가시광선

가시광선(可視光線, , ) 또는 가시 스펙트럼은 인간의 눈에 보이는 전자기 스펙트럼의 대역이다. 이 파장 범위의 전자기파를 가시광선(또는 단순히 빛)이라고 부른다. 광학 스펙트럼은 때때로 가시 스펙트럼과 동일하게 간주되지만, 일부 저자는 이 용어를 더 넓게 정의하여 자외선 및 적외선 영역을 포함하는 전자기 스펙트럼의 일부로, 총칭하여 광학 방사선으로 알려져 있다.

일반적인 인간의 눈은 약 380에서 750 나노미터까지의 파장에 반응한다. 진동수로 따지면 약 400~790 테라헤르츠 대역에 해당한다. 이러한 경계는 명확하게 정의되어 있지 않으며 개인마다 다를 수 있다. 최적의 조건에서는 인간의 지각 한계가 310 nm(자외선) 및 1100 nm(근적외선)까지 확장될 수 있다.

이 스펙트럼에는 인간의 시각계가 구별할 수 있는 모든 색이 포함되어 있지 않다. 분홍과 같은 불포화 색상이나 마젠타와 같은 자주 변형은 여러 파장의 혼합으로만 만들어질 수 있기 때문에 존재하지 않는다. 한 가지 파장만 포함하는 색을 순색 또는 스펙트럼 색이라고도 부른다.

가시 파장은 전자기 스펙트럼의 "광학 창" 영역을 통해 지구 대기를 크게 감쇠되지 않고 통과한다. 이 현상의 한 예는 맑은 공기가 산란을 통해 빨간색 빛보다 파란색 빛을 더 많이 산란시켜 한낮의 하늘이 파란색으로 보이는 경우이다(태양 주변의 영역은 빛이 그만큼 많이 산란되지 않기 때문에 흰색으로 보인다). 광학 창은 인간의 가시 반응 스펙트럼과 겹치기 때문에 "가시 창"이라고도 불린다. 근적외선(NIR) 창은 인간 시야의 바로 바깥쪽에 있으며, 중파장 적외선(MWIR) 창과 장파장 또는 원적외선(LWIR 또는 FIR) 창도 마찬가지인데, 다른 동물들은 이를 인지할 수 있다.

 스펙트럼 색상 

좁은 파장 대역의 가시광선(단색광)으로 생성될 수 있는 색을 스펙트럼 색이라고 한다. 그림에 표시된 다양한 색상 범위는 대략적인 것이다. 스펙트럼은 연속적이며, 한 색상과 다음 색상 사이에 명확한 경계가 없다.Bruno, Thomas J. and Svoronos, Paris D. N. (2005). CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts.  CRC Press. 

 역사 

13세기에 로저 베이컨은 무지개가 유리를 통과하는 빛이나 결정체를 통과하는 빛과 유사한 과정으로 생성된다고 이론화했다.

17세기에 아이작 뉴턴은 프리즘이 백색광을 분해하고 재조립할 수 있음을 발견하고, 그의 저서 『광학』에서 이 현상을 기술했다. 그는 1671년에 자신의 광학 실험을 설명하면서 "스펙트럼"이라는 단어(라틴어로 "모습" 또는 "환상"이라는 뜻)를 인쇄물에 이 의미로 처음 사용했다. 뉴턴은 좁은 햇빛 광선이 유리 프리즘의 표면에 비스듬히 부딪힐 때, 일부는 반사되고 일부는 유리를 통과하여 다른 색깔의 띠로 나타나는 것을 관찰했다. 뉴턴은 빛이 다른 색깔의 "미립자"(입자)로 구성되어 있으며, 다른 색깔의 빛은 투명한 물질에서 다른 속도로 이동한다고 가설을 세웠는데, 빨간색 빛이 유리에서 보라색 빛보다 더 빠르게 움직인다고 보았다. 그 결과 빨간색 빛은 프리즘을 통과할 때 보라색 빛보다 덜 급격하게 굴절되어 색상 스펙트럼을 생성한다.


18세기에 요한 볼프강 폰 괴테는 그의 『색채론』에서 광학 스펙트럼에 대해 썼다. 괴테는 스펙트럼(Spektrum)이라는 단어를 유령 같은 광학적 잔상을 지칭하는 데 사용했는데, 쇼펜하우어가 『시각과 색채에 대하여』에서 그러했듯이 말이다. 괴테는 연속 스펙트럼이 복합적인 현상이라고 주장했다. 뉴턴이 현상을 분리하기 위해 빛의 빔을 좁혔지만, 괴테는 더 넓은 구멍이 스펙트럼이 아니라 흰색 사이에 붉은 노란색과 파란 시안색 가장자리를 생성한다고 관찰했다. 스펙트럼은 이러한 가장자리가 충분히 가까워 겹칠 때만 나타난다.

19세기 초, 가시 스펙트럼의 개념은 더욱 명확해졌다. 윌리엄 허셜(적외선)과 요한 빌헬름 리터(자외선), 토머스 영, 토마스 요한 제베크 등에 의해 가시 범위 밖의 빛이 발견되고 특성화되면서 말이다.
영은 1802년에 서로 다른 색의 빛의 파장을 처음으로 측정했다.

가시 스펙트럼과 색각 사이의 연관성은 19세기 초 토머스 영과 헤르만 폰 헬름홀츠에 의해 탐구되었다. 그들의 색각 이론은 눈이 세 가지의 서로 다른 수용체를 사용하여 색을 인지한다고 정확하게 제안했다.

 가시 범위의 한계 


가시 스펙트럼은 망막에 도달하여 시각 광변환(시각 옵신을 흥분시키는)을 유발할 수 있는 파장으로 제한된다. 자외선에 대한 비감성은 일반적으로 수정체를 통한 전달로 제한된다. 적외선에 대한 비감성은 시각 옵신(visual opsin)의 스펙트럼 감도 기능에 의해 제한된다. 이 범위는 이러한 모든 요소를 고려하는 광도 효율 함수에 의해 심리측정적으로 정의된다. 인간에게는 두 가지 시각 시스템 각각에 대한 별도의 함수가 있는데, 하나는 원추세포에 의해 매개되는 주간에 사용되는 명소시용이고, 다른 하나는 간상세포에 의해 매개되는 희미한 빛에서 사용되는 암소시용이다. 이들 각각의 함수는 서로 다른 가시 범위를 갖는다. 그러나 가시 범위에 대한 논의는 일반적으로 명소시를 가정한다.

 대기 투과율 
대부분의 동물의 가시 범위는 대기를 통과할 수 있는 빛의 범위인 광학 창과 일치하도록 진화했다. 오존층은 거의 모든 자외선(315 nm 미만)을 흡수한다. 그러나 이는 햇빛과 같은 우주광에만 영향을 미치며, 생물발광과 같은 지상광에는 영향을 미치지 않는다.

 안구 투과율 
빛은 망막에 도달하기 전에 먼저 각막과 수정체를 투과해야 한다. UVB 빛(315 nm 미만)은 주로 각막에 의해 여과되고, UVA 빛(315–400 nm)은 주로 수정체에 의해 여과된다. 수정체는 또한 나이가 들면서 황화되어 스펙트럼의 파란색 부분에서 가장 강하게 투과를 감쇠시킨다. 이로 인해 황시증과 가시 스펙트럼의 단파장(파란색) 한계가 약간 잘릴 수 있다. 무수정체증 환자는 수정체가 없으므로 UVA 빛이 망막에 도달하여 시각 옵신을 자극할 수 있다. 이는 가시 범위를 확장하고 시아놉시아를 유발할 수도 있다.

 옵신 흡수 
각 옵신은 스펙트럼 감도 함수를 가지고 있으며, 이는 각 파장의 광자를 흡수할 가능성을 정의한다. 광도 효율 함수는 기여하는 시각 옵신들의 중첩으로 근사할 수 있다. 따라서 개별 옵신 스펙트럼 감도 함수의 위치 변화는 광도 효율 함수와 가시 범위에 영향을 미친다. 예를 들어, 장파장(빨간색) 한계는 L-옵신의 위치에 비례하여 변한다. 위치는 최고 파장(가장 높은 감도의 파장)으로 정의되므로, L-옵신 최고 파장이 10 nm 청색편이하면, 가시 스펙트럼의 장파장 한계도 10 nm 이동한다. L-옵신 최고 파장의 큰 편차는 색각 이상의 한 형태인 원색약과 L-옵신이 없는 경우(원색맹) 장파장 한계에서 가시 스펙트럼을 약 30 nm 단축시킨다. M-옵신과 S-옵신에 영향을 미치는 색맹의 형태는 광도 효율 함수나 가시 스펙트럼의 한계에 크게 영향을 미치지 않는다.

 다른 정의 
실제 물리적 및 생물학적 편차와 관계없이, 한계의 정의는 표준적이지 않으며 산업에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 일부 산업은 실제적인 한계를 고려하여 보수적으로 420–680 nm를 보고할 수 있으며, 다른 산업은 심리측정학에 관심을 가지고 가장 넓은 스펙트럼을 달성하기 위해 380–750 또는 심지어 380–800 nm를 자유롭게 보고할 수 있다. NIR의 광도 효율 함수는 급격한 차단점이 아니라 지수적 감쇠를 가지므로, 1,050 nm에서의 함수의 값(또는 시각 감도)은 700 nm에서의 값보다 약 109배 약하다. 따라서 700 nm 빛보다 1,050 nm 빛을 인지하려면 훨씬 더 높은 강도가 필요하다.

 가시 스펙트럼 외부의 시각 
이상적인 실험실 조건에서 피실험자는 최소 1,064 nm까지의 적외선을 인지할 수 있다. 1,050 nm NIR 빛은 빨간색을 유발할 수 있어 L-옵신에 의한 직접 흡수를 시사하지만, 펄스형 NIR 레이저가 녹색을 유발할 수 있다는 보고도 있어 이광자 흡수가 확장된 NIR 감도를 가능하게 할 수 있음을 시사한다.

마찬가지로, 젊은 사람들은 약 310–313 nm까지의 자외선 파장을 인지할 수 있지만, 하지만 380 nm 미만의 빛 감지는 옵신에 의한 자외선 직접 흡수보다는 안구 매체의 형광 때문일 수 있다. UVA 빛이 안구 매체(수정체 및 각막)에 흡수되면 형광을 발산하여 더 낮은 에너지(더 긴 파장)로 방출될 수 있으며, 이는 다시 옵신에 흡수될 수 있다. 예를 들어, 수정체가 350 nm 빛을 흡수할 때 형광 방출 스펙트럼은 440 nm를 중심으로 한다.

 비시각적 빛 감지 
명소시 및 암소시 시스템 외에도 인간은 주 시각계에 기여하지 않는 다른 빛 감지 시스템을 가지고 있다. 예를 들어, 멜라놉신은 420–540 nm의 흡수 범위를 가지며 활동일 주기 및 기타 반사 과정을 조절한다. 멜라놉신 시스템은 이미지를 형성하지 않으므로 엄격하게 시각으로 간주되지 않으며 가시 범위에 기여하지 않는다.

 비인간 종에서의 가시광선 

가시 스펙트럼은 인간에게 보이는 것으로 정의되지만, 종마다 그 편차가 크다. 원추세포 옵신이 스펙트럼적으로 이동하여 가시 범위를 변경할 수 있을 뿐만 아니라, 인간의 3개(삼색형)에 비해 4개(사색형) 또는 2개(이색형)의 원추세포를 가진 척추동물은 각각 인간보다 더 넓거나 좁은 가시 스펙트럼을 가지는 경향이 있다.

척추동물은 일반적으로 1~4가지의 옵신 클래스를 가지고 있다:
 500–570 nm 사이의 최고 감도를 가진 장파장 민감(LWS) 옵신
 480–520 nm 사이의 최고 감도를 가진 중간파장 민감(MWS) 옵신
 415–470 nm 사이의 최고 감도를 가진 단파장 민감(SWS) 옵신
 355–435 nm 사이의 최고 감도를 가진 보라색/자외선 민감(VS/UVS) 옵신
동물의 시각 시스템을 행동적으로 테스트하는 것은 어렵기 때문에 동물의 가시 범위는 일반적으로 옵신의 최고 파장을 일반적인 인간의 옵신(S-옵신은 420 nm, L-옵신은 560 nm)과 비교하여 추정한다.

 포유류 
대부분의 포유류는 아마도 야행성 병목 현상 때문에 두 가지 옵신 클래스(LWS 및 VS)만을 유지했다. 그러나 구세계 영장류(인간 포함)는 이후 LWS 클래스에서 두 가지 버전을 진화시켜 삼색형 시각을 회복했다. 대부분의 포유류와 달리 설치류의 UVS 옵신은 더 짧은 파장에 머물러 있다. 렌즈에 UV 필터가 부족한 것과 함께 생쥐는 340 nm까지 감지할 수 있는 UVS 옵신을 가지고 있다. UV 빛이 망막에 도달하면 망막 손상을 유발할 수 있지만, 다른 포유류에 비해 생쥐의 짧은 수명은 UV 시각의 장점에 비해 이러한 단점을 최소화할 수 있다. 개는 429 nm와 555 nm에 두 개의 원추세포 옵신을 가지고 있어, 이색형임에도 불구하고 인간의 거의 전체 가시 스펙트럼을 볼 수 있다. 말은 428 nm와 539 nm에 두 개의 원추세포 옵신을 가지고 있어, 약간 더 잘린 빨간색 시야를 제공한다.

 조류 

대부분의 다른 척추동물(조류, 도마뱀, 어류 등)은 인간의 VS 옵신보다 자외선 영역으로 더 확장되는 UVS 옵신을 포함하는 사색형 시각을 유지하고 있다. 조류 UVS 옵신의 감도는 355–425 nm에서, LWS 옵신은 560–570 nm에서 크게 다르다. 이는 일부 조류가 인간과 비슷한 가시 스펙트럼을 가지고 있고, 다른 조류는 자외선에 대한 감도가 크게 확장되었음을 의미한다. 조류의 LWS 옵신은 때때로 600 nm 이상의 최고 파장을 가진다고 보고되지만, 이는 조류의 유적 필터를 포함하는 유효 최고 파장이다. LWS 옵신만의 최고 파장이 장파장 한계를 더 잘 예측한다. 조류의 UV 시각의 가능한 이점은 깃털의 성별 의존적 표식이 자외선 범위에서만 보이는 것과 관련이 있다.

 어류 

진골어류는 일반적으로 사색형이다. 어류 UVS 옵신의 감도는 347–383 nm 범위이며, LWS 옵신은 500–570 nm 범위이다. 그러나 대체 발색단을 사용하는 일부 물고기는 LWS 옵신 감도를 625 nm까지 확장할 수 있다. 금붕어만이 적외선과 자외선을 모두 볼 수 있다는 통념은 잘못되었다. 금붕어는 적외선을 볼 수 없기 때문이다.

 무척추동물 
무척추동물의 시각 시스템은 척추동물과 크게 다르므로 직접적인 비교는 어렵다. 그러나 대부분의 곤충 종에서 UV 감도가 보고되었다.
꿀벌류와 많은 다른 곤충은 자외선을 감지할 수 있는데, 이는 꽃에서 꽃꿀을 찾는 데 도움이 된다. 곤충 수분에 의존하는 식물 종은 인간에게 얼마나 다채롭게 보이는지보다는 자외선에서 어떻게 보이는지에 따라 번식 성공 여부가 결정될 수 있다. 꿀벌의 장파 한계는 약 590 nm이다. 구각목은 최대 14개의 옵신을 가지고 있으며, 300 nm 미만에서 700 nm 이상까지의 가시 범위를 가능하게 한다.

 열 감지 시각 

일부 뱀은 5~30 μm 파장의 복사열을 정확하게 "볼" 수 있는데, 방울뱀은 눈이 멀어도 먹이의 취약한 신체 부위를 정확히 노릴 수 있고, 다른 뱀들은 1미터 거리에서 따뜻한 물체를 감지할 수 있다. 또한 체온 조절과 포식자 감지에도 사용될 수 있다.Greene HW. (1992). "The ecological and behavioral context for pitviper evolution", in Campbell JA, Brodie ED Jr. Biology of the Pitvipers. Texas: Selva. .

 분광학 

분광학은 물체가 방출, 흡수 또는 반사하는 색상 스펙트럼을 기반으로 물체를 연구하는 학문이다. 가시광선 분광학은 천문학에서 중요한 도구이며(다른 파장의 천체분광학도 마찬가지), 과학자들은 이를 사용하여 먼 천체의 특성을 분석한다. 화학 원소와 작은 분자는 천체에서 방출선과 흡수선을 관찰하여 감지할 수 있다. 예를 들어, 헬륨은 태양의 스펙트럼 분석을 통해 처음 발견되었다. 스펙트럼 선의 진동수 변화는 먼 천체의 도플러 편이(적색편이 또는 청색편이)를 측정하여 관측자를 향하거나 멀어지는 속도를 결정하는 데 사용된다. 천체분광학은 고분산 회절격자를 사용하여 매우 높은 스펙트럼 해상도로 스펙트럼을 관찰한다.

 같이 보기 

 파수
 뤼드베리 공식
 파장
 태양 복사 에너지

 각주 


분류:전자기파
분류:색