白い壁に赤・緑・青のライトを同時に当て、その前に手を置くと、黒い影ではなく、シアン・マゼンタ・黄色などの色つきの影が現れます。
なぜ、影なのに色がつくのでしょうか。
結論からいうと、影の場所では「光が全部なくなる」のではなく、赤・緑・青のうち一部の光だけが物体に遮られ、残った色の光が加法混色して目に届くからです。
赤・緑・青の三つの光を適切な強さで重ねると白く見えます。そこから青だけを遮れば赤と緑が残って黄色に、緑だけを遮れば赤と青が残ってマゼンタに、赤だけを遮れば緑と青が残ってシアンに見えます。
この記事では、色つきの影ができる仕組みを、光の三原色、加法混色、影の重なり、光源の位置と強さという観点から説明します。
まず、影は「光が完全にゼロの場所」とは限らない
一つの白色光だけを使う場合、物体の後ろではその光が遮られるため、影は暗く見えます。
しかし複数の光源がある場合、ある一つの光源が遮られても、別の光源からの光は影の領域へ届くことがあります。
そのため、影の明るさや色は「何個の光源が遮られたか」と「残った光が何色か」で決まります。
色つきの影では、この「残った光の色」が重要です。
赤・緑・青はなぜ光の三原色なのか
人の明所視では、L・M・Sという三種類の錐体が色覚の入口になります。
そのため、赤・緑・青に対応する三つの光成分の強さを組み合わせることで、非常に広い範囲の色を再現できます。
色光の混色では、光を重ねるほど明るくなり、赤・緑・青を適切な比率で重ねると白く見えます。
この混色を加法混色と呼びます。
J-STAGEの物理教育資料でも、赤・緑・青のLEDを使い、色光の三原色の重ね合わせと加法混色を観察する教材が紹介されています。
赤・緑・青を重ねると白く見えるのはなぜか
赤・緑・青の光が白いスクリーン上の同じ場所を照らしているとします。
三つの光が適切な強度で重なると、三種類の錐体がバランスよく刺激され、私たちはその光を白と感じます。
光の三原色の基本関係は、概念的に
赤 + 緑 + 青 = 白
と表せます。
Physics Classroomも、赤・緑・青の光を適切な強さで加えると白色光になると説明しています。
青い光だけを遮るとなぜ黄色い影になるのか
赤・緑・青の三つのライトが同じ白い面を照らしているとします。
物体が青いライトから来る光だけを遮り、赤と緑はその場所へ届いている場合、影の領域には赤と緑の光が残ります。
赤と緑の光を加えると黄色に見えるため、影は黄色になります。
つまり黄色い影は「黄色い光が新しく発生した」のではなく、白を作っていた三色のうち青だけが欠け、赤と緑だけが残った結果です。
緑を遮るとマゼンタ、赤を遮るとシアンになる
同じ考え方で、
- 緑を遮る → 赤 + 青 = マゼンタ
- 赤を遮る → 緑 + 青 = シアン
- 青を遮る → 赤 + 緑 = 黄色
となります。
ExploratoriumのColored Shadowsでも、赤・緑・青の三つのスポットライトを白い壁へ当て、どれか一色が遮られると、残った二色の加法混色によって補色の影が見えると説明されています。
なぜ影の色は遮られた光の色と反対側の色になるのか
赤を遮るとシアン、緑を遮るとマゼンタ、青を遮ると黄色になります。
これらは、それぞれ赤・緑・青の補色関係です。
白色を赤・緑・青の合成と考えると、そこから一つの成分を取り除いた残りが補色になります。
たとえば、
白 − 赤 = 緑 + 青 = シアン
と考えられます。
したがって、色つき影の色は「遮られた色の反対側の色」になりやすいのです。
影が重なるとさらに色が変わる
物体が二つのライトを同時に遮る領域では、残る光は一色だけになります。
たとえば赤と青が遮られ、緑だけが届く場所は緑の影になります。
同様に、
- 赤と緑が遮られる → 青だけが残る
- 赤と青が遮られる → 緑だけが残る
- 緑と青が遮られる → 赤だけが残る
となります。
さらに三つの光すべてが遮られる場所では、届く光がほとんどなくなるため黒い影になります。
なぜ一つの物体から複数の影ができるのか
赤・緑・青のライトは、通常それぞれ少し異なる位置に置かれます。
そのため、一つの物体でも各光源から見た投影方向が異なり、スクリーン上には位置のずれた三つの影ができます。
それぞれの影は「どの光源が遮られた領域か」を表します。
この三つの影が部分的に重なることで、シアン・マゼンタ・黄色・赤・緑・青・黒といった複数の色領域が現れます。
光源の位置が近いとどうなるのか
三つの光源を互いに近づけると、それぞれが作る影の位置も近くなります。
影が大きく重なれば、二色または三色の光が同時に遮られる領域が増えます。
反対に光源を離すと、三つの影の位置も離れ、それぞれの補色影が分かれて見えやすくなります。
つまり、色つき影の模様は光の色だけでなく、光源の配置によっても大きく変化します。
光源の強さが同じでないと影の色はどうなるのか
理想的に赤・緑・青の光が同じような明るさで混ざれば、背景は白に近くなります。
しかし実際には、LEDやランプごとに明るさが異なることがあります。
たとえば赤が強すぎれば、三色が重なる背景も赤みを帯びます。
その状態で青を遮って赤と緑だけが残っても、理想的な黄色ではなく、赤寄りの橙色に見える場合があります。
色つき影の正確な色は、各光源のスペクトルと強度の比に依存します。
赤・緑・青が単色でなくても色つき影はできるのか
できます。
厳密な単色光でなくても、互いに異なる色の光源が複数あれば、一部の光源だけが遮られることで色つきの影を作れます。
ただし、光源のスペクトルが広かったり重なりが大きかったりすると、影の色は理想的なシアン・マゼンタ・黄色からずれることがあります。
RGBのLEDは、三原色の組み合わせをわかりやすく観察できるため、教育実験によく使われます。
白いスクリーンが使われるのはなぜか
白い面は、可視光の広い波長範囲を比較的よく反射します。
そのため、赤・緑・青のどの光が当たっても、それぞれの光を観察者へ返しやすく、混色結果を素直に観察できます。
スクリーン自体が赤や青などの色を持っていると、当たった光の一部を吸収するため、影の色も変化します。
色つき影をきれいに見るには、白または中立的な明るい面が適しています。
黒い壁では色つき影が見えにくいのはなぜか
黒い面は入射した可視光の多くを吸収し、観察者へ返す光が少なくなります。
そのため、赤・緑・青の光を当てても反射光が弱く、影と照明部分の色差を観察しにくくなります。
影を見るには、光が遮られた場所だけでなく、遮られていない場所から十分な反射光が目へ届く必要があります。
なぜこれは「絵の具の混色」と逆に見えるのか
色光の混色は加法混色です。
光を足すほど錐体への刺激が増え、赤・緑・青を十分に重ねると白に近づきます。
一方、絵の具やインクでは、色料が特定波長を吸収します。
色料を混ぜるほど吸収される波長が増えるため、一般に暗い色へ近づきます。これを減法混色と呼びます。
色つき影は「光を混ぜる現象」なので、絵の具ではなく加法混色で考える必要があります。
影が色づくのに、物体自体の色は必要なのか
必要ありません。
不透明な黒い板でも白い手でも、赤・緑・青の各光源を適切に遮れば色つき影はできます。
重要なのは物体の色よりも、どの光源からの光がどの領域で遮られるかです。
ただし半透明物体の場合は、光が一部透過するため、影の色や明るさが複雑になります。
透明な色フィルターでできる「色の影」とは何が違うのか
透明な赤色フィルターでは、材料そのものが波長ごとに透過率を変え、赤を多く通して青や緑を強く減らします。
そのため、その後ろにできる色は材料の選択透過によって決まります。
一方、赤・緑・青の複数光源でできる色つき影では、物体が特定波長を選んで吸収する必要はありません。
どの光源が幾何学的に遮られ、どの色光が残るかによって影の色が決まります。
つまり、前者は材料の波長選択、後者は複数光源の遮蔽と加法混色です。
なぜ夕方の影はこのRGB実験のような鮮やかな色にならないのか
日常の屋外では、太陽光、青空からの散乱光、建物や地面からの反射光など、非常に多くの方向とスペクトルの光が同時に存在します。
そのため、影の領域にもさまざまな光が入り込み、RGB実験のように「赤だけ遮る」「青だけ遮る」という単純な条件にはなりません。
屋外の影がわずかに青く見えることはありますが、それは青空からの散乱光が影へ届くことなどが関係します。
舞台照明でも同じ原理を使えるのか
使えます。
舞台で異なる色のライトを複数方向から当てると、出演者や大道具がそれぞれの光を遮り、床や背景に色つき影を作ることがあります。
照明デザインでは、光源の色・位置・強さを組み合わせることで、影まで含めた色彩効果を作れます。
Physics Classroomでも、RGBの光源を用いたColored Shadowsの実験を、加法混色と色の欠落を学ぶ教材として扱っています。
ディスプレイのRGBと色つき影は同じ考え方なのか
基本となる加法混色の考え方は同じです。
ディスプレイでは、赤・緑・青の小さな発光素子の強さを調整してさまざまな色を作ります。
色つき影では、三つの光源のうちどれが残るかによって色が決まります。
つまりディスプレイは「三色の強度を能動的に調整する」のに対し、色つき影は「物体による遮蔽で一部の色を取り除く」という違いがあります。
実験ではどんな配置にすると観察しやすいのか
赤・緑・青の三つのLEDライトを少し横にずらして並べ、白い壁やスクリーンの同じ領域へ重ねて当てます。
背景が白に近く見えるよう、三つの光の強さを調整します。
その手前に手や不透明な物体を置くと、三つの影が少しずれて現れます。
光源と物体、スクリーンの距離を変えると影の重なり方も変化するため、補色影や三原色の影を観察しやすくなります。
既存の影の記事とは何が違うのか
影の大きさやぼやけ方の記事では、光源の大きさ、物体との距離、投影面までの距離など、影の幾何学的な形を扱っています。
また、透明・半透明・不透明な物体の影の記事では、材料の透過・吸収・散乱によって影の濃さや色がどう変わるかを扱っています。
本記事では、赤・緑・青という複数の色光を同時に使ったとき、一部の光源だけが遮られることで、残った光が加法混色して影そのものが色づく理由に焦点を限定しています。
まとめ
赤・緑・青の光を当てると影に色がつくのは、影の領域でもすべての光が消えるとは限らず、一部の色光が残って加法混色するためです。
- 赤・緑・青の光を適切に重ねると白く見える
- 青を遮ると赤と緑が残り、黄色い影になる
- 緑を遮ると赤と青が残り、マゼンタの影になる
- 赤を遮ると緑と青が残り、シアンの影になる
- 二つの光を遮ると、残った一色の影になる
- 三つすべてを遮ると黒い影になる
- 影の位置や重なり方は光源の配置で変わる
- 影の正確な色は各光源のスペクトルと強さにも依存する
つまり、色つき影は「影そのものに色がある」のではなく、白を作っていた複数の色光のうち一部だけが欠け、残りの光が目に届いた結果として色が見えているのです。
関連記事
参考資料
- 長谷川誠「LEDを利用した光の三原色実験セットの製作と授業実践」物理教育
- 菅野直敏「加法混色」知能と情報
- The Physics Classroom: Color Subtraction / Colored Shadows
- Exploratorium: Colored Shadows
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