Espectro visible

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 llama luz visible (o simplemente luz). El espectro óptico a veces se considera lo mismo que el espectro visible, pero algunos autores definen el término de manera más amplia, para incluir también las partes ultravioleta e infrarroja del espectro electromagnético, conocidas colectivamente como radiación óptica . ^{[1] [2]}

Un ojo humano típico responderá a longitudes de onda de entre 380 y 750 nanómetros . ^[3] En términos de frecuencia, esto corresponde a una banda cercana a los 400–790  terahercios . Estos límites no están claramente definidos y pueden variar según el individuo. ^[4] En condiciones óptimas, estos límites de la 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 insaturados , como el rosa , o las variaciones del violeta , como el magenta , por ejemplo, no están presentes porque solo pueden formarse a partir de una mezcla de múltiples longitudes de onda. Los colores que contienen solo una longitud de onda también se denominan colores puros o colores espectrales . ^{[8] [9]}

Las longitudes de onda visibles pasan en gran parte sin atenuación a través de la atmósfera terrestre 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 luz roja, y por eso el cielo del mediodía parece azul (aparte del área alrededor del Sol que parece blanca porque la luz no se dispersa tanto). La ventana óptica también se conoce como la "ventana visible" porque se superpone al espectro de respuesta visible humano. La ventana del infrarrojo cercano (NIR) se encuentra justo fuera de la visión humana, así como la ventana del infrarrojo de longitud de onda media (MWIR) y la ventana de longitud de onda larga o infrarrojo lejano (LWIR o FIR), aunque otros animales pueden percibirlas. ^{[2] [4]}

Color	Longitud de onda ( nm )	Frecuencia ( THz )	Energía del fotón ( eV )
violeta	380–450	670–790	2,75–3,26
azul	450–485	620–670	2,56–2,75
cian	485–500	600–620	2,48–2,56
verde	500–565	530–600	2.19–2.48
amarillo	565–590	510–530	2.10–2.19
naranja	590–625	480–510	1,98–2,10
rojo	625–750	400–480	1,65–1,98

Los colores que pueden producirse mediante la luz visible de una banda estrecha de longitudes de onda ( luz monocromática ) se denominan colores espectrales puros . Las distintas gamas de colores indicadas en la ilustración son una aproximación: el espectro es continuo, sin límites claros entre un color y el siguiente. ^[10]

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 cristal. ^[11]

En el siglo XVII, Isaac Newton descubrió que los prismas podían desmontar y volver a montar la luz blanca, y describió el fenómeno en su libro Opticks . Fue el primero en utilizar la palabra espectro ( del latín "apariencia" o "aparición") en este sentido en forma impresa en 1671 al describir sus experimentos en óptica . Newton observó que, cuando un haz estrecho de luz solar incide en la cara de un prisma de vidrio en un ángulo, parte se refleja y parte del haz pasa dentro y a través del vidrio, emergiendo como bandas de diferentes colores. Newton planteó la hipótesis de que la luz estaba formada por "corpúsculos" (partículas) de diferentes colores, y que los diferentes colores de la luz se movían a diferentes velocidades en la materia transparente; la luz roja se movía más rápidamente que la violeta en el vidrio. El resultado es que la luz roja se dobla ( refracta ) menos bruscamente que la violeta al pasar a través del prisma, creando un espectro de colores.

Newton dividió originalmente el espectro en seis colores con nombre: rojo , naranja , amarillo , verde , azul y violeta . Más tarde agregó el índigo como el séptimo color porque creía que siete era un número perfecto, tal como lo describían los antiguos sofistas griegos , que creían que existía una conexión entre los colores, las notas musicales, los objetos conocidos en el Sistema Solar y los días de la semana. ^[12] El ojo humano es relativamente insensible a las frecuencias del índigo, y algunas personas que tienen una 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 quería decir con "índigo" y "azul" no corresponde a los significados modernos de esas palabras de color. La comparación de la observación de Newton de los colores prismáticos con una imagen en color del espectro de luz visible muestra que el "índigo" corresponde a lo que hoy se llama 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 óptica fantasmal , al igual que Schopenhauer en Sobre la visión y los colores . Goethe sostuvo que el espectro continuo era un fenómeno compuesto. Mientras que Newton estrechó el haz de luz para aislar el fenómeno, Goethe observó que una apertura más amplia no produce un espectro sino más bien bordes de color amarillo rojizo 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 de espectro visible se volvió más definido, cuando 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]

A principios del siglo XIX, Thomas Young y Hermann von Helmholtz exploraron la relación entre el espectro visible y la visión del color . Su teoría de la visión del color proponía correctamente que el ojo utiliza tres receptores distintos para percibir el color.

El espectro visible está limitado 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 está limitada por la transmisión a través del cristalino . La insensibilidad a la luz IR está limitada por las funciones de sensibilidad espectral de las opsinas visuales. El rango se define psicométricamente por la función de eficiencia luminosa , que explica todos estos factores. En los humanos, existe una función separada para cada uno de los dos sistemas visuales, uno para la visión fotópica , utilizada a la luz del día, que está mediada por células cónicas , y uno para la visión escotópica , utilizada en luz tenue, que está mediada por células bastón . Cada una de estas funciones tiene diferentes rangos visibles. Sin embargo, la discusión sobre el rango visible generalmente asume la visión fotópica.

El rango visible de la mayoría de los animales evolucionó para coincidir con la ventana óptica , que es el rango de luz que puede pasar a través de la atmósfera. La capa de ozono absorbe casi toda la luz ultravioleta (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 ).

Antes de llegar a la retina , la luz debe transmitirse primero 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 la cianopsia .

Cada opsina tiene una función de sensibilidad espectral , que define la probabilidad de que absorba un fotón de cada longitud de onda. La función de eficiencia luminosa es aproximadamente la superposición de las opsinas visuales contribuyentes . Por lo tanto, la variación en la posición de las funciones de sensibilidad espectral de las opsinas individuales afecta la función de eficiencia luminosa y el rango visible. Por ejemplo, el límite de onda larga (rojo) cambia proporcionalmente a la posición de la L-opsina. Las posiciones se definen por la longitud de onda pico (longitud de onda de mayor sensibilidad), por lo que, como la longitud de onda pico azul de la L-opsina se desplaza 10 nm, el límite de onda larga del espectro visible también se desplaza 10 nm. Grandes desviaciones de la longitud de onda pico de la L-opsina conducen a una forma de daltonismo llamada protanomalía y una L-opsina faltante ( protanopía ) acorta el espectro visible en unos 30 nm en el límite de onda larga. Las formas de daltonismo que afectan a la M-opsina y la S-opsina no afectan significativamente a la función de eficiencia luminosa ni a los límites del espectro visible.

Independientemente de la variación física y biológica real, la definición de los límites no es estándar y cambiará según la industria. Por ejemplo, algunas industrias pueden estar preocupadas por los límites prácticos, por lo que informarían de manera conservadora 420-680 nm, ^{[21] [22]} mientras que otras pueden estar preocupadas por la psicometría y lograr el espectro más amplio informarían liberalmente 380-750, o incluso 380-800 nm. ^{[23] [24]} La función de eficiencia luminosa en el NIR no tiene un límite estricto, sino más bien una disminución exponencial, de modo que el valor de la función (o sensibilidad de visión) a 1050 nm es aproximadamente 10 ⁹ veces más débil que a 700 nm; por lo tanto, se requiere una intensidad mucho mayor para percibir la luz de 1050 nm que la de 700 nm. ^[25]

En condiciones ideales de laboratorio, los sujetos pueden percibir luz infrarroja hasta al menos 1.064 nm. ^[25] Si bien la luz NIR de 1.050 nm puede evocar rojo, lo que sugiere una absorción directa por la L-opsina, también hay informes de que los láseres NIR pulsados ​​pueden evocar verde, lo que sugiere que la absorción de dos fotones puede permitir una sensibilidad NIR extendida. ^[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 del medio ocular, en lugar de a la absorción directa de luz UV por las opsinas. A medida que la luz UVA es absorbida por el medio ocular (cristalino y córnea), puede fluorescer y liberarse a una energía menor (longitud de onda más larga) 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]

Además de los sistemas fotópico y escotópico, los humanos tenemos 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 reflexivos. ^[30] Dado que el sistema de la melanopsina no forma imágenes, no se considera estrictamente visión y no contribuye al rango visible.

El espectro visible se define como el que es visible para los humanos, pero la variación entre especies es grande. No sólo las opsinas cónicas pueden desplazarse espectralmente para alterar el rango visible, sino que los vertebrados con 4 conos (tetracromáticos) o 2 conos (dicromáticos) en relación con los 3 de los humanos (tricromáticos) también tenderán a tener un espectro visible más amplio o más estrecho que el de los humanos, respectivamente.

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

• Sensible a ondas largas (LWS) con una sensibilidad máxima entre 500 y 570 nm.
• sensible a la onda media (MWS) con una sensibilidad máxima entre 480 y 520 nm,
• sensible a ondas cortas (SWS) con una sensibilidad máxima entre 415 y 470 nm, y
• Sensible a la luz violeta/ultravioleta (VS/UVS) con una sensibilidad máxima entre 355 y 435 nm.

Probar el comportamiento de los sistemas visuales de los animales es difícil, por lo que el rango visible de los animales generalmente se estima comparando las longitudes de onda máximas de las opsinas con las de los humanos típicos (S-opsina a 420 nm y L-opsina a 560 nm).

La mayoría de los mamíferos han conservado sólo dos clases de opsinas (LWS y VS), probablemente debido al cuello de botella nocturno . Sin embargo, los primates del viejo mundo (incluidos los humanos) han desarrollado desde entonces dos versiones de la clase LWS para recuperar la tricromacia. ^[19] A diferencia de la mayoría de los mamíferos, las opsinas UVS de los roedores se han mantenido en longitudes de onda más cortas. Junto con su falta de filtros UV en el cristalino, los ratones tienen una opsina UVS que puede detectar hasta 340 nm. Si bien permitir que la luz UV llegue a la retina puede provocar daños en la retina, la corta vida de los ratones en comparación con otros mamíferos puede minimizar esta desventaja en relación con la ventaja de la visión UV. ^[31] Los perros tienen dos opsinas de cono a 429 nm y 555 nm, por lo que ven casi todo el espectro visible de los humanos, a pesar de ser dicromáticos. ^[32] Los caballos tienen dos opsinas de cono a 428 nm y 539 nm, lo que produce una visión roja ligeramente más truncada. ^[33]

La mayoría de los demás vertebrados (pájaros, lagartos, peces, etc.) han conservado su tetracromatismo , incluidas las opsinas UVS que se extienden más allá del ultravioleta que la opsina VS de los humanos. ^[19] La sensibilidad de las opsinas UVS aviares varía mucho, de 355 a 425 nm, y las opsinas LWS de 560 a 570 nm. ^[34] Esto se traduce en algunas aves con un espectro visible a la par con los humanos, y otras aves con una sensibilidad mucho más amplia a la luz ultravioleta. A veces se informa que la opsina LWS de las aves tiene una longitud de onda máxima por encima de los 600 nm, pero esta es una longitud de onda máxima efectiva que incorpora el filtro de las gotitas de aceite aviar . ^[34] La longitud de onda máxima de la opsina LWS por sí sola es el mejor predictor del límite de onda larga. Un posible beneficio de la visión ultravioleta aviar implica marcas dependientes del sexo en su plumaje que son visibles solo en el rango ultravioleta. ^{[35] [36]}

Los teleósteos (peces óseos) son generalmente tetracromáticos. La sensibilidad de las opsinas UVS de los peces varía de 347 a 383 nm, y la de las opsinas LWS de 500 a 570 nm. ^[37] Sin embargo, algunos peces que utilizan cromóforos alternativos pueden extender su sensibilidad a las opsinas LWS a 625 nm. ^[37] La ​​creencia popular de que el pez dorado común es el único animal que puede ver tanto la luz infrarroja como la ultravioleta ^[38] es incorrecta, porque los peces dorados no pueden ver la luz infrarroja. ^[39]

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 ultravioleta 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 el néctar en las flores. Las especies de plantas que dependen de la polinización por insectos pueden deber su éxito reproductivo a su apariencia en la luz ultravioleta en lugar de a lo coloridas que parecen a los humanos. El límite de onda larga de las abejas está en unos 590 nm. ^[41] El camarón mantis exhibe hasta 14 opsinas, lo que permite un rango visible de menos de 300 nm a más de 700 nm. ^[19]

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 el órgano pueden detectar cuerpos cálidos a un metro de distancia. ^[44] También puede usarse en la termorregulación y la detección de depredadores . ^{[45] [46]}

La espectroscopia es el estudio de los objetos en función 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 se pueden detectar en objetos astronómicos observando líneas de emisión y líneas de 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 para determinar sus velocidades hacia o desde el observador. La espectroscopia astronómica utiliza rejillas de difracción de alta dispersión para observar espectros a resoluciones espectrales muy altas.

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Definición del color índigo

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