※ 本稿は，第 138 回微小光学研究会「色が広がる微小光学，照明とディスプレイ ー魅せる色，正確な色ー」（2015.12.01，東京工業大学）の講演予稿をカラー化・再編集したものです．

「色の科学」を楽しもう
Let's enjoy science of color
田所 利康
Toshiyasu Tadokoro
有限会社テクノ・シナジー
Techno Synergy, Inc.
193-0832 東京都八王子市散田町 2-46-16
2-46-16 Sanda-cho, Hachioui-shi, Tokyo 193-0832
E-mail: tado@techno-synergy.co.jp
あらまし

物質が持つ固有の色は，その多くが，選択的な光吸収という現象によって生み出されている．

さらに，物質表面の微細構造が構造色と呼ばれる鮮やかな色を作り出すこともある．本講では，物質の色の発現メカニズムについて考察していく．
Abstract

The characteristic colors of most materials have their origin in the phenomenon of selectiveoptical absorption. Besides, micro-structured surfaces may produce vivid colors, called structural color. In thispresentation, the coloring mechanism of materials are discussed.

一方，図 1(b) の鏡は，全ての波長の光を反射し1．はじめに物質は，その物質固有の色を持つ．これは，物ているにも関わらず，紙のように白く見えることは質が特定の波長を吸収し，物質からの反射光またなく，背後にあるものの姿を映す．きれいに磨きは透過光が特定の波長成分を多く含むことによっ上げられた鏡では，指紋などで表面が汚れていなて生じる色である．身の周りに見られる様々なもの(a)の色は，この選択的な光吸収によるものである．
一方，固有の色を持たない透明な物質でも，光の波長程度の微細な周期構造があれば，構造色と呼ばれる鮮やかな発色をする．例えば，CD-R などの光ディスクを照明にかざすと虹色に光るのは，ディスクに光の波長程度の間隔で刻まれた溝が起こす回折現象のためである．
本講では，これら 2 つの異なる発色メカニズムについて考察していく 1）．

(b)２．吸収と乱反射が決めるモノの色合い
2-1．白い紙と鏡はどこが違うのか
物質表面の反射状態は，吸収と同様，ものの色合いを決める重要な要素である．図 1(a) のテーブ
ルの上には，白い紙が置かれている．光と影のよ
うすから，紙が平面であることが分かる．白い紙が，自然光の下で白く見えるのは，紙が全ての波長の光を偏ることなく反射しているからである．

図1−

1−

乱反射と正反射の見え方の違い

第 138 回微小光学研究会「色が広がる微小光学，照明とディスプレイ ー魅せる色，正確な色ー」，2015.12.01の乱反射のように，入射角によらず空間の全方向い限り，鏡自体がどこにあるのか分からない．に出射する場合もある．

両者の反射で異なる点は，紙の表面では光が乱反射するのに対して，鏡の表面では正反射（鏡面白紙のように，乱反射するものが光を吸収しな反射）することである．正反射は入射角と等しい

ければ，その表面は白く見える．しかし，赤を吸反射角方向に出射する通常の反射だが，乱反射は収するものは，緑と青を乱反射してシアンに見え，反射角以外の方向にも広がって出射する．ものの緑を吸収するものはマゼンタに，青を吸収するもの

表面が「見える」ためには，鏡のような正反射ではイエローに見える．これらの色が混ざり合うことはなく，表面で乱反射することが必要なのである．

で，多くの色彩が作り出される．吸収が作り出した2-2．乱反射と吸収が色合いを決める

色は，乱反射によってあらゆる方向に広がる．そのため，吸収によって作り出された物質固有の色は，乱反射を起こす物質の表面を観察すると，多か見る方向が変わっても，色が変化することはない．

れ少なかれ，磨りガラスのような凸凹が見られる．

色鮮やかなステンドグラスの色彩も，光の吸収そのため，一定角度で入射された光でも，微視的によって作られる．赤いステンドグラスに白色光をに見れば，色々な角度を持つ小さな平面の集合体入射すると，図 3 のように，当然，赤い光が出てに光が入射されたことになり，微小平面ごとに出射くる．これは，光がステンドグラスを透過する間に方向が変わって，全体として乱反射が生じる．逆に，赤以外の光が吸収され，生き残った赤い光だけが一つの出射角方向から乱反射表面を見ると，色々眼に届くためである．

な方向から入射した光が重なって目に入ってくるた
め，鏡のように像が映ることはなく，構造のない

３．
三原色をスペクトルで考える

単なる色が見えるのである．

3-1．
「白」は全ての色を含むわけではない

乱反射で出射方向が広がる程度は，表面の凹凸ディスプレイで実際に使われる光の三原色，す状態によって様々であり，入射角に等しい反射角

なわち赤（R），緑（G），青（B）は，スペクトル純周辺に強く出射する場合もあれば，図 2 に示す紙色ではなく，ある波長帯の光が混ざった混色である．図 4 は，写真用三原色フィルターを通したスポッ

紙表面に入射した光は，表面の凹凸によって四方八方に乱反射する．

トライトの色と透過スペクトルである．R，G，B といっても，それぞれ波長幅 100 nm 程度の分布を入射光持っている．例えば，R と G の重ね合わせである
乱反射光

黄色のスペクトルは，R と G のスペクトルを足したものである．足し算により得られたスペクトルは凸凹しているが，人間の目には黄色に見える．R，G，B を足し合わせて得られる白は，全ての色を均等紙

図2に含む印象があるが，R，G，B の 3 つの山の強度

紙表面の乱反射バランスが取れていれば，人間の目には白く見える．
赤いステンドグラス
赤以外の光が吸収される白色光
透過光は赤くなる

図3

立教大学チャペルのステンドグラス−

2−

赤いステンドグラスの透過光田所利康：「色の科学」を楽しもう

ディスプレイの三原色には，いくつかの規格が3-2．三原色で全ての色が作り出せる訳ではない
図 5 に示すように，色度図上の２つの色を結んある．規格によって三原色の色座標が違っており，だ直線上の色は，2 つの色の加算混合で作ること再現できる色の範囲が異なる．しかし，いずれのができる．3 つ目の色を加えて，三角形を作るとし規格でも，分光器を通して見られる鮮やかなスペよう．ある頂点の色と，その頂点に対する辺上のクトル純色は，再現することができない．

色を混ぜれば，三角形の内側の色が作り出せる．
3 つの色で作られた三角形の内側にある全ての色は，3 つの色の加算混合で作り出すことができるのである．
さて，色度図で人間に見ることができる色は，釣り鐘状の領域内である．色度図内のどのような3 点を選んで三角形を作ったとしても，その三角形では再現できない外側の色が存在することになる．
実は，加算混合でも減算混合でも，三原色で全ての色が作り出せるというのは近似的な話であり，光の三原色である赤，緑，青は，大きな面積の三角形を作り出せる三つの色でしかない．三角形の外側の色も再現しようとした場合，3 より多くの原色を混ぜ合わせる必要がある．それにも係わらず，テレビや印刷が三原色で事足りているのは，世の中に存在する多くの色は純度が低く，色の感じ方

図 5 三角形内の全色は三色の加算混合で作られるに主観的な要素があるためである．

200黄色

400500600
波長 [nm]

70080

R＋B

マゼンタ

400500600
波長 [nm]6040200800

700

800

402010080

赤(R)400500600
波長 [nm]

700

800
R＋G

R＋G＋B

R＋G＋B

60
4010080

400500600
波長 [nm]

700

100

緑(G)

4020400500
600
波長 [nm]

700

G＋B

800

600

青(B)

緑(G)

200

R＋B

800

80100

シアンG＋B

透過率 [%]

透過率 [%]

40600

透過率 [%]

R＋G

100

赤(R)

60

透過率 [%]

透過率 [%]

8080

透過率 [%]を混色した場合のスペクトル

100100

RGB 三色のスポットライト

透過率 [%]

図46040200400500
600
波長 [nm]−3−70080080

光の三原色※実際に RGB3 色のスポットライトを使って作成

青(B)

60
40200400500
600
波長 [nm]700800

第 138 回微小光学研究会「色が広がる微小光学，照明とディスプレイ ー魅せる色，正確な色ー」，2015.12.01

４．構造色

3-3．印刷の色再現
減算混合の三原色は，シアン：白から赤を引い4-1．微細構造が作る鮮やかな色たもの，マゼンタ：白から緑を引いたもの，イエロー：CD や DVD を光にかざすと虹色に輝く．CD な白から青を引いたものである．例えば，シアンとイどの光ディスクでは，音や画像を記録するピットが，エローを重ねると，白から赤と青を引くことになり光の波長程度の間隔で，ディスクの半径方向に規緑が残る．その時得られる緑のスペクトルは，シ則正しく並んでいる．個々のピットで回折された光アンとイエローのスペクトルを掛け合わせたものでが足し合わされて，強め合う条件に合った波長のある．スペクトルの掛け算になる理由については，光が輝く色を作る．このような光の波長程度の微サングラスを重ねて減光した場合を想像すれば理細な周期構造が作り出す色を構造色と呼ぶ．

解しやすい．ある波長の透過光量を半分に減らす

構造色は，CD などの光ディスクや回折格子のよサングラスがあるとしよう．2 つ重ねた場合，1 つうな平面的な周期構造だけではなく，図 7 のようめで透過光量は 50％に減光され，2 つめでさらにに，薄膜や多層膜構造，三次元的な周期構造なその 50％になる．つまり，最終的な透過光量は，どによっても引き起こされる．構造色は，繰り返透過率同士の掛け算，すなわち 0.5 × 0.5=0.25

し構造の周期間隔によって光の強め合う方向が決になるのである．

まるため，見る角度によって色が変化する． CD，三原色を重ね合わせると，理想的には，シアン，DVD，Blu-ray（周期間隔は，それぞれ 1.6 μ m，0.74

マゼンタ，イエローのスペクトルが掛け合わされてμ m，0.32 μ m）を見比べてみよう．周期間隔が黒になるはずである．実際には，完全な黒にする

狭いディスクほど，構造色が大きな角度で出射さことは難しい．例えば図 6 では，波長 600 nm 付れることを確認できるであろう．

近の光が消え残ってしまい，赤みがかった黒になっ

ここでは，いくつかの代表的な構造色の例を紹ている．印刷では，こうした状態を避けるために，介していくことにする．

シアン (C)，マゼンタ (M)，イエロー (Y) の三原色に加えて，黒 (K) のインクが併用されている．
100

混色した場合のスペクトル

透過率 [%]

100

C×M8060402006040040500600
波長 [nm]700200400100
透過率 [%]

青500
600
波長 [nm]700

207004020Ｍ×Y

イエロー(Y)800

6040マゼンタ(M)
400

500
600
波長 [nm]700800透過率 [%]

80

透過率 [%]

10080

透過率 [%]

100800500
600
波長 [nm]700

800

6040200Ｍ×Y
400

500
600
波長 [nm]

−4−

700

赤800

色の三原色
※実 際 に CMY3 色のフィルターを使って作成

10020400

C×Y

マゼンタ(M)500
600
波長 [nm]60

C×M×Y

黒40400緑シアン(C)

800

600C×Y

800800

C×M

C×M×Y

80

100

シアン(C)

80

透過率 [%]CMY 三色のフィルターを透過率 [%]

図66040200イエロー(Y)
400

500
600
波長 [nm]700800田所利康：「色の科学」を楽しもう

4-2．回折格子によるスペクトル分解(a)

回折格子は，波長に近い間隔のストライプ状の繰り返し構造を持つ．格子間隔が一定の場合，図格子間隔が決まれば，回折角は波長で決まる

8(a) 〜 (c) で明らかなように，波長によって決まった角度に光を回折する．回折する角度，すなわち回折角を決めるルールはシンプルで，図 9 のよう透過回折格子
500 本／ mm

λ= 405 nmに，繰り返し構造の隣り合う光路の光路差が波長(b)の整数倍の時に位相が揃って強め合う．回折角は次式で表される 2）．
(1)m 波長分の光路差で回折する光を m 次回折光とλ= 532 nm

呼ぶ．1 次回折光が最も強く，高次回折光ほど弱くなる．

(c)

回折格子の代表的な応用は，白色光をスペクトルに分解して単色を取り出す分光器である．分光器には，一般的に反射型回折格子が使用される．
4-3．スペクトルを操る誘電体多層膜技術

λ= 650 nm

高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜を

図8交互に積層した誘電体多層膜ミラーは，多層膜間回折角は波長で決まるの多重干渉を制御することで，所望の波長帯だけをほぼ 100％反射することができるミラーである．
図 9 の層構造で作製された誘電体多層膜ミラーの場合，700 nm 付近の赤い光をほぼ完全に反射するため，透過光は反射光の補色である青緑色にな

薄膜
基本的な薄膜干渉（シャボン玉など）

隣り合う光路の光路差が波長の整数倍になる回折角θの時に強め合う

多層膜
厚さ方向の一次元周期構造

図9

透過回折格子で回折光が強め合う条件

1.0

反射

SiO2 116.5nm
Ta2O5 79.5nm
SiO2 116.5nm
石英基板

透過

レーリー散乱，ミー散乱（青空，夕焼けなど）

図7層構造

コガネムシ，コレステリック
液晶などの円偏光選択反射

構造色を発現する周期構造0.8
透過率 / 反射率

二次元・三次元周期構造（フォトニック結晶）

9組

面内の一次元周期構造（回折格子，CD など）※ が正の光路のみ描いてある．

透過率0.60.40.2

反射率0.0400600
光の波長 [nm]800

図 10 誘電体多層膜ミラーの透過率 / 反射率スペクトル−5−

第 138 回微小光学研究会「色が広がる微小光学，照明とディスプレイ ー魅せる色，正確な色ー」，2015.12.01

る．誘電体多層膜技術を用いれば，ミラー以外に参考文献

も，ある波長だけ透過するバンドパスフィルター，1）大津元一監修，田所利康・石川謙著：イラスト

特定波長を反射 / 別の特定波長を透過するダイク

レイテッド 光の科学，朝倉書店 (2014).

ロイックミラーなどを作ることができる．

2）大 津元一，田所 利康：光学入門，朝倉書店(2008).

５．自然界に見られる構造色3）木下修一：モルフォチョウの碧い輝き −光と色5-1．モルフォチョウの輝く青色の不思議に迫る−，化学同人（2005）．

生物の体色は，多種多様である．生物の色は，

4）アンドリュー・パーカー著，渡辺政隆，今西康

保護色，威嚇色，色による同種の判別など，生き子訳：眼の誕生 −カンブリア紀大進化の謎を抜くために重要な場面で機能している場合が多い．

解く−，草思社（2006）．

生物の色には，色素吸収による着色と，微細構造に起因する構造色がある．構造色は，様々な生物で見ることができる．
構造 色の代 表 例がモルフォチョウである（図11(a)）．モルフォチョウの光沢のある青い色は，鱗粉に刻まれた微細構造によって作り出されている．
鱗粉を電子顕微鏡で拡大すると，図 11(b) のような断面が棚状の繰り返し構造が見られる．図 11(c)のように，鱗粉に入射した光が，間隔約 200 nmの繰り返し構造で反射された場合，どの隣り合う光路でも，往復の光路差が約 400 nm になるため，波長 400 nm 付近だけが強め合い，輝く青色を作り出す．棚の高さや棚同士の間隔にバラツキがあ(a)る複雑な構造によって，単純な干渉 / 回折では得られない深みのある色が生まれる 3）．

ディディウスモルフォ（Morpho didius）(b) モルフォチョウの鱗粉

青い光が強め合う

5-2．構造色を持つ生物たち
モルフォチョウの他にも，多層膜構造をしたタマムシの翅の干渉色や，微細構造を持つクジャクやカワセミの羽根が放つ発色が，構造色としてよく知られている．構造色を作り出す微細構造は様々であり，多層膜，回折格子，フォトニック結晶などの構造により発色する生物が確認されている．

約 200nm

構造色は，色素による発色とは異なり，化石にもその痕跡が残る．そのため，化石の中に光の波(c) 鱗粉の構造長程度の周期構造が見つかれば，その古代生物が生存していた時の体色を再現することができる．
中生代白亜紀まで生息していたアンモナイトの化石の中には，図 11(d) のように，真珠層と呼ばれる多層構造が残っていて，殻が虹色に輝くものもある．約 5 億年前のカンブリア紀に生息した生物の化石の中にも，周期構造を持つものが発見されている 4）．古代の海では，虹色に輝く生物たちが繁栄していたのである．

(d)

アンモナイト

図 11：構造色を持つ生物たちの例−

6−