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Espectro visible

La luz blanca se dispersa mediante un prisma de vidrio en los colores del espectro visible. La porción visible del espectro electromagnético El espectro visible es la banda del ...

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La luz blanca se dispersa mediante un prisma de vidrio en los colores del espectro visible.
La porción visible del espectro electromagnético

El espectro visible es la banda del espectro electromagnético que es visible para el ojo humano . La radiación electromagnética en este rango de longitudes de onda se denomina luz visible (o simplemente luz). A veces se considera que el espectro óptico es el mismo que el espectro visible, pero algunos autores definen el término de forma más amplia, incluyendo también las partes ultravioleta e infrarroja del espectro electromagnético, conocidas colectivamente como radiación óptica . [ 1 ] [ 2 ]

Un ojo humano típico responde a longitudes de onda de aproximadamente 380 a 750 nanómetros . [ 3 ] En términos de frecuencia, esto corresponde a una banda cercana a los 400–790 terahercios . Estos límites no están definidos con precisión y pueden variar según el individuo. [ 4 ] En condiciones óptimas, estos límites de percepción humana pueden extenderse hasta 310 nm (ultravioleta) y 1100 nm (infrarrojo cercano). [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]   

El espectro no contiene todos los colores que el sistema visual humano puede distinguir. Los colores no saturados , como el rosa , o las variaciones de púrpura , como el magenta , por ejemplo, están ausentes porque solo se pueden obtener mediante la mezcla de múltiples longitudes de onda. Los colores que contienen una sola longitud de onda también se denominan colores puros o colores espectrales . [ 8 ] [ 9 ]

Las longitudes de onda visibles atraviesan la atmósfera terrestre prácticamente sin atenuación a través de la región de la " ventana óptica " del espectro electromagnético. Un ejemplo de este fenómeno es cuando el aire limpio dispersa la luz azul más que la roja, por lo que el cielo del mediodía se ve azul (excepto la zona alrededor del Sol, que se ve blanca porque la luz no se dispersa tanto). La ventana óptica también se conoce como "ventana visible" porque se superpone al espectro de respuesta visible humana. La ventana del infrarrojo cercano (NIR) se encuentra justo fuera del campo de visión humano, al igual que la ventana del infrarrojo de onda media (MWIR) y la ventana del infrarrojo de onda larga o lejano (LWIR o FIR), aunque otros animales pueden percibirlas. [ 2 ] [ 4 ]

Colores espectrales

Los colores que se pueden producir mediante luz visible de una banda estrecha de longitudes de onda ( luz monocromática ) se denominan colores espectrales . Los distintos rangos de color que se muestran en la ilustración son una aproximación: el espectro es continuo, sin límites definidos entre un color y otro. [ 10 ]

Historia

El círculo cromático de Newton, de su obra Óptica de 1704, muestra los colores que asoció con las notas musicales . Los colores del espectro, desde el rojo hasta el violeta, están divididos por las notas de la escala musical, comenzando en Re. El círculo completa una octava completa, desde Re hasta Re. El círculo de Newton sitúa el rojo en un extremo del espectro, junto al violeta en el otro. Esto refleja el hecho de que se observan colores púrpuras no espectrales cuando se mezclan la luz roja y la violeta.

En el siglo XIII, Roger Bacon teorizó que los arcoíris se producían mediante un proceso similar al paso de la luz a través del vidrio o el cristal. [ 11 ]

En el siglo XVII, Isaac Newton descubrió que los prismas podían descomponer y recomponer la luz blanca, y describió el fenómeno en su libro Óptica . Fue el primero en utilizar la palabra espectro ( del latín "espectro" o "aparición") en este sentido por escrito en 1671, al describir sus experimentos en óptica . Newton observó que, cuando un haz estrecho de luz solar incide en la superficie de un prisma de vidrio en ángulo, parte de la luz se refleja y parte atraviesa el vidrio, emergiendo como bandas de diferentes colores. Newton planteó la hipótesis de que la luz está compuesta de "corpúsculos" (partículas) de diferentes colores, y que los distintos colores de la luz se mueven a diferentes velocidades en la materia transparente; la luz roja se mueve más rápido que la violeta en el vidrio. Como resultado, la luz roja se desvía ( refracta ) con menos intensidad que la violeta al pasar a través del prisma, creando un espectro de colores.

Observación de los colores prismáticos por Newton ( David Brewster , 1855)

Newton dividió originalmente el espectro en seis colores con nombre: rojo , naranja , amarillo , verde , azul y violeta . Posteriormente añadió el índigo como séptimo color, ya que creía que el siete era un número perfecto, derivado de los antiguos sofistas griegos , que existía una conexión entre los colores, las notas musicales, los objetos conocidos del Sistema Solar y los días de la semana. [ 12 ] El ojo humano es relativamente insensible a las frecuencias del índigo, y algunas personas con buena visión no pueden distinguir el índigo del azul y el violeta. Por esta razón, algunos comentaristas posteriores, incluido Isaac Asimov , [ 13 ] han sugerido que el índigo no debería considerarse un color en sí mismo, sino simplemente un tono de azul o violeta. La evidencia indica que lo que Newton entendía por "índigo" y "azul" no se corresponde con los significados modernos de esas palabras para colores. Al comparar la observación de Newton de los colores prismáticos con una imagen en color del espectro de luz visible, se observa que el "índigo" corresponde a lo que hoy se denomina azul, mientras que su "azul" corresponde al cian . [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

En el siglo XVIII, Johann Wolfgang von Goethe escribió sobre los espectros ópticos en su Teoría de los colores . Goethe utilizó la palabra espectro ( Spektrum ) para designar una imagen residual óptica fantasmal , al igual que Schopenhauer en Sobre la visión y los colores . Goethe argumentó que el espectro continuo era un fenómeno compuesto. Mientras que Newton estrechaba el haz de luz para aislar el fenómeno, Goethe observó que una apertura mayor no produce un espectro, sino más bien bordes rojizos-amarillentos y azul-cian con blanco entre ellos. El espectro aparece solo cuando estos bordes están lo suficientemente cerca como para superponerse.

A principios del siglo XIX, el concepto del espectro visible se volvió más preciso, ya que la luz fuera del rango visible fue descubierta y caracterizada por William Herschel ( infrarrojo ) y Johann Wilhelm Ritter ( ultravioleta ), Thomas Young , Thomas Johann Seebeck y otros. [ 17 ] Young fue el primero en medir las longitudes de onda de diferentes colores de luz, en 1802. [ 18 ]

La conexión entre el espectro visible y la visión del color fue explorada por Thomas Young y Hermann von Helmholtz a principios del siglo XIX. Su teoría de la visión del color propuso correctamente que el ojo utiliza tres receptores distintos para percibir el color.

Límites del rango visible

Funciones de eficiencia luminosa fotópica (negro) y escotópica (verde). El eje horizontal representa la longitud de onda en nm . Consulte la función de eficiencia luminosa para obtener más información.

El espectro visible se limita a longitudes de onda que pueden alcanzar la retina y desencadenar la fototransducción visual (excitar una opsina visual ). La insensibilidad a la luz UV generalmente se limita a la transmisión a través del cristalino . La insensibilidad a la luz IR se limita a las funciones de sensibilidad espectral de las opsinas visuales. El rango se define psicométricamente mediante la función de eficiencia luminosa , que tiene en cuenta todos estos factores. En los humanos, existe una función separada para cada uno de los dos sistemas visuales: una para la visión fotópica , utilizada a la luz del día, mediada por las células cono , y otra para la visión escotópica , utilizada con poca luz, mediada por las células bastón . Cada una de estas funciones tiene rangos visibles diferentes. Sin embargo, al hablar del rango visible, generalmente se asume la visión fotópica.

Transmisión atmosférica

El rango visible de la mayoría de los animales evolucionó para coincidir con la ventana óptica , que es el rango de luz que puede atravesar la atmósfera. La capa de ozono absorbe casi toda la luz UV (por debajo de 315  nm). [ 19 ] Sin embargo, esto solo afecta a la luz cósmica (por ejemplo, la luz solar ), no a la luz terrestre (por ejemplo, la bioluminiscencia ).

Transmisión ocular

Espectros de transmisión acumulativa de la luz al pasar a través de los medios oculares: después de la córnea (azul), antes del cristalino (rojo), después del cristalino (gris) y antes de la retina (naranja). Las líneas continuas corresponden a un ojo de 4,5 años. La línea naranja discontinua corresponde a un ojo de 53 años, y la punteada a un ojo de 75 años, lo que indica el efecto del amarilleamiento del cristalino.

Antes de llegar a la retina , la luz debe primero transmitirse a través de la córnea y el cristalino . La luz UVB (<  315  nm) es filtrada principalmente por la córnea, y la luz UVA (315–400  nm) es filtrada principalmente por el cristalino. [ 20 ] El cristalino también se amarillea con la edad, atenuando la transmisión más fuertemente en la parte azul del espectro. [ 20 ] Esto puede causar xantopsia así como un ligero truncamiento del límite de onda corta (azul) del espectro visible. Los sujetos con afaquia carecen de cristalino, por lo que la luz UVA puede llegar a la retina y excitar las opsinas visuales; esto expande el rango visible y también puede conducir a cianopsia .

Absorción de opsina

Each opsin has a spectral sensitivity function, which defines how likely it is to absorb a photon of each wavelength. The luminous efficiency function is approximately the superposition of the contributing visual opsins. Variance in the position of the individual opsin spectral sensitivity functions therefore affects the luminous efficiency function and the visible range. For example, the long-wave (red) limit changes proportionally to the position of the L-opsin. The positions are defined by the peak wavelength (wavelength of highest sensitivity), so as the L-opsin peak wavelength blue shifts by 10 nm, the long-wave limit of the visible spectrum also shifts 10 nm. Large deviations of the L-opsin peak wavelength lead to a form of color blindness called protanomaly and a missing L-opsin (protanopia) shortens the visible spectrum by about 30 nm at the long-wave limit. Forms of color blindness affecting the M-opsin and S-opsin do not significantly affect the luminous efficiency function nor the limits of the visible spectrum.

Different definitions

Regardless of actual physical and biological variance, the definition of the limits is not standard and will change depending on the industry. For example, some industries may be concerned with practical limits, so would conservatively report 420–680 nm,[21][22] while others may be concerned with psychometrics and achieving the broadest spectrum would liberally report 380–750, or even 380–800 nm.[23][24] The luminous efficiency function in the NIR does not have a hard cutoff, but rather an exponential decay, such that the function's value (or vision sensitivity) at 1,050 nm is about 109 times weaker than at 700 nm; much higher intensity is therefore required to perceive 1,050 nm light than 700 nm light.[25]

Vision outside the visible spectrum

Under ideal laboratory conditions, subjects may perceive infrared light up to at least 1,064 nm.[25] While 1,050 nm NIR light can evoke red, suggesting direct absorption by the L-opsin, there are also reports that pulsed NIR lasers can evoke green, which suggests two-photon absorption may be enabling extended NIR sensitivity.[25]

De manera similar, los sujetos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta de hasta aproximadamente 310–313  nm, [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] pero la detección de luz por debajo de 380  nm puede deberse a la fluorescencia de los medios oculares, en lugar de la absorción directa de luz UV por las opsinas. Cuando la luz UVA es absorbida por los medios oculares (cristalino y córnea), puede fluorescer y liberarse a una energía menor (longitud de onda mayor) que luego puede ser absorbida por las opsinas. Por ejemplo, cuando el cristalino absorbe  luz de 350 nm, el espectro de emisión de fluorescencia se centra en 440  nm. [ 29 ]

Detección de luz no visual

Además de los sistemas fotópico y escotópico, los humanos poseen otros sistemas para detectar la luz que no contribuyen al sistema visual primario . Por ejemplo, la melanopsina tiene un rango de absorción de 420 a 540  nm y regula el ritmo circadiano y otros procesos reflejos. [ 30 ] Dado que el sistema de melanopsina no forma imágenes, no se considera estrictamente visión y no contribuye al rango visible.

En seres no humanos

El espectro visible se define como aquel que los humanos pueden percibir, pero la variabilidad entre especies es considerable. No solo las opsinas de los conos pueden modificarse espectralmente para alterar el rango visible, sino que los vertebrados con 4 conos (tetracromáticos) o 2 conos (dicromáticos) en comparación con los 3 conos (tricromáticos) de los humanos también tenderán a tener un espectro visible más amplio o más estrecho, respectivamente.

Los vertebrados tienden a tener entre 1 y 4 clases diferentes de opsinas: [ 19 ]

  • Sensible a ondas largas (LWS) con sensibilidad máxima entre 500 y 570  nm ( verde ),
  • Sensible a la onda media (MWS) con sensibilidad máxima entre 480 y 520  nm ( cian ),
  • Sensible a ondas cortas (SWS) con sensibilidad máxima entre 415 y 470  nm ( violeta - azul ), y
  • Sensible al violeta/ultravioleta (VS/UVS) con sensibilidad máxima entre 355–435  nm ( ultravioleta – violeta ).

Es difícil evaluar el comportamiento de los sistemas visuales de los animales, por lo que el rango de visión de los animales se suele estimar comparando las longitudes de onda máximas de las opsinas con las de los humanos típicos (opsina S a 420  nm y opsina L a 560  nm).

Mamíferos

Most mammals have retained only two opsin classes (LWS and VS), due likely to the nocturnal bottleneck. However, old world primates (including humans) have since evolved two versions in the LWS class to regain trichromacy.[19] Unlike most mammals, rodents' UVS opsins have remained at shorter wavelengths. Along with their lack of UV filters in the lens, mice have a UVS opsin that can detect down to 340 nm. While allowing UV light to reach the retina can lead to retinal damage, the short lifespan of mice compared with other mammals may minimize this disadvantage relative to the advantage of UV vision.[31] Dogs have two cone opsins at 429 nm and 555 nm, so see almost the entire visible spectrum of humans, despite being dichromatic.[32] Horses have two cone opsins at 428 nm and 539 nm, yielding a slightly more truncated red vision.[33]

Birds

Most other vertebrates (birds, lizards, fish, etc.) have retained their tetrachromacy, including UVS opsins that extend further into the ultraviolet than humans' VS opsin.[19] The sensitivity of avian UVS opsins vary greatly, from 355–425 nm, and LWS opsins from 560–570 nm.[34] This translates to some birds with a visible spectrum on par with humans, and other birds with greatly expanded sensitivity to UV light. The LWS opsin of birds is sometimes reported to have a peak wavelength above 600 nm, but this is an effective peak wavelength that incorporates the filter of avian oil droplets.[34] The peak wavelength of the LWS opsin alone is the better predictor of the long-wave limit. A possible benefit of avian UV vision involves sex-dependent markings on their plumage that are visible only in the ultraviolet range.[35][36]

Fish

Teleosts (bony fish) are generally tetrachromatic. The sensitivity of fish UVS opsins vary from 347-383 nm, and LWS opsins from 500-570 nm.[37] However, some fish that use alternative chromophores can extend their LWS opsin sensitivity to 625 nm.[37] The popular belief that the common goldfish is the only animal that can see both infrared and ultraviolet light[38] is incorrect, because goldfish cannot see infrared light.[39]

Invertebrates

Los sistemas visuales de los invertebrados difieren mucho de los de los vertebrados, por lo que las comparaciones directas son difíciles. Sin embargo, se ha informado de sensibilidad a los rayos UV en la mayoría de las especies de insectos. [ 40 ] Las abejas y muchos otros insectos pueden detectar la luz ultravioleta, lo que les ayuda a encontrar néctar en las flores. Las especies de plantas que dependen de la polinización por insectos pueden deber su éxito reproductivo a su apariencia bajo luz ultravioleta más que a lo coloridas que se ven para los humanos. El límite de onda larga de las abejas está en aproximadamente 590  nm. [ 41 ] Las gambas mantis exhiben hasta 14 opsinas, lo que permite un rango visible de menos de 300 nm a más de 700 nm. [ 19 ]

visión térmica

Algunas serpientes pueden "ver" [ 42 ] el calor radiante en longitudes de onda entre 5 y 30 μm con un grado de precisión tal que una serpiente de cascabel ciega puede apuntar a partes vulnerables del cuerpo de la presa a la que ataca, [ 43 ] y otras serpientes con este órgano pueden detectar cuerpos calientes a un metro de distancia. [ 44 ] También puede utilizarse en la termorregulación y la detección de depredadores . [ 45 ] [ 46 ] 

Espectroscopia

La atmósfera terrestre bloquea parcial o totalmente algunas longitudes de onda de la radiación electromagnética, pero en luz visible es mayormente transparente.

La espectroscopia es el estudio de los objetos a partir del espectro de color que emiten, absorben o reflejan. La espectroscopia de luz visible es una herramienta importante en astronomía (al igual que la espectroscopia en otras longitudes de onda), donde los científicos la utilizan para analizar las propiedades de objetos distantes. Los elementos químicos y las moléculas pequeñas pueden detectarse en objetos astronómicos mediante la observación de líneas de emisión y absorción . Por ejemplo, el helio se detectó por primera vez mediante el análisis del espectro del Sol . El cambio en la frecuencia de las líneas espectrales se utiliza para medir el desplazamiento Doppler ( desplazamiento al rojo o al azul ) de los objetos distantes y determinar sus velocidades de aproximación o alejamiento del observador. La espectroscopia astronómica utiliza redes de difracción de alta dispersión para observar espectros con resoluciones espectrales muy elevadas.

Véase también

Referencias

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