・黒体

ICS_光_色温度_黒体放射_1_原理_new黒体(black bodyあるいは完全放射体とは、外部から入射する電磁波を、あらゆる波長にわたって完全に吸収し、また熱放射できる物体のことをいう。

物体の色というのは、その物体が反射する可視光線の波長に由来する。通常、光源となる可視光にはさまざまな波長の光が混ざっており、物体は光源の可視光から特定の波長の可視光を吸収し、吸収された以外の波長がまざりあったまま反射し、これを人間は視覚によってその物体の色として認識している。物体が可視光を全反射すれば白く見え、可視光を全吸収すれば黒く見えることになる。さらに、光源自体も、すべての波長の可視光を放射する光源は「白」く見え、可視光を全く放射しない光源(もはや「光源」とは呼べないが)は「黒」く見えることになる。

実際の光は可視光以外の波長も含んでおり、また光は電磁波であることがわかっている。全ての波長にわたって電磁波を全く反射をしない物体を黒体と呼ぶ。ただし通常は光源であっても他の光源からの反射を含んでおり、光を発してないように見える光源も赤外線や電波などの電磁波を放射や反射により発している。全く反射や放射のない物体は存在しない。したがって完全な意味での黒体(完全黒体)は、理想気体や剛体のように現実には存在しない理論的なものである。ブラックホールなど近似的にそうみなせる物質、物体はある。現在、工業的に作り出された最も黒体に近い物質は、99.96 % の光(電磁波)を吸収するベンタブラックである。

ICS_光_色温度_黒体放射_スペクトル_3_2_new物体からの放射(反射を含まない)には、物体の相(固体・液体・気体)にかかわらず温度によって色が変わることが経験的に知られていた。この色も、さまざまな電磁波の波長の光が混ざっていることは変わりない。この色の変化は、波長ごとのの強度分布の変化であることがスペクトルの分析によりわかっており、また分布の仕方は温度によって一定であることも知られている。温度が高い、すなわち「熱い」とは、物体から放射される電磁波のスペクトル分布が短い波長を多く含んでいることであり、これは温度を持った物体に触れることなく空間を電磁波の放射によりエネルギーが伝わっていると解釈される。これを物体からの熱放射という。特に、黒体からの熱放射を黒体放射と言う(以前は黒体輻射ともいった)。この理想的な物体を考察することで、反射を考えず、物体からの放射だけを考えることができる。

ICS_光_色温度_黒体放射_スペクトル_4_revある温度の黒体から放射される電磁波のスペクトルは一定である。温度 T において、波長 λ の電磁波の黒体放射強度 B (λ) は、

ICS_光_色温度_黒体放射_スペクトル_04_rev



で表される。これをプランク分布という。プランク分布を全波長領域で積分することで、黒体放射の全エネルギーが T4 に比例する(E = σT4,σ:シュテファン=ボルツマン定数)というシュテファン=ボルツマンの法則を得る。また微分して B (λ) が極大となる λ を求めることで、放射強度最大の波長が T 反比例するというウィーンの変位則を得る。

・色温度

 色温度(color temperatureとは、ある光源が発している光の色を定量的な数値で表現する尺度(単位)である。単位には熱力学的温度の K(ケルビン) を用いる。

-概要

色温度は、表現しようとする光の色をある温度(高熱)の黒体から放射される光の色と対応させ、その時の黒体の温度をもって色温度とするものである。

どのような物質も、高熱を加えると、その温度によってさまざまな波長の光を放射するようになる。その色合いは、物質ごと、温度ごとに微妙に異なる。たとえば鉄の釘など金属をガスの炎で加熱すると光を発するようになる(実際には温度を持っていればオレンジ色よりも波長が長い赤外線、遠赤外線などをわずかに発している)。最初はオレンジ色であり、だんだん白く輝くようになる。

-色温度の単位

理想的な黒体を想定すると、ある温度において黒体が放射する光の波長の分布を導き出すことができる。温度が低い時は暗いオレンジ色であり、温度が高くなるにつれて黄色みを帯びた白になり、さらに高くなると青みがかった白に近くなる。このように、白という色を黒体の温度で表現することができ、この温度を色温度と呼ぶ。

ICS_光_色温度_黒体放射_スペクトル_4b_new
(このカラーチャートは概略図であり、特に物体を特定して色温度を計算したものではない。理論式については プランクの法則 を参照のこと。)

朝日や夕日の色温度はおおむね 2000 K であり、普通の太陽光線は 5000 - 6000 K である。澄み切った高原の空の正午の太陽の光はおおよそ 6500 K といわれる。これらは、一般に考えられている白よりかなり黄色っぽい。実際に物体を照らす光には天空光(直射日光以外の光)の青色がかなり色みに影響しており、6500 K よりも高い色温度では「白」く感じられる)。

ICS_光_色温度_黒体放射_軌跡_01_new
・色の再現性

写真やテレビ、パソコンのモニタ(ディスプレイ)などでは、色温度は色の正確な再現のために重要である。

ICS_光_色温度_電球_蛍光灯_1_new写真では、スタジオ撮影のライト(写真・映画用タングステンランプ)が 3200 K、太陽光線が 5500 K と想定されており、フィルム(長露光用のタングステンタイプと短露光用のデイライトタイプ)はこの色温度の照明下で最適な色再現ができるよう作られている。

色彩工学では「標準の光D65」が現在の事実上の標準であり、これは色温度 6500 K である。アメリカのカラーテレビ(NTSC)では色温度基準は 6500 K で、日本のテレビ (NTSC-J) の色温度基準は 9300 K であり、かなり青みがかっている。

パソコンのモニタは 9300 K が主流だが、極端な廉価品を除き、6500 KsRGBモード)と5000 K に変更できるため、グラフィックデザインや映像制作などの都合で適切な色温度を選べる。また、鋭く青白い 9300 K の設定から温和な 6500 K 5000 K に変えることで作業者の疲労感(ストレス)が和らぎ、色彩についての正確さが厳しく要求されない場面でもこの機能は有用である。また、ソフトウェアでもパソコンの色温度が調整できる。

・色温度と視覚

ICS_光_色温度_標準光源_rev人間の視覚における色の認識と色温度とは比例関係にない。そのため、人の感じ方により近い表現として、色温度の逆数である逆色温度を使う方法がある。逆色温度はケルビンでの値の逆数の K−1(毎ケルビン)ではなく、それを100万倍したミレッド (M) またはメガ毎ケルビン (MK−1) を使う(呼び名は違うが大きさは同じ単位である)。

屋内照明として広く利用されている蛍光灯は主に「電球色」「温白色」「白色」「昼白色」「昼光色」に分類されており、順に約3000 K3500 K4200 K5000 K6500 Kである。これらは、それぞれ 333 MK−1286 MK−1238 MK−1200 MK−1154 MK−1 となり、全て差が 40–50 MK−1 前後になり、色の変化が一定に感じられる。色温度が高い側の間隔が広く、その中間の色温度の蛍光灯があまりないのはこのためである。前記のうち、現在は「電球色」「昼白色」「昼光色」が一般に販売されており、LED照明もこれに準じている。