アンディマンのテクノロジー(援技力)

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2020年01月

光と色の基礎知識 No.22

2.4.1 構造色

光の波長或いはそれ以下の微細構造による干渉や回折、散乱により物体が色付く現象を構造色と呼んでいる。構造色として有名なものに、モルフォチョウ、カモの羽根、宝石のオパールなどがある。

構造色structural color)は、光の波長あるいはそれ以下の微細構造による発色現象を指す。身近な構造色にはコンパクトディスクやシャボン玉などが挙げられる。コンパクトディスクやシャボンには、それ自身には色がついていないが、その微細な構造によって光が干渉するため、色づいて見える。構造色の特徴として、見る角度に応じて、様々な色彩が見られることが挙げられる。色素や顔料による発色と異なり、紫外線などにより脱色することがなく、繊維や自動車の塗装など工業的応用研究が進んでいる。

Fig1_2_4_2



・薄膜による干渉

光の波長程度の薄い膜(薄膜)では、膜の上面で反射する光と下面で反射する光が干渉するため、膜の厚さに対応した波長光が色づいて見える。シャボン玉や油膜に色が付いて見えるのは、このような薄膜干渉(はくまくかんしょう)に起因している。シャボンや油膜の厚さに応じて、様々に色づいて見える。

・多層膜による干渉

薄い膜を何層も重ねたような構造による光の干渉である。膜厚の組み合わせ、各層の枚数の組み合わせによって干渉の仕方が変化し、様々な色彩が現れる。

アワビ等の貝殻の内側は、真珠母と呼ばれる炭酸カルシウムの薄膜が層構造を形成しており、11つの層から反射される光が干渉することで、様々な色合いが見られる。

タマムシ、ハナムグリといった甲虫類に見られる金属光沢に富んだ色彩は、キチン質の層構造によるものである。オオゴマダラといったチョウの蛹も同様に金属光沢のある構造色が見られる。

サンマやイワシといった魚類の体色が銀色なのは、体表にある虹色色素胞中でグアニンの板状結晶(反射小板)と細胞質の積層構造による干渉の効果である。可視光線がほぼ完全に反射されることで、体色が銀色に見える。ルリスズメダイやネオンテトラでは、反射小板と細胞質の膜厚比が大きく異なるため、特定の波長領域の光のみが反射され、鮮やかな色彩がみられる。

・微細な溝・突起などによる干渉

コンパクトディスクやDVDではアルミ薄膜表面に刻まれた凹凸によってデジタル情報を記録している。この凹凸が回折格子の様に光を干渉するため、記録面側は虹色に見える。

『生きた宝石』とも呼ばれるモルフォチョウの翅(はね)は、鮮やかな青色をしているが、これは鱗粉表面に刻まれた格子状の構造による構造色である。この構造は青色の光の波長のちょうど半分にあたる200nm間隔に並んでおり、干渉により青色の光のみが反射される。2003年、松井真二(兵庫県立大学高度産業科学技術研究所 教授)らは集束イオンビーム装置を用いて、この構造をシリコン基板上に作り出すことで、モルフォチョウの青色を再現することに成功している。

クジャクやカワセミといった鳥類では、羽毛にある微細な構造によって、鮮やか色彩が現れる。

・微粒子などによる散乱

宝石のオパールは、規則的に並んだケイ酸塩の微粒子によって光が干渉し、見る角度によって様々な色彩がみられる。

牛乳が白いのは、脂肪のコロイドが光を散乱するためである。青い空、夕焼けなどの色は、太陽光が大気中の窒素や酸素分子によって散乱されるためである。このような、光の波長より小さな粒子による散乱現象はレイリー散乱と呼ばれる。光の波長と同程度の粒子(散乱体)による光の散乱はミー散乱と呼ばれる。雲が白く見えるのはミー散乱によるものである。

 

光と色の基礎知識 No.21

2.4 色(光源色と物体色)

Fig1_2_4_1

とは、視覚を通して得られる感覚の一種で、「形状」や「距離」の様に空間の物理的な性質ではない。色の感覚はある広がりを持った領域(視界内の物の表面など)が発する電磁放射のスペクトルを反映していることが多い。つまり、目に入る光(可視光線)の波長と結び付いている。ある者が視覚を通して受け取る光の波長が変化すると、それに伴って変化する視覚経験の内容が色である、ということができる(ただし、色覚が弱い人、持たない人もいるため、例外がある)。生理学的にいうと、網膜内にある3種類の錐体細胞が吸収する可視光線の割合が色の感覚を生む。これらの錐体細胞は、それぞれ黄~橙、緑、青(藍)の波長に最も反応するタンパク質(オプシンタンパク質)を含んでいる。これが3原色という感覚を生む原因である。

色感覚についてはまだ判かっていない事柄が多い。例えば、ある種の魚類ではヒトよりも1つ多い4種類の錐体細胞を持つ。従って、3原色ではなく4原色の「色」を知覚していると考えられている。

物理的な対応物がないのに色を知覚する例として、ベンハムの独楽という錯視現象がある。ベンハムの独楽とは独楽の上面を白と黒で塗り分けただけであるのに、回転させると色知覚が生まれるという実験を指す。

「色気を出す」、「色をつける(おまけする)」、「焦りの色」というように、魅力や状態を表す単語でもある。

・物理学上の色と色覚

物理学的には、の変化は、物体と物体を照らす光との「相性」により説明される。物体に入射する何らかの波長の光が観測者の方向へ反射(正反射・乱反射を含む)する際に、その物体の物性に応じた特定の波長のみが反射されそれ以外は吸収される(=波長に応じ反射率が異なる)という現象が起こる。観測者には反射された光だけが届くため、その波長に基づいて判断されるが、「その物体の」として認識される(つまり、光そのものに色という性質はなく、光を受けた器官が色を作っている)。

また、そのように観測者に届く光とそれに対する認識とに左右されるため、一般的なは、人間の視覚、即ち可視光線の範囲内を基準として表現されている。逆にいえば、可視光線の範囲を超えた波長の光について観測すると、可視光域で見た場合に比べて全く別の「色」や模様になっている物体もある。例えば、蝶の羽根の模様は紫外線領域では人の肉眼で見る場合とはまた異なる鮮やかな模様を描き出すし、真っ黒に焼け焦げた新聞紙などは赤外線領域のある波長では燃えた紙とインクが燃えた部分とで反射率が異なるため書かれていた元の内容を読み出すことができる。

・錐体と三原色

人間の可視領域において緑6、赤3、青1程度の強度で光が観測される場合、その色は「白」と表現される。一方、全帯域において殆ど観測されない場合、その色は「黒」と表現される。なお、光を完全に反射もしくは吸収する物質は存在しないため、完全に黒い物質はないが、光を完全に遮断することで完全な闇を作ることはできる。

人間の視覚が色を認識する際には、その光の分光分布を直接計っているのではなく、眼球の錐体細胞に含まれる3つの色素が光を吸収する割合を計っているに過ぎない。そのため、独立した複数の色を合成することで人間に別の色を感じさせることができる。例えば、黄色の波長の光は、赤の波長の光と緑の波長の光の組み合わせとほぼ同じ刺激を与えるから、黄色は赤と緑の組み合わせの光として表現できる。そしてこの場合、黄色の波長の光だけが眼球に入っている場合と、赤の光と緑の光が組み合わせで眼球に入っている場合とでは人間には区別することができない(ほぼ同じ、とは単色光としての純粋な黄色はRGBでは表現することができないことを指す。また、色弱とは、3種の錐体細胞が感得する光の波長が、健常者と異なっている状態である)。

 

光と色の基礎知識 No.20

2.3.3 知覚

知覚とは、動物が外界からの刺激を感じ取り、意味づけすることである。 視覚、聴覚、嗅覚、味覚、体性感覚、平衡感覚などの感覚情報をもとに、「熱い」「重い」「固い」などという自覚的な体験として再構成する処理であるといえる。

・大脳におる知覚のメカニズム

Fig1_2_3_18体性感覚情報はまず刺激対側の中心後回(一次感覚野)に達し、その後両側の頭頂弁蓋部(二次感覚野)に伝えられる。

聴覚情報は主に刺激対側の側頭葉上面の一次聴覚野、その後その周囲の二次聴覚野に伝達される。

聴覚、体性感覚とも一次から二次皮質に進むに従い、高次な処理が行われるようである。

視覚情報は後頭葉の一次視覚野にまず達し、順次前方に向かって情報が伝達され様々な処理がなされていく。

視覚、体性感覚、聴覚皮質に囲まれた、あるいは重複する場所に位置する頭頂葉は、それらの情報を統合する(「異種感覚情報の統合」)働きを有している。例えば「机の上にあるコップに手を伸ばして掴む」という一見単純な動作にも、表在感覚や深部覚を含む体性感覚、視覚、さらに運動出力情報を複雑な統合が必要であるが、頭頂葉の障害でこのような動作がスムーズにできなくなる(このような症状は失行と呼ばれている)。

・知覚における運動の役割

Fig1_2_3_19
 ただし、知覚を実現しているのは感覚情報だけではない。例えば、「重い」という知覚を感じ取るためには皮膚からの強い圧覚、筋紡錘や関節からの深部覚フィードバックとともに、それに拮抗して筋力を収縮させているという運動出力の情報も必要となっている。

このように能動的に運動することも情報として使用することによる物体の認識は「アクティブ・タッチ」とよばれている。

・知覚から認知へ

知覚をもとにして、さらに「これは犬である」などと解釈する処理などが認知である。

 

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