被誤解的輻射-可見光

可見光可以說是日常生活中最容易「看見」的輻射了,記得國中時有次理化老師在課堂上問大家:「可見光是一種什麼?」,那時候老師是想要讓大家意識到可見光也是一種能量形式。而再延伸一步來說,可見光也是種不用介質的能量形式,也是一種輻射。

可見光也是一種電磁輻射
和其他常被提起的輻射一樣,可見光也是一種由電場與磁場波動形成的輻射,只是這個波段剛好可以被人眼看見,所以稱作可見光。可見光波段的波長較無線電波短(頻率較高)、較游離輻射長(頻率較低),與無線電波與游離輻射的交界處則分別有紅外線與紫外線。

無線電波(長波 – 中波 – 短波 – 微波) – 紅外線 – 可見光(紅 — 紫) – 紫外線 – 游離輻射(X射線 – γ射線)

可見光是一種能量
要說明這件事,以前最常講的例子就是底片感光,光線照射到底片後,所帶的能量會使底片上的感光塗料產生很輕微的化學變化,經過藥劑沖洗後始影像顯現、保存。而現在底片攝影除了少數玩家外,已經很難在日常生活中見到,僅剩下如某些印刷製版、牙科X光片(但那不是可見光波段)等特殊場合應用。手機/數位相機的感光元件、人眼的視網膜,則是將可見光的能量轉換成電子訊號與神經傳導訊號;而接觸到過強的光線,就相當於短時間內接受到過大的能量,可能造成感光元件或視網膜損傷。

藍色.紫色
也許有些人會發現在拍照、印刷時,某些藍色、紫色是最容易產生偏差的顏色。這件事得從「紫色」其實有兩種開始說起,紅橙黃綠藍靛紫光譜中藍色光後面(波長較短)的紫色英文為violet(所以紫外線叫UV,ultra violet),由紅光與藍光混在一起的紫色/桃紅色英文為purple。對人類紅、綠、藍(RGB)三原色位主的視覺來說,violet與purple的波長不同,但看起來卻是相似的。而相機感光元件、顯示器、影像資料格式等也都是以紅、綠、藍三原色去設計的,拍照/擷取影像時遇到波長小於藍色的靛(人看起來是深藍色)、紫(violet)時,就要使用藍色、紅色與整體亮度的組合模擬人眼看到的感覺,而有了產生偏差的可能性。
而印刷/列印時則是以顏料調色的紅、黃、藍三原色加上黑色(CMYK)為主,將拍攝時以RGB擷取的影像轉換成CMYK、顏料與紙張在混色時的反應狀況等過程,也都有可能是偏差來源。有些追捷品質的相片列印設備會細分為六色以提供較為細膩的混色,大量印刷或特殊應用場合在追求品質的情況下則有可能另外調出合適的顏料。
至於印刷品或其他人造物品有沒有可能包含violet那種紫色?當然有可能,這就表示其表面會反射波長比藍色光還要短的光線,這樣的物件就很有可能在自然(太陽)光下與在不同人造光源下看起來顏色有差異。

色溫與演色性
說到拍照,也有些人會想到「白平衡」,一個白色的物體,在不同的環境光源下,看起來可能不同;也連帶使得拍照時合適的曝光參數不同,甚至是人眼與大腦對影像修正的程度也會不同。拍照時的白平衡調整,可以讓相機以較合適地曝光參數正確擷取人眼所看到的感覺,或是呈現不同的影像效果。這些差異來自於環境光線的光譜分布,光譜分布衍生而來的就是「色溫」與「演色性」兩種指標。
「色溫」應該是日常生活中較為常見的,選購燈具、調整顯示器設定值都會接觸到。標示色溫的K值其實就是絕對溫度的那個K,代表一個黑體在對應的絕對溫度時發出的黑體輻射波長分布(例如鎢絲加熱發光、金屬燒紅/融化時發出的光)。以可見光光譜來說,色溫較低的光線大部分波長分布在波長較長的區間,看起來比較偏黃/篇紅;相較起來色溫較高的光線會往波長較短的區間分布,看起來比較白,甚至偏藍。一般認為色溫較低的光線會給人溫暖的感覺,而色溫高的光線則有較為冷冰的感覺。
「演色性」(color rendering index,又稱演色性指數)則是比較少被注意的,它表示的則是光譜的波長分布與自然(太陽)光的近似程度。太陽光的光譜分布非常廣,包含了整個可見光區間,因此一件物品在太陽光下可以看到其最飽滿的顏色;而人造光源的波長分布牽涉到發光的原理與設計,往往沒有太陽光那麼廣泛,如前段所述,可能會影響物品看起來的顏色。一些研究認為演色性差的光源容易造成視覺疲勞,因此基於視力保健,閱讀、書寫、起居空間應該選擇演色性佳的光源。
近來有些場合為了減少能源消耗,選擇色溫較高的燈具,認為能夠以同樣或較少的耗電量,給人一種較亮的錯覺。但如果選了色溫高、演色性較差(光譜分布較窄確實也有可能比較省電)的光源,除了美觀、拍照時色彩不夠飽和外,長時間對視力保健也可能有不良影響,在需要閱讀或長時間停留的場合需要特別注意。

人眼的「可見光」
人類所定義的可見光是正常的人眼所能見到的波長範圍,波長較長、較短又同時具有光線特性的則分別定義為紅外線、紫外線。但其實不同動物能看到的波長範圍不盡相同,例如多數的鳥類與昆蟲可以看到部分的紫外線區段、蛇可以看到部分的紅外線區段、部分毛小孩對某些家中夜視攝影機發出的紅外線有反應等。此外,因為對光譜、波長的處理方式不同,所以不同物種在視覺上對顏色的感知也不盡相同。
在人造設備方面,紅外線的應用還頗為廣泛,除了夜視攝影外,近來有許多具有體感、人臉辨識功能的電子產品,甚至是汽車的輔助駕駛偵測、3D建模掃描,也會用到紅外線波段。投射特定波長的紅外線並偵測反射強度,可以較清楚地判斷人臉或身體的輪廓,也能描繪出周圍環境物件的輪廓。

看得更廣,也許就可以少點恐懼
拜COVID-19疫情之賜,許多公共場所入口都裝了量測體溫用的熱像儀。熱像儀的原理是感測有溫度的物體會發出的紅外線波長範圍,再根據不同溫度給予不同的顏色,組合成影像。算是將人類可見的波長延伸的一種方式,如果我們能將可以「看」見的波長範圍延伸得更廣,或許就能減少對於「輻射」的過度恐懼。

量測體溫的紅外線熱像設備,影像處理設備/顯示螢幕與攝影機

試想如果無線電波段、游離輻射波段的輻射,也都可以轉換成影像,就有機會讓更多人了解到基地台、高壓電塔或變電所、核能電廠或核廢料儲存設施其實沒有那麼恐怖。超過紅外線、紫外線範圍的波段,主要的難處是不具有可見光的特性、難以使用鏡頭捕捉。但是透過其他感測方式並經過計算,仍然可以勾勒出在環境中分布狀況的影像,例如雷達、電信業者常用的場強測量工具,就是透過儀器量測與定位,產生環境中的場強分布影像。在一些檢測或科學研究領域(包含天文觀測),也有一些量測X射線、gamma射線並產生影像的應用案例。
這就好比火,我們看得到、感受得到溫度,自然就知道怎麼避開。無線電波段與游離輻射雖然無法直接看見,但是在充分了解且有適當的規範下,也一樣能夠享有其益處,同時也避免受到傷害,知識就是我們最好的工具。

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