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2026年1月26日月曜日

ケミカルライトが光る原理と仕組み

ケミカルライトとは

 コンサートやパーティーなどで使われるケミカルライト(Chemical Light)。最近はいろいろな色のものが手に入るようになりました。ケミカルライトは化学発光(化学ルミネセンス)によるライトの総称です。サイリューム、シアリウム、ルミカライトなどと呼ばれる場合もありますが、これらは登録商標です。

光の三原色のケミカルライト
光の三原色のケミカルライト

ルミネセンスとは

 物質は原子からできています。原子はプラスの電気をもつ原子核とマイナスの電気をもつ電子からできています。通常、原子は原子核と電子の電荷がつり合った安定したエネルギー状態を維持しています。このとき電子のエネルギー状態は安定した基底状態にあります。原子が外部から何らかのエネルギーによる刺激を受けると、電子のエネルギー状態が高くなり励起状態となります。励起状態となった電子は直ちに安定した基底状態に戻ります。このとき電子は励起状態と基底状態の差分のエネルギーを放出します。この差分のエネルギーが可視光線のエネルギーに相当するとき目に見える光が出てきます。このような発光現象をルミネセンスといいます。ルミネセンスは電子を励起状態にする刺激をつけて区別します。例えば、蛍光灯のように電気エネルギーを使うものはエレクトロルミネセンス、ケミカルライトのように化学反応で生じたエネルギーを使うものはケミカルルミネセンス、ホタルのように生物によるものはバイオルミネセンスと呼ばれます。光を当てると蛍光を出す塗料は、光を刺激に使っているのでフォトルミネッセンスと呼ばれます。

ルミネセンスの原理:励起状態となった電子は直ちに安定した基底状態に戻る。このとき電子は励起状態と基底状態の差分のエネルギーを放出する。
ルミネセンスの基本原理

 ケミカルライト以外に有名なケミカルルミネセンスとしてはルミノール反応が知られています。またホタルなどの生物発光も化学発光の一種です。ルミノール反応の原理と仕組みについては次のページを参照してください。

反応機構

 ケミカルライトのスティックの中には2つの液体が別々に入っていて、スティックを折ることによって混合します。片方の液体は光のエネルギーの元になるシュウ酸ジフェニルと蛍光色素(dye)と反応を進めるための物質(触媒)の混合物です。もう片方の液体は過酸化水素水です。

 シュウ酸ジフェニルと蛍光色素 (dye) と触媒の混合物と過酸化水素が混ざると、シュウ酸ジフェニルが過酸化水素で酸化されて分解し、フェノールと過シュウ酸エステル(ROOC-COOOH)を経て1,2-ジオキセタンジオンが生じます。1,2-ジオキセタンジオンは分解して二酸化炭素となりますが、このときに蛍光色素にエネルギーを与えます。励起状態となった蛍光色素はすぐに基底状態に戻りますが、このとき差分のエネルギーを光 (hν) として放出します。

シュウ酸ジフェニルと過酸化水素との酸化→1,2-ジオキセタンジオンの分解と色素の励起
→色素の緩和による発光
ケミカルライトの化学発光の反応式

光の三原色の混色の原理で様々な色を作れる

 ケミカルライトが出す光の色は使用する蛍光色素(dye)よって異なります。使用される蛍光色素にはさまざまな種類があり、それぞれ特有な色の蛍光を発します。蛍光色素を混ぜることによって別の光を作ることができます。たとえば赤・緑・青の色素を混ぜると白い光が出てきます。これは光の三原色の加法混色によるものです。


光の三原色
R:赤(レッド) G:緑(グリーン) B:青(ブルー)
C:青緑(シアン) M:赤紫(マゼンタ) Y:黄(イエロー) W:白(ホワイト)

 光の三原色の原理と仕組みについて次のページを参照してください。


ケミカルライトの用途

 ケミカルライトのスティックは防水性、絶縁性に優れています。ケミカルライトは発光に酸素を必要とせず、熱をほとんど発生しません。火花や炎も出さないため水中でも利用できます。安価で使い切りできるので軍隊、キャンプ、洞窟探検、ダイビングにおいて光源として利用されています。

ケミカルライトを使う米軍兵
ケミカルライトを使う米軍兵

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2026年1月20日火曜日

The Principles of Primary Colors(Interactive Simulator Included): The Mechanisms of RGB, CMY, and Human Color Vision

Last updated: January 21, 2026

[Original Japanese Version] This article is  translation of the Summary of "Primary Color Principles", the #1 ranked resource on this topic in Japan.  光の三原色と色の三原色の仕組み(日本語版)

Summary

What are The Primary Colors of Light and Pigment?
Defining RGB and CMY

 The Three Primary Colors of Light (RGB) are Red, Green, and Blue. By blending these three light sources in various proportions, a vast spectrum of colors can be created. When all three are combined at full intensity, they result in White light—a process known as Additive Color Mixing.

 On the other hand, the Three Primary Colors of Pigment (CMY) are Cyan, Magenta, and Yellow. These are the fundamental colors for color material(colorant), such as ink and paint. By mixing these substances, they subtract light to create different colors, and combining all three results in a color approaching Black (Subtractive Color Mixing).

Diagram: Principles of Additive Color Mixing (RGB) and Subtractive Color Mixing (CMY)
The Principles of Primary Colors of Light and Pigment

What are the Three Primary Colors of Light (RGB)?

 The Three Primary Colors of Light consist of Red (R), Green (G), and Blue (B). These are the fundamental colors used in Additive Color Mixing, a process where colors are created by blending light sources.

 When these three colors are mixed at equal intensity, they produce White light. This principle is widely applied in devices that emit light to reproduce colors, such as televisions, smartphones, and projectors.

 In digital environments, the standard hex color codes for these primary colors are as follows:

Red (R): #FF0000 Green (G): #00FF00 Blue (B): #0000FF

The Principles of Primary Colors of Light
The Principles of Primary Colors of Light
R: Red G: Green B: Blue 
C: Cyan M: Magenta Y: Yellow W: White

What are the Three Primary Colors of Pigment (CMY)?

 The Three Primary Colors of Pigment consist of Cyan (C), Magenta (M), and Yellow (Y). These are the fundamental colors used in Subtractive Color Mixing, where colors are created by mixing colorants such as paints and inks.

 In this process, each pigment absorbs (subtracts) certain wavelengths of light. When these three colors are mixed at equal intensity, they combine to produce Black. This principle is essential for reproducing colors in color photography, commercial printing, and inkjet printers.

 In digital design environments, the standard hex color codes for these primary colors are as follows:

Cyan (C): #00FFFF Magenta (M): #FF00FF Yellow (Y): #FFFF00

The Principles of Primary Colors of Pigment
The Principles of Primary Colors of Pigment
C: Cyan M: Magenta Y: Yellow W: White
R: Red G: Green B: Blue 

Comparison of the Primary Colors of Light(RGB) and Pigment(CMY)

Comparison Table: Primary Colors of Light(RGB) vs. Pigment(CMY)
Item Primary Colors of Light (RGB) Primary Colors of Pigment (CMY)
Primary Colors Red, Green, Blue Cyan, Magenta, Yellow
Mixing Method Additive Color Mixing
(Becomes brighter as mixed)
Subtractive Color Mixing
(Becomes darker as mixed)
Full Mixture White Black
Main Uses TVs, Smartphones, PC monitors, Lighting, etc. Printed matter, Paints, Dyes, Inkjet printers, etc.
Mechanism Produces color by emitting light directly. Produces color by absorbing and reflecting light.

 The primary colors of light and pigment are deeply intertwined with the biological mechanisms of human color vision. In this article, we will explore the fundamental principles of color science, addressing the essential question—"Why are there only three primary colors?"—while providing an easy-to-understand explanation of the differences between additive and subtractive color mixing.

 Furthermore, we will cover practical applications ranging from everyday technologies like smartphone and TV displays and printing techniques to cutting-edge innovations. By the end of this post, you will gain a systematic understanding of the fascinating phenomena of light and color.

Human Color Vision

 It is often explained that light is an electromagnetic wave and its color is determined by its wavelength. While this is not incorrect, color is not a universal property inherent in light itself; rather, it is something we perceive through our sense of vision. The fact that we can create a vast array of colors using only three primary colors is deeply rooted in the mechanism of human color perception.

 The human retina contains two types of photoreceptor cells: rod cells and cone cells. Rod cells are highly sensitive to low light but cannot distinguish colors. In contrast, cone cells require brighter light to function and are responsible for our ability to perceive color. Cone cells are primarily concentrated in the fovea (the central part of the macula), while rod cells are more numerous than cone cells and are widely distributed throughout the peripheral areas of the retina. Through these two types of photoreceptors, the eye captures the brightness, color, and shape of objects imaged on the retina.

Structure of the eye and photoreceptor cells
Structure of the eye and photoreceptor cells

 The photosensitive substance found in rod cells is called rhodopsin, while the substance in cone cells is known as iodopsin. Both consist of a structure where a protein called opsin is bonded with retinal, a derivative of Vitamin A. While the structure of opsin differs between rod and cone cells, in both cases, the retinal exists in a cis-configuration when not exposed to light. Upon absorbing light, the structure of the specific part (indicated in red) changes, transforming into a trans-configuration.

Chemical Structures of Photopigments: Rhodopsin and Iodopsin
Chemical Structures of Photopigments: Rhodopsin and Iodopsin

 When the structure of retinal changes, the bond between the retinal and the opsin is broken. The reason rhodopsin's structure changes upon exposure to light is that visible light alters the electronic energy states of the molecule. This light-induced structural change in rhodopsin acts as the stimulus for the photoreceptor cells. This stimulus is transmitted through the optic nerve to the brain, resulting in the perception of sight.

 The trans-retinal, once disconnected from the opsin, eventually reverts back to the cis-retinal form in the dark and recombines with the opsin. Additionally, retinal is synthesized from Vitamin A obtained through our diet. A deficiency in Vitamin A leads to difficulty seeing in low light (a condition known as night blindness) because the synthesis of rhodopsin becomes impaired.

Why Three? The Connection Between Primary Colors and Human Vision

 There are three distinct types of opsins found in cone cells. Consequently, based on these differences in opsins, there are three types of cone cells: L-cones (Red cones), M-cones (Green cones), and S-cones (Blue cones), which are stimulated by red, green, and blue light, respectively. Each type is sensitive to a range of wavelengths centered around approximately 560 nm, 530 nm, and 430 nm. It should be noted that the "wavelength" referred to here is the wavelength of light in a vacuum or in the atmosphere. A difference in wavelength implies a difference in the light's frequency—that is, a difference in the energy of the light. Thus, the three types of cone cells are actually stimulated in response to differences in the energy of light, rather than the wavelengths themselves.

Spectral Sensitivity Curves of Cone and Rod Cells
Spectral Sensitivity Curves of Cone and Rod Cells

 The intensity of stimulation for the three types of cone cells varies depending on the light entering the eye. The signals from each cone cell are transmitted to the brain via the optic nerve. The brain then perceives specific colors based on the ratio of stimulation received from these three types of cones.

For example:

  • When L-cones (red) and M-cones (green) are stimulated equally, the brain perceives yellow.
  • When L-cones (red) and S-cones (blue) are stimulated equally, it perceives magenta.
  • When M-cones (green) and S-cones (blue) are stimulated equally, it perceives cyan.
  • When all three types of cone cells are stimulated equally, the brain recognizes the light as white.

 Mammals were once nocturnal creatures, meaning they prioritized the ability to see in the dark over the ability to distinguish colors. As a result, many mammals, such as dogs and cats, possess dichromatic vision (two-primary color vision). In contrast, certain primates—including some prosimians, New World monkeys, Old World monkeys, apes, and humans—became diurnal, living in the bright light of day. This lifestyle shift led to the development of advanced color discrimination, resulting in trichromatic vision (three-primary color vision). The concepts of the three primary colors of light and pigment are derived from this trichromatic vision. The following figure shows the solar spectrum. It can be argued that human trichromatic vision evolved to efficiently utilize light in the 400 to 800 nm range, where solar radiation reaching the Earth's surface through the atmosphere is most abundant. Light within the wavelength range of 380 to 780 nm is referred to as visible light.

Solar Spectral Irradiance
Solar Spectral Irradiance.png

 The colors we perceive are, in fact, constructs of our brain, created based on the information from light entering our eyes. In reality, neither light nor objects possess inherent color. It is the brain that "paints" color onto the world. Light and objects merely provide the conditions that our color vision interprets. Color is nothing more than a concept we have created. It arises from the interplay between the components of light and our physiological visual system; it is not an intrinsic property of light itself. Animals with different types of color vision see a world of colors entirely different from our own. In this sense, the vibrant, multi-colored landscapes we see are a "virtual world" generated within our brains.

The Mechanism of Vision: Perceiving Shape and Color
The Mechanism of Vision: Perceiving Shape and Color

 Light entering the eye stimulates photoreceptor cells at the back of the retina. These stimuli are converted into electrical signals that travel through the optic nerve to the brain, allowing us to perceive the shapes and colors of objects.

Frequently Asked Questions (FAQ)

Q1: What is the biggest difference between the Primary Colors of Light and Pigment? 

A: The main difference is how brightness changes when colors are mixed. The Three Primary Colors of Light (RGB) are based on Additive Color Mixing, where colors become brighter and closer to white as they are combined. In contrast, the Three Primary Colors of Pigment (CMY) are based on Subtractive Color Mixing, where pigments absorb light and become darker, approaching black as they are mixed.

Q2: Why is it fixed at "three" primary colors? Wouldn't four or five work? 

A: This is because the human retina contains three types of sensors called "Cone Cells" (L, M, and S cones) that respond primarily to red, green, and blue wavelengths. Since our brain determines every color by processing the ratio of these three stimuli, a three-color combination is the most efficient and natural way to reproduce colors for human vision.

Q3: I learned in elementary school that the primary colors were "Red, Blue, and Yellow." Was that wrong? 

A: It’s not wrong; rather, it is based on traditional art education (the RYB model). However, in modern optics and printing technology, the scientifically accurate primary colors that can reproduce the widest and most vivid range of colors are Cyan (blue-green), Magenta (red-purple), and Yellow.

Q4: Is there a trick to easily remembering "Complementary Colors"? 

A: A great tip is to remember that RGB and CMY have a direct complementary relationship. Think of them in pairs: Red (R) vs. Cyan (C), Green (G) vs. Magenta (M), and Blue (B) vs. Yellow (Y). Remembering these pairs makes it much easier to understand the opposing relationships on the color wheel.

Q5: Why do printers use a separate "Black (K)" ink? 

A: In theory, mixing Cyan, Magenta, and Yellow should produce black. However, because real-world inks contain impurities, mixing them usually results in a muddy dark brown instead of a true black. Therefore, a dedicated Black (K) ink is used to ensure sharp text and stable shadow tones in printing. The "K" stands for "Key plate," referring to the color that serves as the foundation for sharp outlines and text. Using a dedicated black ink ensures that dark elements are rendered clearly. In addtion, using black ink significantly saves on the consumption of CMY inks, as it eliminates the need to mix them to create black or gray tones.

Q6: What other mechanisms cause color to appear? 

A: Beyond the mixing of primary colors discussed here, color can be generated by various physical properties of light. Examples include refraction (rainbows and prisms), thermal radiation (the color of stars), structural color caused by diffraction and interference (soap bubbles and the back of CDs), and metallic reflection caused by free electrons (metallic luster). 

Author: Photon (Master of Engineering) Specialization: Optics, Optical Analysis, and Instrumental Analysis Publications: Author of several books on "Light and Color" and "Lenses" Member of The Japan Society for Analytical Chemistry (JSAC)

2026年1月2日金曜日

色の三原色(CMY)の吸収スペクトルと反射スペクトル

 色の三原色CMY)はシアン(C)・マゼンタ(M)・イエロー(Y)の三色です。色の三原色は絵の具などの色材の混合です。次の図のように白地のキャンバスの上で白色光に照らされたシアン・マゼンタ・イエローの色材を混ぜた様子を示したものが色の三原色の図です。

色の三原色(CMY)の混色の図
色の三原色(CMY)の混色の図

  上手から分かるとおり絵の具などの色材は自ら光を出しているわけではありません。白色光のうちある範囲の波長の光を吸収し、それ以外の光を反射します。たとえばシアン(C)の色材は赤色系の光を吸収し、それ以外の光を反射します。その反射光がシアン(C)に見える光となります。同様にマゼンタ(M)の色材は緑色系の光を吸収し、イエロー(Y)の色材は青色系の光を吸収します。次の図はシアン(C)・マゼンタ(M)・イエロー(Y)の色材の吸収スペクトルを示したものです。それぞれの色材のスペクトルのピークがある波長が、色材が吸収している光の中心波長になります。

色の三原色(CMY)の吸収スペクトル
色の三原色(CMY)の吸収スペクトル

 色材に吸収されなかった光は反射されます。反射光の成分と色光の混色を理解するために光の三原色RGB)の混色を知る必要があります。次の図のように真っ暗な部屋の中で白地のスクリーンに赤(R)・緑(G)・青(B)の光を当てたときの様子を示したものが光の三原色の混色の図です。緑(G)と青(B)の光を混ぜるとシアン(C)の光、赤(R)と青(B)の光を混ぜるとマゼンタ(M)の光、赤(R)と緑(G)を混ぜるとイエロー(Y)の光になります。

光の三原色(RGB)の混色の図
光の三原色(RGB)の混色の図
「光の三原色」と「色の三原色」の原理と仕組みについては下記のページを参照してください。
【関連記事】「光の三原色」と「色の三原色」の原理と仕組み|色が見える仕組み(7)

 次の図はシアン(C)・マゼンタ(M)・イエロー(Y)の色材の反射スペクトルを示したものです。シアン(C)の色材は緑色系と青色系の光を反射します。上述の通り光の三原色で緑(G)と青(B)の光を混ぜるとシアン(C)の光になります。マゼンタ(M)の色材は赤色系と青色系の光を反射します。光の三原色で赤(R)と青(B)を混ぜるとマゼンタ(M)になります。イエロー(M)の色材は赤色系と緑色系の光を反射します。光の三原色で赤(R)と緑(G)の光を混ぜるとイエロー(M)になります。

色の三原色(CMY)の反射スペクトル,
色の三原色(CMY)の反射スペクトル

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2025年5月15日木曜日

色の三原色(減法混色のシュミレーター付き)|図解 光学用語

色の三原色とは(いろのさんげんしょく、three primary colors of pigment、subtractive primary color mode、CMYK color model)

 色の三原色は青緑(シアン Cyan)、赤紫(マゼンタ Magenta)、黄(イエロー Yellow)です。この三色を組み合わせることでさまざまな色を作り出すことができます。

色の三原色
色の三原色
C:青緑(シアン) M:赤紫(マゼンタ) Y:黄(イエロー)
R:赤(レッド) G:緑(グリーン) B:青(ブルー) K:黒(ブラック)

 色の三原色で色を作る操作は光を吸収する絵の具やインクなどの色材を混ぜ合わせることにより新たな色を作り出す混色方法です。

 いまそれぞれの色材に当てている白色光をW(ホワイト)とすると

  C = W - R

  M = W ー G

  Y = W ー B

 従って、

  M +Y = W ー G - B = R

  C + Y = W ー R ー B = G

  C + M = W - R ー G = B

 となります。C、M、Yの色材を均等に混ぜ合わせると黒になります。

  C + M + Y = W ー R ー G ー B = K

  このように光の引き算で色をつくることを減法混色といいカラー写真やカラープリンターなどに利用されています。

 カラープリンタのインクは色の三原色のシアン・マゼンタ・イエロー(CMY)に加えて黒が使われます。理論的には色の三原色CMYを混ぜ合わせると黒(K)になるはずですが、理想的なインクは存在しないため綺麗な黒を作ることはできず暗褐色や濃い灰色にあんります。またCMYを使って黒い色を作るのはインクの無駄にもなります。そこでカラープリンタはCMYに黒インクを加えたCMYKでカラー印刷を行います。黒インクを「B」ではなく「K(Key plateキープレート)」と呼ぶのは黒い輪郭線や文字などを明瞭に表現するための基準となる色だからです。

 色の三原色と減法混色についての詳細は下記を参照してください。

【参考】「光の三原色」と「色の三原色」の原理と仕組み|色が見える仕組み(7)

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2025年5月14日水曜日

光の三原色(加法混色のシミュレーター付)|図解 光学用語

光の三原色とは(ひかりのさんげんしょく、three primary colours of light、additive primary color model、RGB color model)

 光の三原色は 赤(Red)、緑(Green)、青(Blue) の3色です。この三色を組み合わせることでさまざまな色を作り出すことができます。


光の三原色
R:赤(レッド) G:緑(グリーン) B:青(ブルー)
C:青緑(シアン) M:赤紫(マゼンタ) Y:黄(イエロー) W:白(ホワイト)

 光の三原色で色を作る操作は色光を混ぜ合わせることで新たな色を作り出す混色方法です。光の三原色の混色は一般に次の式で表すことができます。

  R + G = Y

  R + B = M

  G + B = C

 R、G、Bの色光を均等に混ぜると色を失って白色光になります。

  R + G + B = W

 このように光の足し算で色をつくることを加法混色といいディスプレイやプロジェクターなどの発光により色を作るものに利用されています。

 光の三原色と加法混色についての詳細は下記を参照してください。

【参考】「光の三原色」と「色の三原色」の原理と仕組み|色が見える仕組み(7)

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