Light and Color

1. Light and Color Assist. Prof. Dr. Pisit Phokharatkul Email: egpph@mahidol.ac.th

2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นชนิดหนึ่งที่ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นวิทยุคลื่นไมโครเวฟ ปัจจุบันมีการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในหลาย ๆด้านเช่น การติดต่อสื่อสาร (มือถือ โทรทัศน์ วิทยุ เรดาร์ ใยแก้วนำแสง) ทางการแพทย์ (รังสีเอกซ์) การทำอาหาร (คลื่นไมโครเวฟ) การควบคุมรีโมท (รังสีอินฟราเรด)

3. สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดในสุญญากาศเท่ากับ 299,792,458 m/s ซึ่งเท่ากับ อัตราเร็วของแสง 3. เป็นคลื่นตามขวาง 4. ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง 5. ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนได้โดยสสาร 6. ไม่มีประจุไฟฟ้า 7. คลื่นสามารถแทรกสอด สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้

4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation)

7. ช่วงรังสีแกมมา (gamma ray : l < 0.1 nm) และช่วงรังสีเอ็กซ์ (x-ray : 0.1 nm < l < 300 nm) เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง แผ่รังสีจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ หรือจากสารกัมมันตรังสี  ช่วงอัลตราไวโอเลต เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง เป็นอันตรายต่อเซลสิ่งมีชีวิต  ช่วงคลื่นแสง เป็นช่วงคลื่นที่ตามนุษย์รับรู้ได้ ประกอบด้วยแสงสีม่วง ไล่ลงมาจนถึงแสงสีแดง ช่วงอินฟราเรด เป็นช่วงคลื่นที่มีพลังงานต่ำ ตามนุษย์มองไม่เห็น จำแนกออกเป็น อินฟราเรดคลื่นสั้น และอินฟราเรดคลื่นความร้อน Near Infrared (NIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 0.7 ถึง 1.5 µm. Short Wavelength Infrared (SWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 1.5 ถึง 3 µm. Mid Wavelength Infrared (MWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 3 ถึง 8 µm. Long Wavelength Infrared (LWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 8 ถึง 15 µm. Far Infrared (FIR) ความยาวคลื่นจะมากกว่า 15 µm.

8. ช่วงคลื่นวิทยุ (radio wave) เป็นช่วงคลื่นที่เกิดจากการสั่นของผลึกเนื่องจากการได้รับสนามไฟฟ้า หรือเกิดจากการสลับขั้วไฟฟ้า สำหรับในช่วงไมโครเวฟ มีการให้ชื่อเฉพาะ เช่น P band ความถี่อยู่ในช่วง 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm) L band ความถี่อยู่ในช่วง 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) S band ความถี่อยู่ในช่วง 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) C band ความถี่อยู่ในช่วง 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) X band ความถี่อยู่ในช่วง 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) Ku band ความถี่อยู่ในช่วง 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) K band ความถี่อยู่ในช่วง 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) Ka band ความถี่อยู่ในช่วง 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm

9. ความยาวช่วงคลื่นและความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิ 6,000 K จะแผ่พลังงานในช่วงคลื่นแสงมากที่สุด วัตถุต่างๆ บนพื้นโลกส่วนมากจะมีอุณหภูมิประมาณ 300 K จะแผ่พลังงานในช่วงอินฟราเรดความร้อนมากที่สุด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ จะถูกโมเลกุลอากาศ และฝุ่นละอองในอากาศดูดกลืน และขวางไว้ทำให้คลื่นกระเจิงคลื่นออกไป คลื่นส่วนที่กระทบถูกวัตถุจะสะท้อนกลับ และเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศมาตกสู่อุปกรณ์วัดคลื่น

10.  เนื่องจากวัตถุต่าง ๆมีคุณสมบัติการสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ช่วงคลื่นต่าง ๆไม่เหมือนกัน ดังนั้นเราจึงสามารถใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการสำรวจจากระยะไกลได้ รูปต่อไปนี้แสดงลักษณะการสะท้อนแสงเปรียบเทียบระหว่างวัตถุต่างชนิดกันที่ช่วงคลื่นต่างๆ กัน ความสามารถในการสะท้อนแสงของวัตถุต่างๆ บนพื้นโลกสามารถสรุปได้ดังนี้  น้ำสะท้อนแสงในช่วงแสงสีน้ำเงินได้ดี และดูดกลืนคลื่นในช่วงอื่นๆ และให้สังเกตว่าน้ำจะดูดกลืนคลื่น IR ช่วง 0.91 mm ในช่วงนี้ได้ดีมาก  ดินสะท้อนแสงในช่วงคลื่นแสงได้ดีทุกสี  พืชสะท้อนแสงช่วงสีเขียวได้ดี และสะท้อนช่วงอินฟราเรดได้ดีกว่าน้ำและดินมาก

11. Wave model where v is the speed of the wave (c in a vacuum, or less in other media), f is the frequency and λ is the wavelength. Particle model where E is the energy, h is Planck's constant, and f is frequency.

12. Maxwell's equations

13. Black Bodyคือ สสารที่ถูกสมมุติขึ้นให้มีคุณสมบัติในการดูดซับและปลดปล่อยพลังงานได้สมบูรณ์ ดังนั้นจึงทำให้เราสามารถคำนวณค่าพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาได้ เช่นแสงอาทิตย์เมื่อทำการวัดที่ผิวโลกจะมีการปลดปล่อยพลังงานใกล้เคียงกับ Black body ที่อุณหภูมิประมาณ 5500 K ถึง 6000 K เป็นต้น การปล่อยพลังงานนี้จะปล่อยออกมาเป็นแถบพลังงานที่มีความต่อเนื่องและมีรูปร่างเป็นโค้งคว่ำดังแสดงในกราฟการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของ black body ที่อุณหภูมิต่าง ๆกัน

16. Color Science ในสภาพปกติทั่วไปแสงอาทิตย์จะให้แสงที่มีสีขาวเมื่อตกกระทบวัตถุที่ไม่มีการดูดซับพลังงานแสงไว้เลยซึ่งเป็นเหตุการณ์ในอุดมคติ แต่ในธรรมชาติวัตถุจะมีการดูดซับพลังงานในแต่ละช่วงความถี่แตกต่างกันออกไป จึงทำให้เรามองเห็นวัตถุต่าง ๆมีสีเกิดขึ้น เมื่อนำแสงสีขาวนี้มาทำการแยกออกโดยอาศัยคุณสมบัติการหักเหของคลื่น แสงแต่ละความถี่จะมีมุมหักเหต่างกันเมื่อผ่านตัวกลาง เช่น แท่ง prism จะทำให้แสงสีขาวกระจายออกเป็นแสงสีต่าง ๆ เมื่อพลอตกราฟเพื่อแสดงค่าพลังงานตลอดช่วงความถี่ของ visible light จะพบว่ามีความถี่บางช่วงมีพลังงานมากกว่าความถี่ช่วงอื่น ๆ ความถี่ที่มีพลังงานสูงสุดนี้เราเรียกว่า dominant frequency sinv dominant wavelength

17. Elements of Color

19. The Eye The photosensitive part of the eye is called the retina. The retina is largely composed of two types of cells, called rods and cones. Only the cones are responsible for color perception.

24. Color Algebra  S = P, means spectrum S and spectrum P are perceived as the same color  if (S = P) then (N + S = N + P)  if (S = P) then aS = aP, for scalar a  It is meaningful to write linear combinations of colors T = aA + bB Color perception is three-dimensional, any color C can be constructed as the superposition of three primaries: C = rR + gG + bB Focus on "unit brightness" colors, for which r+g+b=1, these lie on a plane in 3D color space

27. CIE Color Space