LED はオレンジ色の大統領を生み出すのか?

白熱電球を覚えていますか？効率が5%未満と恐ろしく低いため、白熱電球はほぼ廃止されてきました。白熱電球は消費電力によって60ワットや100ワットなどに分類されますが、その電力のほとんどは光ではなく熱エネルギーに変換されます。もちろん、昔のイージーベイクオーブンのように何かを温めたい場合には、白熱電球は最適です。

幸いなことに、代替品はあります。かつては電球型蛍光灯が主流でしたが、その強い光に購入者から不満の声が上がりました。今ではほとんどの人がLEDを使用しています。LEDは従来の電球よりもはるかに効率が高く、光の質も電球型蛍光灯（CFL）より優れていますが、誰もが気に入るわけではありません。例えば、トランプ大統領は、この最新式の照明のせいで自分がオレンジ色に見えると言っています。彼の言う通りなのでしょうか？さあ、調べてみましょう。

光を作る2つの方法

これらの異なる照明の仕組みを簡単におさらいしましょう。白熱電球は、最もシンプルな照明です。基本的には、ガラス容器に入ったタングステン線です。この線に電流を流すと、熱くなり、白熱灯のように光ります。この線が空気に触れると、燃えて壊れてしまいます。そのため、電球の中に閉じ込められているのです。しかし、問題はそれだけです。白熱電球は温度に応じて光るため、消費するエネルギーのほとんどが熱として失われてしまうのです。

さて、LED、つまり発光ダイオードについてです。（私はよく「LEDライト」と言いますが、これは冗長な表現だと認めます。）LEDは固体デバイスを使って光を作り出します。半導体材料には電子のエネルギーギャップがあり、このギャップに電流が流れると、特定の波長、つまり特定の色の光が生成されます。これは少し単純化しすぎていますが、今のところはこれで十分です。

では、白色光はどうやって作るのでしょうか？2つの方法があります。1つ目は、赤、緑、青の3つのLEDを使う方法です。これらを組み合わせると白色光が得られます（詳細は後述）。2つ目は、蛍光塗料でコーティングした紫外線LEDを作る方法です。紫外線は塗料中の電子を励起し、様々な色の光を生み出します。これは昔ながらの蛍光灯の仕組みですが、紫外線は励起ガスではなくLEDによって生成される点が異なります。

LEDが普通の白熱電球と比べてどれほど優れているか、2枚の写真をご覧ください。上の写真は普通のカメラで撮影したもので、それぞれの電球がどれだけの可視光を放射しているかを示しています。ほぼ同じです。下の写真は赤外線カメラで撮影した熱画像です。

4つのLEDライトがあり、上は通常の点灯で表示され、下2つは反転点灯で表示されます。

どちらもほぼ同じ量の光エネルギーを生み出しているのがわかりますが、白熱電球（左）の方がはるかに多くの熱エネルギーを発生します。LEDも電圧を制御する回路基板内で熱くなりますが、それでも白熱電球の方がはるかに熱くなります。これらの電球を電力計に接続したところ、白熱電球は63ワット、LEDはわずか6.5ワットでした。

色の由来

では、色はどうでしょうか？まずは基本的な考え方から始めましょう。まず、物はどのように見えるのでしょうか？実は、物を見るには2つの方法があります。電球自体が見える場合、電球から発せられる光の一部が目に当たるからです。他のほとんどの物の場合、光は物体に反射し、その反射光が目に入ります。光源がなければ、光は目に反射せず、すべてが黒く見えます。これが暗闇、つまり光がない状態です。

太陽の光のような白色光はどうでしょうか？白色光は様々な色が混ざり合っているので白く見えます。虹にもこれらの色が見られます。太陽光が球状の水滴に入射すると、光の波長（人間には異なる色として認識されます）がそれぞれ異なる量で屈折します。すると虹が現れるのです。

可視スペクトルについて話すとき、私たちはしばしば色を赤、オレンジ、黄、緑、青、紫に分類します。実際には、赤と紫の間には無限の色相があります。しかし、私たちの目の仕組みのおかげで、私たちが見るすべての色は、赤、緑、青の光をさまざまな割合で混ぜ合わせるだけで作り出すことができます。例えば、赤と青の光を同じ強度で混ぜ合わせると、マゼンタ色になります。

PhETシミュレーションの素晴らしいアプレットをご紹介します。遊んでいて楽しいです。3つのライトの強度を変えて、どんな色になるか確認できます。

はい、巨大な葉っぱですね。でも、要点は伝わると思います。この緑の葉に赤い光だけを当てても、何も反射しません。葉は黒く見えるでしょう。つまり、物体を照らす光の種類が、私たちが感じる色に影響を与えるのです。

光が色に与える影響

さあ、データの準備はできていますか？これからやることを説明します。緑、黄、赤、濃い赤、ピンク、青、水色と、様々な色が描かれたディスクを用意します。これは実は、色の組み合わせによって白が作られる様子（回転する様子）を示す物理実験の一部です。

次に、異なる光でこれを照らし、見た目の色を測定します。測定にはスマートフォンを使います。このカメラは基本的に、3つの異なるセンサー（赤、緑、青）で画像から光を集め、それぞれの色、つまり画像の1ピクセルの色をデジタル値として出力します。測定方法は様々ですが、私はColorPickerというアプリを使いました。測定したい色（下の例では濃い青の部分）に十字線を合わせると、RGB値（0～255）が表示されます。アプリの画面はこんな感じです。

これで、LEDと白熱灯の照明の見た目の色を比較できるようになりました。これからやろうとしていることは、ちょっと突飛かもしれませんが、3次元ベクトル（x,y,zではなくRGB値）として扱うことです。各色の測定値をベクトルで表せば、ある基準値からの角度偏差を計算できます。

そこで、天井の照明からの測定値を「標準」とみなすとします。（確かに、自然光を使用した方が良かったかもしれませんが、その時は屋内にいました。）他の照明を使用すると、そのベクトルの色はわずかに異なる角度になります。

これが私の得た結果です。これは、2つの照明（LEDと白熱灯）の角度偏差を、通常の天井照明と比較したグラフです。

これは何を意味するのでしょうか？この2つのライトにはほとんど違いがありません。全く。

しかし、実際に違いを生む光はどうでしょうか？もし緑色の光だったらどうでしょうか？赤色のパッチは赤色の光だけを反射するので、この場合は黒く見えます。同じカラーホイールを、赤色、緑色、青色の光だけで見ると、こんな感じになります。

for color wheels in different lighting the first being red the second being green the third being blue and the last...

はい、緑色の光の下では、赤い部分は確かにほとんど黒く見えます。完全な赤ではないので、完全な黒ではありません。また、人間の目は時々錯覚することがあります。何かを別の色の隣に置いたとき、私たちは必ずしも実際の色を認識できるとは限りません。

では、オレンジはどうでしょうか？光によってオレンジ色に見えるのはなぜでしょうか？オレンジ色のRGB値は(255,165,0)です。つまり、赤がすべて含まれ、緑が半分ほど含まれ、青は含まれていないということです。青が含まれない光を使うと、物体は青を反射せず、オレンジ色に近くなります（ただし、必ずしもオレンジ色になるとは限りません）。

オレンジ色を避けたいなら、青をたくさん使えばいいんです。白熱電球は青色光が多すぎることでは知られていません。青色光を増やすものがあるってご存知ですか？そうです、色温度調整可能なLEDです。動画撮影用に作られていて、なかなか良いんです。ライトのノブを回すだけで色が変わるんです。普通の白熱電球で試してみて下さい。

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