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). A veces se considera que el espectro óptico es el 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. [1]
Un ojo humano típico responderá a longitudes de onda de aproximadamente 380 a aproximadamente 750 nanómetros . [2] En términos de frecuencia, esto corresponde a una banda cercana a 400-790 terahercios . Estos límites no están claramente definidos y pueden variar según el individuo. [3] En condiciones óptimas, estos límites de la percepción humana pueden extenderse a 310 nm (ultravioleta) y 1100 nm (infrarrojo cercano). [4] [5] [6]
El espectro no contiene todos los colores que el sistema visual humano puede distinguir. Los colores no saturados como el rosa o las variantes violetas como el magenta , por ejemplo, están ausentes porque sólo pueden formarse a partir de una mezcla de múltiples longitudes de onda. Los colores que contienen una sola longitud de onda también se denominan colores puros o colores espectrales . [7]
Las longitudes de onda visibles pasan en gran medida sin atenuaciones 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 más la luz azul que la roja, por lo que el cielo del mediodía aparece azul (aparte del área alrededor del Sol que aparece 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 humano. La ventana de infrarrojo cercano (NIR) se encuentra justo fuera de la visión humana, así como la ventana de 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.
Los colores que pueden producirse con 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. [8]
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. [9]
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 ( en latín , "aparición" 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 ángulo en la cara de un prisma de vidrio, una parte se refleja y otra parte del haz pasa hacia el interior 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 luz se movían a diferentes velocidades en la materia transparente, mientras que la luz roja se movía más rápidamente que la violeta en el vidrio. El resultado es que la luz roja se desvía ( refracta ) menos bruscamente que la violeta cuando pasa a través del prisma, creando un espectro de colores.
Newton originalmente dividió 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 según lo derivaban los antiguos sofistas griegos , de que existía una conexión entre los colores, las notas musicales, los objetos conocidos del Sistema Solar y los días de la semana. [10] El ojo humano es relativamente insensible a las frecuencias del índigo, y algunas personas que por lo demás tienen buena visión no pueden distinguir el índigo del azul y el violeta. Por esta razón, algunos comentaristas posteriores, incluido Isaac Asimov , [11] 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 quiso 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 . [12] [13] [14]
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 argumentó 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 bordes amarillo rojizo y azul cian con blanco entre ellos. El espectro aparece sólo cuando estos bordes están lo suficientemente cerca como para superponerse.
A principios del siglo XIX, el concepto de espectro visible se volvió más definido, a medida que William Herschel ( infrarrojo ) y Johann Wilhelm Ritter ( ultravioleta ), Thomas Young , Thomas Johann Seebeck y otros descubrieron y caracterizaron la luz fuera del rango visible . [15] Young fue el primero en medir las longitudes de onda de diferentes colores de luz, en 1802. [16]
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.
El espectro visible se limita a longitudes de onda que pueden llegar a la retina y desencadenar la fototransducción visual (excitar una opsina visual ). La insensibilidad a la luz ultravioleta generalmente está limitada por la transmisión a través de la lente . La insensibilidad a la luz IR está limitada por las funciones de sensibilidad espectral de las opsinas visuales. El alcance se define psicométricamente mediante la función de eficiencia luminosa , que tiene en cuenta todos estos factores. En los seres 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 otro para la visión escotópica , utilizada con luz tenue, que está mediada por células bastoncillos . Cada una de estas funciones tiene diferentes rangos visibles. Sin embargo, la discusión sobre el rango visible generalmente supone una 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 atravesar la atmósfera. La capa de ozono absorbe casi toda la luz ultravioleta (por debajo de 315 nm). [17] Sin embargo, esto sólo 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 primero debe transmitirse a través de la córnea y el cristalino . La luz UVB (< 315 nm) se filtra principalmente por la córnea y la luz UVA (315 a 400 nm) se filtra principalmente por el cristalino. [18] La lente también se vuelve amarilla con la edad, atenuando la transmisión más fuertemente en la parte azul del espectro. [18] Esto puede causar xantopsia , así como un ligero truncamiento del límite de onda corta (azul) del espectro visible. A los sujetos con afaquia les falta un cristalino, por lo que la luz UVA puede llegar a la retina y excitar las opsinas visuales; esto amplía el rango visible y también puede provocar 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 opsina 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 están definidas por la longitud de onda máxima (longitud de onda de mayor sensibilidad), de modo que cuando la longitud de onda máxima de la opsina L se desplaza hacia el azul en 10 nm, el límite de onda larga del espectro visible también se desplaza 10 nm. Las grandes desviaciones de la longitud de onda máxima de la L-opsina conducen a una forma de daltonismo llamada protanomalía y la falta de L-opsina ( protanopia ) acorta el espectro visible en aproximadamente 30 nm en el límite de la onda larga. Las formas de daltonismo que afectan a la opsina M y la opsina S no afectan significativamente la función de eficiencia luminosa ni 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 entre 420 y 680 nm, [19] [20] mientras que otras pueden estar preocupadas por la psicometría y lograr el espectro más amplio informarían liberalmente entre 380 y 750, o incluso entre 380 y 380 nm. 800 nm. [21] [22] La función de eficiencia luminosa en el NIR no tiene un límite estricto, sino más bien una caída 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 una luz de 1.050 nm que una luz de 700 nm. [23]
En condiciones ideales de laboratorio, los sujetos pueden percibir luz infrarroja hasta al menos 1.064 nm. [23] Si bien la luz NIR de 1.050 nm puede evocar el rojo, lo que sugiere una absorción directa por la L-opsina, también hay informes de que los láseres NIR pulsados pueden evocar el verde, lo que sugiere que la absorción de dos fotones puede estar permitiendo una sensibilidad NIR extendida. [23]
De manera similar, los sujetos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta de hasta aproximadamente 310 a 313 nm, [24] [25] [26] 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 la luz ultravioleta por las opsinas. A medida que la luz UVA es absorbida por los medios oculares (lente y córnea), puede emitir fluorescencia y liberarse con una energía más baja (longitud de onda más larga) que luego puede ser absorbida por las opsinas. Por ejemplo, cuando la lente absorbe luz de 350 nm, el espectro de emisión de fluorescencia se centra en 440 nm. [27]
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 reflejos. [28] Dado que el sistema de melanopsina no forma imágenes, no se considera estrictamente visión y no contribuye al rango visible.
El espectro visible se define como el visible para los humanos, pero la variación entre especies es grande. Las opsinas de los conos no solo 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 (tricromáticos) de los humanos también tenderán a tener un espectro visible más amplio o más estrecho que los humanos. respectivamente.
Los vertebrados tienden a tener de 1 a 4 clases de opsinas diferentes: [17]
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 (opsina S a 420 nm y opsina L 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 en la clase LWS para recuperar la tricromacia. [17] A diferencia de la mayoría de los mamíferos, las opsinas UVS de los roedores se han mantenido en longitudes de onda más cortas. Además de la falta de filtros UV en la lente, los ratones tienen una opsina UVS que puede detectar hasta 340 nm. Si bien permitir que la luz ultravioleta llegue a la retina puede provocar daños en la retina, la corta vida útil de los ratones en comparación con otros mamíferos puede minimizar esta desventaja en relación con la ventaja de la visión ultravioleta. [29] 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. [30] Los caballos tienen dos opsinas de cono a 428 nm y 539 nm, lo que produce una visión roja ligeramente más truncada. [31]
La mayoría de los demás vertebrados (aves, lagartos, peces, etc.) han conservado su tetracromacia , incluidas las opsinas UVS que se extienden más hacia el ultravioleta que las opsinas VS de los humanos. [17] La sensibilidad de las opsinas UVS aviares varía mucho, de 355 a 425 nm, y de las opsinas LWS de 560 a 570 nm. [32] Esto se traduce en algunas aves con un espectro visible a la par del de los humanos, y otras aves con una sensibilidad mucho mayor a la luz ultravioleta. A veces se informa que la opsina LWS de las aves tiene una longitud de onda máxima superior a 600 nm, pero esta es una longitud de onda máxima efectiva que incorpora el filtro de gotas de aceite de las aves . [32] 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 de las aves implica las marcas dependientes del sexo en su plumaje que son visibles sólo en el rango ultravioleta. [33] [34]
Los teleósteos (peces óseos) son generalmente tetracromáticos. La sensibilidad de las opsinas UVS de peces varía de 347 a 383 nm, y de las opsinas LWS de 500 a 570 nm. [35] Sin embargo, algunos peces que utilizan cromóforos alternativos pueden extender su sensibilidad a la opsina LWS a 625 nm. [35] La creencia popular de que el pez dorado común es el único animal que puede ver tanto la luz infrarroja como la ultravioleta [36] es incorrecta, porque los peces dorados no pueden ver la luz infrarroja. [37]
Los sistemas visuales de los invertebrados se desvían 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. [38] 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 de insectos pueden deber su éxito reproductivo a su apariencia en la luz ultravioleta más que a su colorido a los ojos de los humanos. El límite de onda larga de las abejas está a unos 590 nm. [39] El camarón mantis exhibe hasta 14 opsinas, lo que permite un rango visible de menos de 300 nm a más de 700 nm. [17]
Algunas serpientes pueden "ver" [40] 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, [41] y otras serpientes con el órgano puede detectar cuerpos calientes a un metro de distancia. [42] También puede usarse en termorregulación y detección de depredadores . [43] [44]
La espectroscopia es el estudio de 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 los objetos astronómicos observando las líneas de emisión y las líneas de absorción . Por ejemplo, el helio se detectó por primera vez mediante el análisis del espectro del Sol . El cambio de frecuencia de las líneas espectrales se utiliza para medir el desplazamiento Doppler ( desplazamiento al rojo o al azul ) de objetos distantes para determinar sus velocidades hacia o alejándose del observador. La espectroscopia astronómica utiliza rejillas de difracción de alta dispersión para observar espectros a resoluciones espectrales muy altas.
prisma de tocino roger.
La radiación por debajo de 320 nm [ultravioleta (UV)A] es filtrada en gran medida por la capa de ozono en la atmósfera superior de la Tierra y, por lo tanto, no está disponible para el sistema visual.
Se midió la sensibilidad foveal a varias longitudes de onda del láser del infrarrojo cercano.
Se descubrió que el ojo podía responder a la radiación en longitudes de onda de al menos 1.064 nm.
Una fuente láser continua de 1.064 nm apareció en rojo, pero una fuente láser pulsada de 1.060 nm apareció en verde, lo que sugiere la presencia de una segunda generación armónica en la retina.
Los límites del rango general de sensibilidad del ojo se extienden desde aproximadamente 310 a 1.050 nanómetros.
Normalmente el ojo humano responde a rayos de luz de 390 a 760 nm. Esto puede ampliarse a un rango de 310 a 1.050 nm en condiciones artificiales.