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2026年1月30日金曜日

光の三原色で作れない色とは?RGBによる色の再現の限界

最終更新日:2026年1月31日

目次|光の三原色で作れない色

光の三原色で全ての色を再現できるのか

 ディスプレイ技術が飛躍的に発展し、私たちが目にする映像はかつてないほど鮮明になりました。高解像度の4Kや8Kのディスプレイに表示されている映像を見ていると、私たちは「ディスプレイを通じてあらゆる色を見ることができている」と思いがちです。

高解像度ディスプレイに映し出された真夏のヒマワリ畑。この鮮やかな景色も光の三原色(RGB)が作り出した色の世界に過ぎない。
高解像度ディスプレイに映し出された真夏のヒマワリ畑。
この鮮やかな景色も光の三原色(RGB)が作り出した色の世界に過ぎない。

 しかし、映像がどんなに鮮明になっても、光の三原色RGB)で作られた色は後述する再現できない色の領域(色域ガマット)が存在します。実際、ディスプレイに映し出された美しい景色を見て、どこか「自然の中で直接見ている景色の色とは少し違う」と感じたことはありませんか? この違和感こそが光の三原色(RGB)による色彩の再現の限界なのです。

なぜ作れない色が存在するのか?

 私たちが日常で認識している色とは光源が発する光や物体が反射する光の色です。そして、色の基準となるのは私たちの世界を照らしている太陽光です。 すべての色を再現できるということは、太陽光に含まれる光や物体が反射する光の色の色調をありのまま再現できるということを意味します。

 しかし、現代のディスプレイは太陽光に含まれるすべての可視光線から作られる色を映し出す仕組みではありません。バックライトが発する白色光からカラーフィルタを使って取り出した赤(R)・緑(G)・青(B)の光や、あるいは赤(R)・緑(G)・青(B)3つの独立した光源の光で色を合成しています。色を作成する光が限られているためディスプレイの色の再現には限界があるのです。

太陽光に含まれる可視光線と光の三原色(RGB)の色の比較
太陽光に含まれる可視光線と光の三原色(RGB)の色の比較

なぜ3色(RGB)の光で色を再現できるのか?

 そもそも3色の光で私たちが見ている多くの色を再現できるのでしょうか。その理由は私たちヒトの色覚に関係しています。眼の網膜には光のエネルギーの刺激を受けて反応する桿体細胞と錐体細胞と呼ばれる視細胞が存在します。桿体細胞は暗い場所で光の強弱を感じ、錐体細胞は光のエネルギーの大きさの違いを捉えて色を識別します。錐体細胞は動物によって異なりますが、ヒトの網膜には長波長の光に反応するL錐体(赤色錐体)、中波長の光に反応するM錐体(緑色錐体)、短波長の光に反応するS錐体(青色錐体)の3種類の錐体細胞が存在します。

ヒトの眼球の断面図と、網膜の視細胞を拡大したイラスト。光が視神経側から入り、黄斑部に集中する錐体細胞と、網膜全体に広がる桿体細胞に届く仕組みをカラーで解説している図解
ヒトの眼の構造と視細胞(錐体細胞・桿体細胞)

 光は波長が短いほど高エネルギーで波長が長いほど低エネルギーです。それぞれの錐体細胞が受けた刺激の割合は視神経を通じて脳に送られます。脳は3種類の錐体細胞の刺激の割合から色を認識します。つまりヒトの色覚は目に入ってきた光の物理量であるエネルギーを生理現象で生じる色に変換しているのです。

左側にバナナ(物体)、中央にヒトの眼の構造図、右側に脳のイラストを配置した図解。物体からの光が眼に入り、視神経を通って脳に伝わり、色や形として認識されるまでの一連の流れを説明している
視覚と色彩認識のプロセス

 私たちはあらゆる光の色を3種類の錐体細胞の刺激の割合で認識しています。ですから、虹の中に存在する単色光の黄色、光の三原色の赤色と緑色を混色してできる黄色、物体からの反射光の黄色を同じプロセスで認識します。つまり3種類の錐体細胞を刺激の割合が同じであれば光の成分が異なっていてもほぼ同じ色と認識することができるのです。

 このヒトの色覚の仕組みを巧みに応用して光の三原色(RGB)で色を再現しているのがディスプレイです。この巧みな応用こそが同時に色の再現の限界を生じる原因にもなっているのです。なぜなら、光の三原色(RGB)での色再現は、ある意味で脳を騙しているようなものだからです。例えば、太陽の下で見るバナナの黄色と、画面に映し出されたバナナの黄色はほぼ同じ黄色に見えても、目に入ってくる光は別物です。実際に同じように見える色でも光の成分が異れば、錐体細胞の刺激の割合も厳密には異なるのです。

光の三原色(RGB)が抱える色再現の限界

 赤(R)と緑(G)の光を同じ強さで混ぜると、その中間の黄色(Y)が生じます。このとき赤(R)を強く、緑(G)を弱くするとオレンジ色が生じます。2色による混色で混ぜて作ることができる色は必ず元となる2つの色を結んだ直線の上にしか現れません。なぜなら、そこには他の色は成分として含まれないからです。

 赤(R)と緑(G)に青(B)の光を加えてみましょう。すると3色の混色で生じる色は赤(R)と緑(G)の直線、赤(R)と青(B)を結んだ直線、緑(G)と青(B)を結んだ直線に囲まれた面、すんわち三角形の領域になります。これが光の三原色(RGB)で再現できる色域(ガマット)です。ディスプレイが表現できる色の世界はこの3点を頂点とした三角形の内側に固定されてしまうのです。

 言葉だけでは実感が湧きにくいかもしれません。実際に3つの光の出力を操作して、色がどのように三角形の領域で作られていくのか以下のシミュレーターで体験してみてください。2つの色光だけで作れる色は常にその直線上の中間にあり、3つ目の色光が加わって初めて色が面として広がることが体感できると思います。

私たちが認識できる色域(ガマット)は?

 私たちが認識できるすべての色は一体どのような形の色域(ガマット)をしているのでしょうか。それを科学的に定義したものが国際照明委員会(CIE)が1931年に「可視光とヒトの色覚における色との定量的関係」を規格化したCIE 1931 色空間です。

 CIEは次の図のような実験装置を用いてヒトが認識しているすべての色を光の三原色(RGB)で再現する規格「CIE RGB 色空間」を作成しました。

CIE 1931色空間の規格化のために行われた等色実験の模式図。試験光と光の三原色(RGB)で作成した色をスクリーンに投影し、ヒトが同じ色に見えるかどうか確認している様子が描かれている。
CIE 1931 等色実験の装置の模式図

 この等色実験により光三原色(RGB)の加法混色で色を作成すると彩度が高い光は再現できないことがわかりました。たとえば単色光のシアンの色は光の三原色の緑(G)と青(B)の混色では再現できなかったのです。単色光のシアンの光に赤(R)を加えると、緑(G)と青(B)で作ったシアンの光と同じ色になりました。

 ヒトの3種類の錐体細胞はそれぞれの反応する範囲が大きく重なり合っています。たとえば単色光のシアンの光と三原色(RGB)の緑(G)と青(B)の混色で作成したシアンの光では錐体細胞の反応が異なります。そのため単色光のシアンを光の三原色(RGB)では厳密に再現できないことがわかったのです。

 そこでCIEはRGB 色空間をもとに計算によってヒトが認識できるすべての色を表したCIE XYZ色空間の規格を作りました。この色空間は等色から理論的に導かれたものであり、光の三原色(RGB)で色を再現する実在のディスプレイ装置などには依存しません。

CIE 1931 xy 色度図。ヒトの目が見分けられる色の範囲(色域)を2次元のxy座標上にプロットした馬蹄形のグラフ。外縁の曲線は純粋な単色光の波長を示し、中心の白色点に向かって色が淡くなる様子が描かれている。
CIE 1931 xy 色度図

 CIE 1931 xy 色度図は、ヒトの色覚で認識できる色域(ガマット)を2次元のxy座標上にプロットした馬蹄形のグラフです。外縁の曲線は純粋な単色光の波長を示します。下部には波長表示がありませんが、この部分はヒトが認識できる色のうちマゼンタなど単色光に存在しない混色で生じる色光です。グラフの中心に向かうほど色が淡くなります。中心は白色点と呼ばれ、太陽光に近い白色光に相当する位置になります。

 前述の通り実際の光の三原色(RGB)の混色で作ることができる色域(ガマット)はCIE 1931 xy 色度図にはなりません。次の図はCIE 1931 xy 色度図私たちが日常的に使っているディスプレイの規格の色域を重ねたものです。 図中の小さな三角形が一般的なディスプレイで使われている標準規格 sRGB の色域(ガマット)です。そして、それより一回り大きいのが印刷やプロ向けの規格 Adobe RGB の色域(ガマット)です。いずれの三角形もヒトの色覚の限界である馬蹄形の外縁には届かず、特に緑から青にかけての領域が大きく欠けていることがわかります。

CIE 1931 xy 色度図の上に、sRGB(内側の小さな三角形)と Adobe RGB(外側の一回り大きな三角形)の範囲を重ねた図。いずれの三角形も馬蹄形の外縁(ヒトの色覚の限界)には届かず、特に緑から青にかけての領域が大きく欠けていることを示している
色域(ガマット)の比較:sRGB と Adobe RGB

 この図からわかる通り最高級のディスプレイを使ったとしても、RGBの三角形内部の色域(ガマット)に存在する色しか再現できないのです。とりわけ馬蹄形の外縁の鮮やかな緑やシアンやマゼンタは再現できません。そのため、たとえば綺麗なエメラルドグリーンの海の映像を見ても、どこか本物の色と違う、鮮やかさが物足りないと感じるのです。

光の三原色(RGB)で作れない色とは?

 光の三原色(RGB)による色覚の再現は極めて合理的で効率的ですが、自然界が持つ無限の色の多くを切り捨ててしまっているのです。どんなに技術が進歩しても、光の三原色(RGB)で色を再現する限り、この馬蹄形の豊かなカーブの外縁の色を見ることはできません。ですから、この三角形の織に閉じ込められている光の三原色(RGB)の色域では自然界に存在するすべての色を再現することはできないのです。具体的に光の三原色で作れない・表現が困難な色は以下の通りです。

  • 高彩度の色:自然界に存在する鮮やかな色
  • 完璧な黒色:光の三原色(RGB)は混ぜると白(白色光)に近づく加法混色のため、混色で黒を表現することはできません。光を消灯すると黒になります。
  • 光の三原色(RGB):赤(R)、緑(G)、青(B)は原色ですから混合で作ることはできません。

 私たちが眺めているディスプレイの色は、自然界の広大な色域(ガマット)に比較すると、ほんの一部を切り取った三角形の檻の中に過ぎません。クリエイターたちは、この限られた色域の中で、いかに本物の色を再現させるかという試行錯誤を繰り返してきました。彩度が足りなければコントラストで補い、特定の色が作れなければ隣接する色と調和させるなどの工夫をしています。

光の三原色(RGB)の制限は超えられるのか?

 この光の三原色(RGB)の三角形の檻の中から抜け出す方法はあるのでしょうか? 私たちは自然界の広大な色彩を再現することはできないのでしょうか。実はこの不可能性への挑戦こそが現在のディスプレイ技術の最先端となっているのです。

 第一の方法は光源の多原色化です。光の三原色(RGB)では三角形の檻しか作れませんが、原色の数を増やすことで、その形を四角形、五角形へと広げることができます。その結果、CIE xy 色度図の馬蹄形の外縁に近づけることができます。次の図はCIE 1931 xy色度図上で従来のsRGB(三角形)に黄色(Y)を追加し、色域が四角形に広がった様子を示した図です。特に緑から赤にかけての再現範囲が拡大していることがわかります。わずかな面積の広がりですが、冒頭のひまわりを本物に近い色で表現できるようになります。

CIE 1931 xy色度図上で、従来のsRGB(三角形)に黄色(Y)の頂点を追加し、色域が四角形に広がった様子を示す図。特に緑から赤にかけての再現範囲が拡大している。
4原色(RGBY)による色域の拡張の例

 実際に、かつてシャープが黄色(Y)を加えたRGBYの4原色で色を再現できるディスプレイ AQUOS クアトロン を開発し販売していました。残念ながら主流とはならなかったため販売は終了していますが、当時としては色域(ガマット)を広げる画期的な試みでした。最近では商業施設や映画館などで6原色以上の光源を用いることで、より実物に近い色彩を再現する多原色プロジェクターが開発されています。

 第二の方法は、3原色の数は変えずに3点の位置を馬蹄形の外縁に押し広げる手法です。つまり最新の光源を利用して原色の純度を向上することです。現在の超高精細放送(4K/8K)のBT.2020規格では最新の光源を用いて xy 色度図の75.8%まで色域(ガマット)を広げています。最新の光源には次の3種類が存在します。

  • RGBレーザー: 光の純度が極めて高く、非常に鋭いピークの単色光を得られるため、BT.2020の色域をほぼ100%カバー可能です。まさに究極の光の三原色(RGB)の光源です。
  • 量子ドット (Quantum Dot): 青色LEDの光を特定の波長だけを強く発光させる特殊な結晶に当てることで高純度なRGBを発光させます。現在の高画質ディスプレイの主流となりつつある技術です。
  • 有機EL (OLED): 素子自体が発光するため鮮やかな発色が可能です。しかし、BT.2020企画を満足させるためにはさらなる新材料の開発が必要です。

真実の色をめざして:理論と想像力が作る色彩文化

 どれほど技術が進化してもCIE xy 色度図の色域を完全にカバーすることは困難です。しかしながら、最終的に色を認識しているのは脳です。私たちの脳には不完全な情報を補完する能力が備わっています。ですから物理的な条件が揃わなくても、たとえば画面上に鮮やかなシアンの単色光が存在しなくても、光のハイライトやコントラストを工夫することによって鮮やかなシアンを脳に認識させることができます。そういう意味では現実に忠実であること以上に、人間の記憶に存在する理想の色を呼び覚ますことこそがリアリティの追求と言えるかもしれません。

左側には数学的な数式と色度図のグラフが描かれ、右側に向かってそれらが鮮やかな光の粒子と絵画的な色彩の爆発へと溶け込んでいくイメージ画像。デジタル技術の理論と人間の想像力の融合を表現している。
真実の色をめざして:理論と想像力が作る色彩の世界

 映画、写真、絵画、アニメなどの色彩は決して自然界の単なるコピーではありません。そこには三角形の檻の限られた領域の中でいかに心を動かす色を再現するかというクリエーターの強い意志が介在しています。完璧な再現ができないからこそ生まれるのが表現のゆらぎです。その隙間を私たちの想像力が埋めることで色彩の文化が成り立っているのです。

1964年、パリのガルニエ宮=オペラ座にマルク・シャガールが描いた新しい天井画が設置されました。14人の作曲家によるオペラの場面が描かれています
シャガールの天井画(マルク・シャガール、1964年、パリのガルニエ宮=オペラ座)
Author:Ninara from Helsinki, Finland

よくある質問(FAQ)

Q:RGBの三原色ですべての色を再現できないのはなぜですか?

A:ヒトの3種類の錐体細胞はそれぞれの反応する範囲が大きく重なり合っています。たとえば単色光のシアンの光と三原色(RGB)の緑(G)と青(B)の混色で作成したシアンの光では錐体細胞の反応が異なります。そのため単色光のシアンを光の三原色(RGB)では厳密に再現できないのです。

Q:RGBの制限を克服する技術にはどのようなものがありますか?

A:レーザー光源や量子ドットを用いて色の純度を高め再現範囲を広げる技術や、RGBに他の原色を加えた多原色表示などがあります。

Q:物理的に再現できない色を、人間はどのように認識していますか?

A:物理的にディスプレイで再現できない色であっても人間の脳は周囲のコントラストや光のハイライトなどの情報を利用して記憶にある理想の色を補完して認識する能力を持っています。

【あわせて読みたい:色彩の深淵へ】

本館「光と色と」ではこの記事のベースとなった色彩の基礎知識を多数公開しています。 光と三原色の基本については次の記事を参照してください。

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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)

The Principles of Primary Colors  Simulator

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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