által érzékelhető színek teljes tartományát a tiszta spektrumszínek görbéje (spectrum locus) és az ún. bíborvonal határolja. De ezzel kicsit előre szaladtunk, elhagyva a fizika biztonságos területét.

A spektrumról szóló fejtegetésünk záró gondolata lehet az, hogy az érzékelt szín alapján nem tudjuk megmondani, hogy azt milyen spektrális összetételű fény váltotta ki (kivéve a monokromatikus sugárzás esetét, de a szubjektív érzet egyénenként ekkor is eltérő lehet). Ennek oka – mint olvasóink már bizonyára kitalálták – a szemünk fotoreceptorainak sajátosságaiban keresendő, amelyeket egy előző írásunkban már bemutattunk.

Egy szín, pontosabban egy pszichofizikai színinger számszerű meghatározásához, azaz méréséhez a spektrális eloszlást hullámhosszról hullámhosszra szorozni (integrálni) kell a háromféle fotoreceptor érzékenységét tükröző színmegfeleltető függvényekkel. Mivel azonban a receptorok száma és érzékenysége is egyénenként kisebb-nagyobb mértékben különböző, be kell majd vezetnünk az ún. szabványos észlelő (standard observer) fogalmát, ami „átlagolja” az egyéni különbségeket. Ezt részletesen egy külön írásban fogjuk megbeszélni. A pszichofizikai színinger fogalmát szintén tisztázni fogjuk.

colorlove