Light and Color

Assist. Prof. Dr. Pisit PhokharatkulEmail: egpph@mahidol.ac.th

คลนแมเหลกไฟฟา เปนคลนชนดหนงทไมตองใชตวกลางในการเคลอนท เชน

คลนวทย คลนไมโครเวฟ ปจจบนมการใชคลนแมเหลกไฟฟาในหลาย ๆ

ดานเชน การตดตอสอสาร (มอถอ โทรทศน วทย เรดาร ใยแกวนำาแสง)

ทางการแพทย (รงสเอกซ) การทำาอาหาร (คลนไมโครเวฟ)

การควบคมรโมท (รงสอนฟราเรด)

1 .ไมตองใชตวกลางในการเคลอนท2. อตราเรวของคลนแมเหลกไฟฟาทกชนด

ในสญญากาศเทากบ 299,792,458 m/s ซงเทากบ

อตราเรวของแสง 3. เปนคลนตามขวาง

4. ถายเทพลงงานจากทหนงไปอกทหนง 5. ถกปลอยออกมาและถกดดกลนไดโดย

สสาร 6. ไมมประจไฟฟา

7. คลนสามารถแทรกสอด สะทอน หกเห และเลยวเบนได

สมบตของคลนแมเหลกไฟฟา

คลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic

Radiation)

                                                         

                                                         

ชวงรงสแกมมา (gamma ray : l < 0.1 nm) และชวงรงสเอกซ (x-ray : 0.1 nm < l < 300

nm) เปนชวงทมพลงงานสง แผรงสจากปฏกรยานวเคลยร หรอจากสารกมมนตรงส

ชวงอลตราไวโอเลต เปนชวงทมพลงงานสง เปนอนตรายตอเซลสงมชวต

ชวงคลนแสง เปนชวงคลนทตามนษยรบรได ประกอบดวยแสงสมวง ไลลงมาจนถงแสงสแดง ชวงอนฟราเรด เปนชวงคลนทมพลงงานตำา ตา

มนษยมองไมเหน จำาแนกออกเปน อนฟราเรดคลนสน และอนฟราเรดคลนความรอน Near Infrared (NIR ) ความยาวคลนจะอยในชวงระหวาง 0.7

ถง 1.5 µm. Short Wavelength Infrared (SWIR ) ความยาวคลนจะอย

ในชวงระหวาง 1.5 ถง 3 µm. Mid Wavelength Infrared (MWIR ) ความยาวคลนจะอยใน

ชวงระหวาง 3 ถง 8 µm. Long Wavelength Infrared (LWIR ) ความยาวคลนจะอยใน

ชวงระหวาง 8 ถง 15 µm. Far Infrared (FIR ) ความยาวคลนจะมากกวา 15 µm.

ชวงคลนวทย (radio wave ) เปนชวงคลนทเกดจากการสนของผลกเนองจากการไดรบ

สนามไฟฟา หรอเกดจากการสลบขวไฟฟา สำาหรบในชวงไมโครเวฟ มการใหชอเฉพาะ เชน

P band ความถอยในชวง 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm )

L band ความถอยในชวง 1 - 2 GHz (15 - 30 cm )

S band ความถอยในชวง 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm )

C band ความถอยในชวง 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm )

X band ความถอยในชวง 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm )

Ku band ความถอยในชวง 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm )

K band ความถอยในชวง 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm )

Ka band ความถอยในชวง 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm

ความยาวชวงคลนและความเขมของคลนแมเหลกไฟฟา ขนอยกบอณหภมของแหลงกำาเนดคลนแมเหลกไฟฟา เชน ดวงอาทตย มอณหภม 6,000 K จะแผพลงงานในชวงคลนแสงมากทสด วตถตางๆ บนพนโลกสวนมากจะมอณหภมประมาณ 300 K จะแผพลงงานในชวงอนฟราเรดความรอนมาก

ทสด คลนแมเหลกไฟฟาเมอเดนทางผานชนบรรยากาศ จะถกโมเลกลอากาศ และฝนละอองในอากาศดดกลน และขวางไวทำาใหคลนกระเจงคลนออกไป คลน

สวนทกระทบถกวตถจะสะทอนกลบ และเดนทางผานชนบรรยากาศมาตกสอปกรณวดคลน

เนองจากวตถตาง ๆมคณสมบตการสะทอนคลนแมเหลกไฟฟาทชวงคลนตาง ๆไมเหมอนกน ดงนนเราจงสามารถใชคลนแมเหลกไฟฟาในการสำารวจจากระยะไกลได รปตอไปนแสดงลกษณะการสะทอนแสงเปรยบเทยบระหวางวตถตางชนดกนทชวงคลนตางๆ กน ความ

สามารถในการสะทอนแสงของวตถตางๆ บนพนโลกสามารถสรปไดดงน

นำาสะทอนแสงในชวงแสงสนำาเงนไดด และดดกลนคลนในชวงอนๆ และใหสงเกตวานำาจะดดกลนคลน IR

ชวง 0.91 mm ในชวงนไดดมาก ดนสะทอนแสงในชวงคลนแสงไดดทกส

พชสะทอนแสงชวงสเขยวไดด และสะทอนชวงอนฟราเรดไดดกวานำาและดนมาก

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.

Maxwell's equations

Black Body คอ สสารทถกสมมตขนใหมคณสมบตในการดดซบและปลดปลอยพลงงานไดสมบรณ ดงนนจงทำาใหเราสามารถคำานวณคาพลงงานทถกปลดปลอยออกมาได เชนแสงอาทตยเมอทำาการวดทผวโลกจะมการปลดปลอยพลงงานใกลเคยงกบ Black body ทอณหภมประมาณ 5500K ถง 6000 K เปนตน การปลอยพลงงานนจะปลอยออกมาเปนแถบพลงงานทมความตอเนองและมรปรางเปนโคงควำาดงแสดงในกราฟการปลด

ปลอยคลนแมเหลกไฟฟาของ black body ทอณหภมตาง ๆกน

แสงธรรมชาตทมาจากดานทศเหนอ

75 00

Kหลอดไฟทงสเตนตามบาน 2800

Kหลอดฟลออเรสเซนตสำาหรบสำานกงาน

3500 K

หลอดไฟสำาหรบงานพมพ 5000 K

หลอดไฟเครองฉายชนดคารบอนอารค

5400 K

โทรทศน 6500 K

Color Science

ในสภาพปกตทวไปแสงอาทตยจะใหแสงทมสขาวเมอตกกระทบวตถทไมมการดดซบพลงงานแสงไวเลยซงเปนเหตการณในอดมคต แตในธรรมชาตวตถจะมการดดซบพลงงานในแตละชวงความถแตกตางกนออกไป จง

ทำาใหเรามองเหนวตถตาง ๆมสเกดขน เมอนำาแสงสขาวนมาทำาการแยกออกโดยอาศยคณสมบตการหกเหของคลน แสงแตละความถจะมมมหกเหตางกนเมอผาน

ตวกลาง เชน แทง prism จะทำาใหแสงสขาวกระจายออกเปนแสงสตาง ๆ

เมอพลอตกราฟเพอแสดงคาพลงงานตลอดชวงความถของ visible light จะพบวามความถบางชวงมพลงงานมากกวาความถชวงอน ๆ ความถทมพลงงาน

สงสดนเราเรยกวา dominant frequency sinv dominant wavelength

Elements of Color

                                                                          

                            

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.

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 3 D color

space

CIE Color Space

In order to achieve a representation which uses only positive mixing coefficients, the CIE ("Commission Internationale d'Eclairage") defined three new hypothetical light sources, x, y, and z, which yield positive matching curves:

                                                                                                                                

If we are given a spectrum and wish to find the corresponding X, Y, and Z quantities, we can do so by integrating the product of the spectral power and each of the three matching curves over all wavelengths. The weights X,Y,Z form the three-dimensional CIE XYZ space, as shown below.