【可见光范围】是什么？
可见光范围，顾名思义，是指人眼能够感知到的电磁波谱的一部分。它是构成我们日常所见世界色彩的基础。本质上，它是一种电磁辐射，与无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线和伽马射线同属电磁波谱，但位于一个非常狭窄的波长区间内。
它属于电磁波谱的哪个部分？
电磁波谱是一个连续的、按波长或频率排列的电磁辐射家族。可见光范围紧邻着波长较长的红外线（Infrared, IR）和波长较短的紫外线（Ultraviolet, UV）之间。在这个巨大的频谱中，可见光仅仅占据了非常微小的一段。
【可见光范围】是多少？
描述可见光范围最常用的参数是波长。这个范围并不是一个绝对固定的数值，因为不同人的感知能力略有差异，且定义上也可能略有出入。然而，普遍接受的大约范围是：
可见光的波长范围
可见光的波长通常被界定在 **约400纳米 (nm) 到 约780纳米 (nm)** 之间。
- 1纳米 = 10-9米。这个尺度非常微小。
将波长转换为频率（频率 = 光速 / 波长），可见光的频率范围大约是：
可见光的频率范围
对应的频率范围大约是 **约400太赫兹 (THz) 到 约790太赫兹 (THz)**。
- 1太赫兹 = 1012赫兹。这表示每秒振动次数非常高。
不同颜色对应的波长范围是多少？
可见光范围内的不同波长对应着我们感知到的不同颜色。这是一个连续的光谱，但我们可以将其大致划分为几个我们熟悉的颜色区域：
- 紫光 (Violet): 约400 – 440 nm
- 靛蓝光 (Indigo): 约440 – 460 nm
- 蓝光 (Blue): 约460 – 500 nm
- 绿光 (Green): 约500 – 570 nm
- 黄光 (Yellow): 约570 – 590 nm
- 橙光 (Orange): 约590 – 620 nm
- 红光 (Red): 约620 – 780 nm
这个顺序通常缩写为“红橙黄绿蓝靛紫”或其英文缩写“ROYGBIV”。这些颜色之间没有明确的界限，它们是平滑过渡的。当所有这些波长的光以适当的比例混合时，我们感知到的是白光。
【可见光范围】为什么我们能看到它？
我们之所以能够看到可见光，是由于人眼的生物结构经过亿万年的进化，特别适应了感知这个特定波长范围的电磁波。这个范围的光具有几个关键特性，使其成为视觉感知的理想载体。
为什么人眼只感知这个范围的光？
这主要与地球环境和太阳辐射有关：
- 太阳辐射：太阳是我们最重要的自然光源，它发出的电磁波在可见光波段具有最高的强度。也就是说，太阳光的大部分能量集中在我们所见的这个范围内。
- 大气层透射：地球的大气层对不同波长的电磁波有不同的吸收和散射能力。大气层对于可见光范围的光相对透明，允许它们穿透并到达地表。而紫外线大部分被臭氧层吸收，红外线和微波则会被水蒸气和二氧化碳吸收。因此，对位于可见光范围的光进行感知，使得生物能够高效利用到达地表的太阳光信息。
为什么不同的波长对应不同的颜色？
不同的波长对应不同的颜色是光的一种基本物理属性。当光进入人眼后，会被视网膜上的感光细胞（主要是视锥细胞）接收。人眼有三种主要的视锥细胞，它们对不同波长的光具有不同的敏感度峰值，大致对应于红光、绿光和蓝光。当不同波长的光刺激这些细胞时，它们会产生不同强度的电信号，这些信号被传输到大脑进行处理，大脑再将这些信号解释为不同的颜色感觉。例如，波长约为650nm的光主要强烈刺激“红”视锥细胞，大脑就将其解读为红色。波长约为550nm的光则主要刺激“绿”视锥细胞，被解读为绿色。混合刺激产生中间颜色。
为什么会出现彩虹？
彩虹是可见光色散的自然现象。当太阳光（白光，包含所有可见光波长）穿过空气中的水滴时，会发生折射和反射。不同波长的光在穿过水滴时，其折射的角度略有不同（光的折射率与波长有关）。短波长的光（如紫光）比长波长的光（如红光）弯曲得更厉害。这种波长分离的现象称为色散。水滴就像微小的棱镜，将太阳光分解成其组成颜色，形成一个从内到外按紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红顺序排列的光谱带，这就是我们看到的彩虹。
【可见光范围】在哪里可以找到和利用？
哪里是可见光的自然来源？
可见光最主要、最强大的自然来源是恒星，例如我们的太阳。太阳通过核聚变产生巨大的能量，其中一部分以电磁波的形式辐射出来，可见光是其中能量最集中的部分。
其他自然来源包括：
- 火焰：物质燃烧时，高温会使其发出可见光（白炽）。
- 闪电：大气放电产生的高温等离子体发出强烈的可见光。
- 某些生物：一些生物体通过生物发光产生可见光，如萤火虫、某些深海鱼类和真菌。
在哪里可以找到和利用可见光？（应用）
可见光在人类活动和自然界中无处不在，扮演着极其重要的角色：
- 视觉与照明：这是最直接的应用。我们依靠可见光来感知周围环境。各种照明设备（白炽灯、荧光灯、LED灯）都旨在产生可见光，为我们提供照明。
- 植物光合作用：植物、藻类和一些细菌利用可见光（特别是红光和蓝光区域）的能量将二氧化碳和水转化为有机物和氧气，这是地球生命的基础过程。
- 显示技术：电视、电脑屏幕、手机屏幕等各种显示设备都是通过精确控制不同颜色（通常是红、绿、蓝三原色）的可见光发射来形成图像的。
- 光学仪器：显微镜、望远镜、照相机等仪器都利用可见光的特性来放大、聚焦、记录图像。
- 通信：虽然长距离光纤通信更多使用近红外光，但可见光也被用于短距离通信，例如室内可见光通信（VLC），也称为Li-Fi，利用LED灯的快速闪烁来传输数据。
- 医学：可见光疗法用于治疗某些皮肤病（如黄疸），某些可见光波段也用于诊断和手术。
- 艺术与色彩：绘画、摄影、设计等领域都高度依赖于对可见光的理解和运用，以创造视觉效果和表达情感。
【可见光范围】如何被人眼感知？
人眼感知可见光是一个复杂而精妙的生理过程：
- 光线进入眼睛：可见光通过角膜、瞳孔、晶状体，最终聚焦到眼球后部的视网膜上。
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光电转换：视网膜包含两类主要的感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。
- 视杆细胞：对光线非常敏感，即使在弱光下也能工作，主要负责感知光的强度（亮度）和运动，但不区分颜色。
- 视锥细胞：在较亮的光线下工作，负责感知颜色和精细细节。人眼通常有三种类型的视锥细胞，它们分别对红光、绿光和蓝光最敏感（尽管它们的敏感范围有重叠）。
当光子击中这些感光细胞时，会引发一系列的化学反应，将光能转换为电信号。
- 信号传递：这些电信号通过视网膜内的神经元（如双极细胞、神经节细胞）进行处理和整合。
- 信息传输到大脑：视网膜神经节细胞的轴突汇集成视神经，将电信号传输到大脑的视觉皮层。
- 大脑解释：大脑对接收到的电信号进行复杂的处理和分析，结合来自不同视锥细胞的信号比例，最终构建出我们对颜色、亮度、形状和运动的感知。
正是视锥细胞对可见光范围内不同波长的敏感性差异，使得我们能够区分和感知丰富多彩的世界。
【可见光范围】物体如何呈现颜色？
物体之所以呈现不同的颜色，并不是因为物体本身发出特定颜色的光（除非它是光源），而是因为它与照射到其表面的可见光发生了相互作用。这种相互作用主要包括吸收、反射和透射。
物体的颜色是如何形成的？
大多数物体的颜色取决于它们如何吸收和反射（或透射）到达它们表面的可见光中的不同波长：
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不透明物体：当白光（包含所有可见光波长）照射到一个不透明物体表面时，物体表面的分子会吸收某些波长的光，而反射或散射其余的波长的光。我们眼睛感知到的颜色就是被反射或散射的那些波长的光。
- 例如，一个红色的物体吸收了除红色波长以外的大部分可见光，而将红色波长的光反射到我们的眼睛里。
- 一个蓝色的物体吸收了除蓝色波长以外的大部分可见光，而将蓝色波长的光反射出来。
- 一个白色的物体几乎反射了所有波长的可见光，所以我们看到它是白色的。
- 一个黑色的物体几乎吸收了所有波长的可见光，没有光反射到眼睛里，所以我们看到它是黑色的。
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透明或半透明物体：对于玻璃、水或彩色滤光片等透明或半透明物体，颜色取决于它们吸收和透射不同波长的光的能力。我们看到的颜色是透射穿过物体的那些波长的光。
- 例如，一块红色滤光片吸收了除红色以外的大部分波长的光，只允许红色波长的光透过。
因此，物体的颜色并非其固有属性，而是它与照射光的相互作用以及我们眼睛和大脑对反射/透射光的感知结果。在不同颜色的光源下观察同一物体，其呈现的颜色可能会有所不同，正是因为照射光的波长组成发生了变化。
【可见光范围】如何测量？
测量可见光可以从不同维度进行：
如何测量可见光的强度或亮度？
衡量可见光到达某一表面的强度，通常使用光度学单位，如勒克斯 (lux) 或流明 (lumen) 每平方米。测量这些值可以使用照度计（Light Meter）。照度计内部的光电探测器经过特殊设计，其对不同波长的敏感度模拟人眼的视觉响应曲线（V(λ)曲线），确保测量结果与人眼的亮度感知相符。
如何分析可见光的波长组成？
要了解可见光具体包含哪些波长的光及其相对强度，可以使用分光计（Spectrometer）或光谱仪（Spectroscope）。这些仪器利用棱镜或衍射光栅等元件将入射的可见光分解成其组成波长，并将这些波长或频率信息记录下来，形成光谱图。通过分析光谱图，可以确定光源的类型、物体的反射或透射特性等。例如，分析星光的光谱可以得知其化学成分和温度。
总之，可见光范围虽然只是电磁波谱中极小的一部分，但它却是构建我们视觉世界的基础，涉及物理、生物、化学等多个领域，并在自然界和人类技术中发挥着不可替代的作用。深入理解可见光范围及其特性，有助于我们更好地认识我们所居住的世界，并不断拓展其在各个领域的应用。
