Introduction to the Primary Colors

光の3原色は、ヒトの視覚の基礎となる赤、緑、青とされています。ヒトの目による色の処理方法、可視光スペクトル、加法混色の原色と減法混色の原色の違い、実世界での応用について説明します。

原色とは何か

太陽からの光は、ほぼ途切れることのない電磁放射線のスペクトルで構成されており、ほとんどのエネルギーは220～3,200ナノメートル長の波長に集中しています。2,000ナノメートルより長い光波（赤外波長）の大半は、地球の大気を通過する際に二酸化炭素、水蒸気、オゾンに吸収されるため、地上にはほとんど届きません。短い紫外波はオゾン層でも吸収されます。大気によるフィルター効果で、地上に届く光波のスペクトルの波長は320～2,000ナノメートルに制限されます。

ヒトの目は400～700ナノメートル範囲の波長にある狭帯域の電磁放射線に対して敏感です。可視光スペクトルといい、色の源はここに限定されます。可視光内に存在する波長をすべて合わせた場合、全スペクトル分布のうち地球の大気を通過できる3分の1が無色の白色光を形成します。白色光はプリズムを使用して構成要素の色に屈折、分光できます。赤、緑、青色は、ヒトの視覚の基礎となることから従来より原色とされています。

加法混色の原色

目の網膜の中心小窩にある錐体細胞光受容体（図1参照）は、特殊な色素タンパク質で調整されて、3つの領域（赤、緑、青色）内に分散される波長に対応します。可視光スペクトルのすべての色（紫から赤まで）は、3原色を加法または減法でさまざまに組み合わせて作ることができます。3種の錐体細胞が、赤、緑、青色の同量の光を同時に受けると、ヒトは光を白色として認識します。3色を加えると白色光になることから、赤、緑、青色は加法混色の原色と呼ばれます。

ヒトの目による色の見方

錐体細胞の1、2種類のみが刺激を受けた場合、認識される色の範囲は制限されます。例えば、緑色の光の狭帯域（540～550ナノメートル）ですべての錐体細胞を刺激した場合、緑色の光受容体を持つ錐体細胞のみが反応して、緑色を見る信号を生成します。加法混色の原色以外の色（黄色など）に対するヒトの視覚は、次の2つの方法のいずれかにより生じます。赤と緑の錐体細胞が、波長が580ナノメートルの単色の黄色で同時に刺激を受けた場合、この領域の可視光スペクトルでは吸収スペクトルの重複がほぼ同じであるため、どちらの受容体もほとんど同じ反応をします。同じ色の信号を生成するには、赤と緑の錐体細胞それぞれを、受容体の吸収スペクトルがほとんど重複しない領域から選んだ赤と緑の波長の混合で刺激します。メカニズムは違えども、どちらの場合も赤と緑の錐体細胞を同時に刺激すると、黄色の信号が生成されます。その他の色を知覚するには、1、2、または3種類のすべての錐体細胞を、適切な波長幅で度合いを変えて刺激する必要があります。

補色

同じ分量の緑と青の光を合わせると、シアンという色になります。同様に、同じ分量の緑と赤の光は黄色になり、同じ分量の赤と青の光はマゼンタになります。シアン、マゼンタ、黄色は、それぞれ白色光と合わせると原色の1つを補完するため、一般的に補色と呼ばれます。黄色（赤と緑）は青の補色です。青にこの2色を合わせると白色光が生成されるためです。同様に、シアン（緑と青）は赤の補色、マゼンタ（赤と青）は緑の光の補色です。

減法混色の原色

補色（シアン、黄色、マゼンタ）は、白色光から加法混色の原色（赤、緑、青）のいずれかを減じて作り出せるため、減法混色の原色ともいいます。例えば、黄色は白色光から青い光を除くと得られ、マゼンタは緑を、シアンは赤をそれぞれ除くと形成されます。白色光から原色を減じると色が得られるのは、脳が残りの色を合わせて補色（減法混色）を生成するためです。図2は、加法混色と減法混色それぞれの原色を重ね合わせた色の円を示したものです。重なり合った領域は、これらの6つの原色を組み合わせて加えたり減じたりして作られた新しい色を示し、加法混色と減法混色の原色が互いに補完し合う様子も示しています。

減法混色の原色のいずれか2色を合わせると、加法混色の原色になります。例えば、マゼンタとシアンを合わせると青になり、黄色とマゼンタを合わせると赤になります。同様に、黄色とシアンを合わせると緑になります（図2を参照）。減法混色の3原色をすべて合わせると、白色光から加法混色の3原色が除かれて黒色になります（どの色もない状態）。減法混色の原色のどれを組み合わせても、白色にはなりません。色の付いた塗料やインクを混ぜて白色を印刷できないのはこのためです。

色の加法と減法

色の加法と減法のわかりやすい例としては、太陽が昇り、頭上を通って沈む中で見られる太陽光の色の変化です。太陽光の色は、空気の分子密度の変化に伴う光子の衝突によって色の一部が除かれるため、地球の大気を通過する際に変化します。昼近くや午後早い時間に太陽が空の高い位置にあるとき、光は黄色く見えます。太陽が地平線に近付くにつれて、光は大気中を長く移動する必要があり、オレンジ色から赤色へと変わります。空気によって太陽の青色光が徐々に吸収されていくためで、可視光スペクトルの赤色の領域にある長い波長のみが残ります。

照明による色の変化

図3に示す一連の写真は、トランプ（ハートの3）、ピーマン、青紫色のブドウを黒い背景に重ねた画像です。左端の写真（図3（a））では、3つの被写体が白色光に照らされて、自然光で見るのと同じように見えます。2番目の写真（図3（b））では、被写体が赤色光に照らされています。トランプが、当たっている赤色光すべてを反射している一方で、ブドウの茎と、ブドウとピーマンの白いハイライトのみは赤色光を反射しています。ブドウとピーマンに当たっている赤色光のほとんどは吸収されています。

3番目の写真（図3（c））は、緑色光に照らされている被写体を示しています。トランプの記号は黒くなり、カード本体は緑色光を反射しています。ブドウは緑色光の一部を反射していますが、ピーマンは正常に見えます（しかし緑が強調されています）。4番目の写真（図3（d））は、青色の照明下の被写体を示しています。ブドウの房は青が強調され正常に見えますが、茎は黒く見えなくなっています。トランプは青色光を反射して記号が黒くなっており、ピーマンはハイライトのみが青色光を反射しています。一連の画像は、（例えば白色光で）赤く見える被写体は青と緑の波長を吸収しますが、スペクトルの赤色領域にある波長を反射することを示しています。被写体は赤く見えます。

色相、彩度、明度

ヒトの目はごくわずかな色の違いにも敏感で、800～1,200万通りの色合いを見分けることができるとされています。ほとんどの色には、可視光スペクトルの全波長の何割かが含まれています。実際に色と色とを隔てるものは、ある色に含まれる波長の分布です。主な波長の幅によって、紫、青緑、ベージュ、ピンク、オレンジ色などの色の基本的な色相が決まります。他の波長に対する主波長の割合によって、サンプルの彩度と、淡く見えるか深く飽和して見えるかが決まります。撮像対象物の色と反射性の強さによって、色の明度が決まります（ダークブルーとライトブルーなど）。下のマンセルカラーツリーで、各色がツリーの異なる位置で分かりやすく表されています（図4を参照）。色相の値は円周上の位置、彩度は中心軸からの色の水平距離、明度は中心軸上の垂直位置で表されます。

色の減法

コンピューターやテレビの画面で見られる透過可視光の加法・減法に関して、可視光の性質を中心に詳しく取り上げます。しかし、実際に見ているもののほとんどは、他の人々、建物、自動車、景色など、私たちの周りにある物体から反射される光です。物体自体が光を作り出すことはありませんが、色の減法プロセスによって色を発します。プロセスでは、光の特定の波長が減じられ（吸収され）、それ以外が反射されます（図3を参照）。例えば、緑色の葉が自然の太陽光の下で緑色に見えるのは、葉が緑色の波長を反射し、その他すべての色を吸収しているためです。反射された緑色光の色相、明度、彩度は、反射された波長の正確なスペクトルによって決まります。

実世界の原色

顔料や染料は、実世界で見られる色のほとんどを表現しています。目、肌、髪の毛には、（化粧や染毛剤による色の補助に加えて）周囲にいる人々が思い描く色を反射する天然タンパク質色素が含まれています。書籍、雑誌、標識、看板は、色の減法プロセスによって色を作り出すカラーインクで印刷されています。同様に、自動車、飛行機、家、その他の建造物は、さまざまな色素を含む塗料で塗装されています。前述した色の減法の概念は、今挙げた材料で作られるほとんどの色の基本となっています。長年にわたり、芸術家や印刷工は、特定の色の減法に優れた染料や色素を含む物質を探し求めてきました。

原色を使用した印刷

すべてのカラー写真や、塗装や印刷が施された画像は、たった4色（マゼンタ、シアン、黄色（減法混色の原色）、黒）のインクや染料でできています（図5を参照）。さまざまな割合で色を混ぜたインクや染料は、ほぼすべての画像や色の再現に必要な色を作り出すことができます。減法混色の3原色は（理論上では）単独で使用できますが、ほとんどの染料や色素には制約があるため、真の色調を再現するには黒を加える必要があります。書籍や雑誌の印刷用に画像を準備する場合、上の図5に示すように、まず写真またはコンピューターで減法混色の構成要素に分離します。分離された各構成要素は、色の印刷版の作成に使用するフィルムになります。最終的な画像は、適切なインクを使用して各色版を重ねて連続印刷し、元の外観を再現する合成画像を形成することで作り出します。塗装も同じような方法で行われます。減法混色の原色を含む基本色素を混ぜ合わせて、最終的な塗装前処理に使用する各色を作り出します。

顕微鏡とカメラでの原色の使用

加法混色と減法混色の原色に関するさまざまな側面について詳しく取り上げました。顕微鏡でカラー画像を見たり撮影したりする場合、加法混色と減法混色の原色の概念は非常に重要です。顕微鏡の光源装置は、光源の種類によって3200 K～5500 Kに集中可能な色温度の明るい光を照射できます。こういった光は観察者には白色光として見え、顕微鏡ステージ上の標本によって吸収、回折、反射、偏光、透過されます。原色の法則は、標本が顕微鏡光とどのように相互作用し、接眼レンズで標本を覗いたときにどの色で表されるかという点に当てはまります。この法則は、従来型のカメラシステムのフィルムや、顕微鏡に装着するデジタルイメージング機器にも該当します。どちらの場合も、取得する画像は原色間の相互関係によって決まります。