Wat is licht? Het zichtbare spectrum en verder

Hoewel “licht” verwijst naar zichtbare stralingsenergie, kan het ook verwijzen naar bronnen van verlichting, zoals zonlicht of kunstmatige bronnen zoals een lamp en armaturen (d.w.z. lamparmaturen). Je zou kunnen denken aan zonsondergangen of zelfs de nachtelijke hemel! Gedurende bijna de gehele evolutie van de mensheid was er alleen natuurlijk zonlicht of vuur (met inbegrip van kaarsen, vlamfakkels en later olielampen). Maar vandaag de dag – en in de afgelopen eeuw – hebben elektrische lampen onze nachtelijke omgeving in de ontwikkelde landen gedomineerd. Sinds de jaren 1820-1830 hebben gaslampen en (later) gloeilampen (met een rode kleur) ons nachtelijk binnenmilieu gedomineerd. Open vlammen en gloeilampen worden technisch beschreven als bronnen met lage kleurtemperaturen, gewoonlijk ⩽2800 Kelvin (K)-rijk aan langere zichtbare (oranje, rode) golflengten en infrarood-nabij-infraroodstraling. Daarentegen is de middagzon rijk aan kortere golflengten met een kleurtemperatuur van ongeveer 6500 K. Zonlicht wordt rood-rijk wanneer het laag aan de hemel staat en de aanzienlijke verandering in spectrum wordt vaak niet opgemerkt vanwege selectieve chromatische aanpassing door ons visuele systeem.

Sinds de jaren vijftig zijn fluorescentielampen (in het algemeen rijk aan groen licht en lijnspectra) op grote schaal gebruikt in verlichte omgevingen binnenshuis, althans in kantoor- en commerciële omgevingen, maar tamelijk zelden in huis – met misschien één uitzondering – in de keuken (ervaring in de VS). Maar de “revolutie” in de optica in de jaren zestig, die grotendeels werd gestimuleerd door de uitvinding van de laser, leidde tot andere optische technologieën, waaronder de ontwikkeling van nieuwe soorten lenzen en filters, holografie, en lichtgevende dioden (LED’s). LED’s waren veel energiezuiniger dan gloeilampen, maar konden aanvankelijk slechts zeer smalle golflengtebanden uitzenden, dat wil zeggen enkelkleurige zichtbare LED’s, tot de uitvinding van multi-chip LED’s en blauw-violet gepompte fluorescerende LED’s om ‘wit’ licht te produceren.

In deze eeuw leidde de nadruk van de regering op energiebesparing tot druk om compacte fluorescentielampen (CFL’s) en ‘witte’ LED’s voor verlichting te gebruiken. Solid-state lighting door LED’s, die nog energiezuiniger zijn dan CFL’s, beginnen nu de markt te domineren. Zowel de vroege CFL’s als de “witte” LED’s hebben echter zeer blauwrijke spectrale vermogensverdelingen (figuur 1). Sommige consumenten kwamen in opstand tegen dergelijke blauwrijke lampen en eisten minder ‘harde’, minder ‘koud-blauwe’ lichtbronnen. Er zijn nu LED’s en CFL’s met een sterk gereduceerde blauwe emissie. Niettemin is er de afgelopen 60 jaar sprake geweest van een steeds hogere kleurtemperatuur van kunstmatige bronnen en een toename van nachtelijke ‘lichtvervuiling’. De nachtelijke hemel van West-Europa, gezien vanuit de ruimte, toont de enorme impact van elektrische verlichting (figuur 2).

De atmosferische optiek verandert het zonlicht aanzienlijk en zorgt soms voor prachtige kleurenshows, waaronder de Groene Flits (een grote zeldzaamheid)! De atmosfeer werkt als een zacht prisma: de brekingsindex varieert enigszins met de golflengte, waardoor het beeld van de zon laag aan de horizon wordt versterkt. Verschillende kleuren worden door de atmosfeer in verschillende mate afgebogen en het beeld van de zon wordt ~0,6° afgebogen aan de horizon, zodat de zon in feite ondergaat voordat haar brekingsbeeld ondergaat! Het rode beeld gaat het eerst onder, gevolgd door groen dat slechts een fractie van een seconde te zien is en blauw licht verschijnt niet omdat het is verstrooid.3

Historische opvattingen

Sinds primitieve tijden hebben mensen zich afgevraagd: ‘Wat is licht?’ Bijbels (King James ‘Authorized Version’, Cambridge Edition)-Genesis 1 : 3 (Dag 4) luidt: En God zeide: Laat er licht zijn; en er was licht. Vele grote geesten ontwikkelden theorieën over het licht (Figuur 3). Het klassieke Griekse denken over “Wat is licht?” bracht Plato (428-328 v. Chr.) tot de theorie dat licht ontstond als “gevoelsstralen” vanuit de ogen, gericht op wat men waarneemt. Hij baseerde zich blijkbaar op het feit dat licht in het oog wordt voortgebracht door drukfosfenen. Hoewel dit begrip vandaag de dag vreemd lijkt, domineerde deze beschrijving het westerse denken gedurende bijna twee millennia. In de zeventiende eeuw ontstond een controverse over de vraag of licht een golf of een stroom van deeltjes was. Sir Isaac Newton betoogde hier in Cambridge dat Grimaldi’s diffractieverschijnselen eenvoudigweg een nieuwe vorm van breking aantoonden. Newton stelde dat de geometrische aard van de wetten van breking en weerkaatsing alleen verklaard kon worden als licht uit “corpuscles” (deeltjes) bestond, aangezien golven zich niet in rechte lijnen voortbewogen. Nadat hij in 1672 lid was geworden van de Royal Society of London, verklaarde Newton dat het vierenveertigste van een reeks experimenten die hij zojuist had uitgevoerd, had bewezen dat licht uit corpuskels bestond – niet uit golven. Op het vasteland leek de golftheorie van licht echter de overhand te hebben. Christiaan Huygens, een Nederlandse natuurkundige (natuurkunde werd in die eeuw ‘natuurfilosofie’ genoemd) publiceerde in 1690 zijn Traité de la Lumière, dat de golftheorie ondersteunde. Pas toen Sir Thomas Young golfinterferentie duidelijk aantoonde (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 werd de golftheorie volledig aanvaard – en de golftheorie hield minstens stand tot het einde van de negentiende eeuw. Een andere vooraanstaande natuurkundige in Cambridge was James Clerk Maxwell, die in het midden van de negentiende eeuw zijn universele regels voor elektriciteit en magnetisme afleidde die elektromagnetische golven en het elektromagnetische spectrum voorspelden (figuur 4). Rond 1800 was het bestaan van ultraviolette en infrarode straling ontdekt door respectievelijk Ritter5 en Herschel,6

Aan het begin van de negentiende eeuw (1899-1901) ontstond er een crisis in de klassieke natuurkunde. Natuurkundigen kregen te maken met een zeer groot raadsel: In sommige experimenten, zoals interferentie en diffractie, gedroeg licht zich als golven. In andere experimenten, zoals het foto-elektrisch effect, bleek licht zich echter te gedragen als deeltjes. Het foto-elektrisch effect werd waargenomen in sommige metalen wanneer deze aan een lichtstraal werden blootgesteld. Maar alleen licht met een kortere golflengte veroorzaakte een fotostroom in het metaal, terwijl licht met een langere golflengte (rood), zelfs bij hoge intensiteit, geen fotostroom veroorzaakte. Deze merkwaardige waarneming ondersteunde sterk de kwantumtheorie van straling. Sommige Duitse natuurkundigen theoretiseerden dat een enkel foton (lichtdeeltje) een kwantumenergie Qν heeft die recht evenredig is met de frequentie f (soms gesymboliseerd door de Griekse letter, ν) van de golf:

Qν=h × f,

waarbij h bekend staat als ‘de Constante van Planck’. Dit leidde tot het begrip ‘golf-deeltje dualiteit.’

Fysici bereikten uiteindelijk een consensus dat licht gelijktijdig als een stroom van deeltjes en als een golf kon worden gekarakteriseerd. Sommige aspecten van de kwantumtheorie zijn nogal vreemd, en we zullen er niet dieper op ingaan, maar zelfs Einstein had problemen met het aanvaarden van de kwantumtheorie. Maar het was dan ook Einstein die theoretiseerde dat de snelheid van het licht in vacuüm niet kon worden overschreden – en ook (in 1916) de “gestimuleerde emissie van straling” voorspelde, die de theoretische basis vormde voor de laser.7

De meeste mensen weten dat de snelheid van het licht een constante is – ongeveer 300.000 km/s in vacuüm, maar 299.000 km/s in lucht en nog langzamer in dichtere media, bijvoorbeeld ~225.000 km/s binnen in het oog. De verhouding tussen de lichtsnelheid in een vacuüm en die in een medium is de “brekingsindex, n”. Nog maar enkele maanden geleden beweerde een team van de Ecole Politechnique Lausanne dat zij de eerste foto van lichtdeeltjes en -golven hadden gemaakt! Ik ben er niet zeker van dat ik hun experimentele techniek heb begrepen, maar het zal interessant zijn te zien of andere laboratoria hun resultaten kunnen reproduceren en hun interpretatie van hun beelden kunnen bevestigen. Figuur 5 geeft een schaal voor het vergelijken van de afmeting van één golflengte van licht.

Kwantumtheorie en gestimuleerde emissie

Op atomaire schaal worden fotonen uitgezonden wanneer een elektron naar een lagere energie-baan van het atoom springt. Gestimuleerde emissie van een foton kan alleen plaatsvinden als een oorspronkelijk foton met de juiste energie langs een geëxciteerd atoom gaat. Atomen worden in het algemeen geëxciteerd doordat een foton wordt geabsorbeerd en het atoom naar een hoger energieniveau stijgt, gevolgd door een foton dat spontaan wordt uitgezonden wanneer het atoom naar een lager energieniveau daalt, behalve door gestimuleerde emissie. Met een goed geconstrueerde resonantieholte kan een cascade van gestimuleerde emissies optreden met een resulterende laserstraal. Het echte voordeel van een laserbron is zijn ultrahoge radiantie (helderheid). Vrijwel alle toepassingen van een laser – van laserpointers, laserafstandsmeters en het schrijven en lezen van CD’s tot lasersmelting – zijn alleen mogelijk dankzij de ultrahoge straling van een laser. Een laserpointer van 1 mW heeft een helderheid (radiantie) die minstens 10 maal groter is dan die van de zon.

Wat zijn de grenzen van het zichtbare spectrum?

Er zijn eigenlijk geen overeengekomen grenzen aan het zichtbare spectrum. De CIE definieert “zichtbare straling (ILV term nummer 17-1402) als “elke optische straling die rechtstreeks een visuele gewaarwording kan veroorzaken”. De CIE-definitie voegt de volgende opmerking toe: “Er zijn geen precieze grenzen voor het spectrale bereik van zichtbare straling, aangezien deze afhankelijk zijn van de hoeveelheid stralingsvermogen die het netvlies bereikt en van het reactievermogen van de waarnemer. De ondergrens wordt over het algemeen genomen tussen 360 en 400 nm en de bovengrens tussen 760 en 830 nm”. De grenzen van het gezichtsvermogen hebben lang mijn persoonlijke belangstelling gehad. Als jonge wetenschapper van ongeveer 24 jaar heb ik een experiment uitgevoerd om de kortste golflengte te bepalen die ik kon zien, nadat ik veel eerdere verslagen over dit onderwerp had bestudeerd.8, 9, 10 Ik kon de spleet van een dubbele monochromator afbeelden tot 310 nm, en ik was er zeker van dat ik werkelijk 310 nm afbeeldde en geen strooilicht van langere golflengten, aangezien ik een aantal spectrale filters in de bundel plaatste zonder dat de waarnemingsdrempel veranderde. Maar vandaag, op 74-jarige leeftijd, kan ik zelfs 400 nm niet goed zien! Naarmate ik ouder ben geworden, blokkeert de opeenhoping van UV-absorberende eiwitten – waarvan vele fluoroforen zijn – in mijn intacte kristallijne lenzen de meeste UV-A-golflengten (315-400 nm) en ervaar ik meer waas van lensfluorescentie dan toen ik jonger was. Iedereen kan lensfluorescentie11 van de UV-A (315-400 nm) ervaren, en Zuclich et al12 kwantificeerden UV-A lensfluorescentie en hoe deze weinig varieert met de leeftijd. Weale13 schatte dat lensfluorescentie interfereert met visuele prestaties. Insecten zijn zeer gevoelig voor UV en dit is de basis van UV-insectenlichtvallen. Van bijen wordt aangenomen dat zij gebruik maken van het gepolariseerde UV in het daklicht om te navigeren, maar de mens maakt waarschijnlijk niet bewust gebruik van de gepolariseerde violette hemel, ondanks het feit dat sommige polariserende kenmerken van het menselijk hoornvlies Haidinger borstels produceren.14 Tijdens de Tweede Wereldoorlog ontstond de bezorgdheid dat voorafgaande blootstelling aan ultraviolet het nachtzicht verminderde,15 maar zelfs de vermaarde gezichtswetenschapper George Wald betoogde met een afgestudeerde student aan de Universiteit van Rochester dat deze bevinding belachelijk was omdat de kristallijne lens de retinale blootstelling aan UV-A tegenhield. Blijkbaar dacht Professor Wald in dit geval niet logaritmisch, aangezien bijna 1% van de UV-A wordt doorgelaten, en met hogere fotonenergieën van de kortere UV-golflengten, was het niet onaannemelijk dat UV-A straling de staaffotoreceptoren zou kunnen aantasten.16 Er was een kleine storm die verder ging met Wolf17 die de afname van het nachtzicht bevestigde, maar zelfs later betoogde Wald18 dat dit noch een significant noch een permanent effect was. Tan19 mat later het grijzige zicht bij afakische personen dat de secundaire UV-A reactiepieken van elke kegel fotoreceptor bevestigde.

Het zien van infrarood ‘licht’

Na verschillende merkwaardige verhalen over soldaten die infrarood lasers zagen in de jaren 1970, toonde mijn groep visuele detectie aan tot bijna 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). Figuur 6 toont de uitbreiding van de spectrale gevoeligheid van het gezichtsvermogen tot ver in het infrarood. Dit was geen gemakkelijk experiment. Wij scheidden de laser met 8 m van de waarnemer om het pomplicht te verminderen (het pomplicht nam snel af met de afstand, maar de bestralingssterkte van de laserstraal deed dat niet), en wij gebruikten smal-band infrarood filters, gestapeld tot dezelfde drempel werd gemeten zonder toevoeging van een ander filter (figuur 7). Het was interessant dat – vergelijkbaar met andere zichtbare golflengten – kleuridentificatie moeilijk was bij de drempel voor een puntbron,20 maar als we de drempel overschreden en, in het bijzonder, als we de brongrootte uitbreidden van een ‘punt’, we altijd rood konden zien, wat suggereert dat de rode kegeltjes geactiveerd waren. Bovendien voerden wij experimenten uit die rapporten bevestigden van nachtelijke veldwaarnemingen dat men ‘groen’ licht zou zien van binnen de straal van een kortgepulste Nd:YAG laser op enkele kilometers afstand. Wij konden bevestigen dat als men rechtstreeks de 1064-nm nabij-infrarode emissiegolflengte van een q-geschakelde (~10-20 ns) Nd:YAG laser observeerde, men groen licht zou waarnemen, dat bij kleur-matching met een CW monochromator bron, verscheen als 532-nm groen licht. Dit toonde ons aan dat de tweede harmonische generatie zich voordeed in oculaire weefsels-waarschijnlijk in het netvlies. Een tweede harmonische werd niet gezien in de robijn (694 nm) laser, waaruit de lage efficiëntie van dit niet-lineaire proces.

In een vorig jaar december gepubliceerd artikel betoogden Palczewska et al21 dat infraroodzien het resultaat is van isomerisatie van twee fotonen; aangezien zij echter slechts treinen van femtoseconde (10-12 s) pulsen van een infrarode laser gebruikten, konden zij niet-lineaire processen niet uitsluiten. Hun experimenten waren goed, maar naar mijn mening lijken hun interpretaties gebrekkig, omdat zij de invloed van het piekvermogen van hun laser van 67.000 boven het gemiddelde negeerden. Zij konden niet aannemen dat hun 200-fs, 75-MHz laser gelijk was aan een continue bron (met een duty cycle van slechts 1,5 × 10-5), dus niet-lineaire effecten waren niet verrassend. Hun gemiddelde vermogen van 1 mW dat het oog binnenkwam, had in werkelijkheid een piekvermogen van 66 W, wat een retinale bestralingssterkte >13 MW/cm2 opleverde in een minimale retinale vlekgrootte van ~25 μm!

We kunnen concluderen dat de zichtbaarheid van licht buiten het algemeen aanvaarde bereik van ongeveer 380-780 nm afhangt van de helderheid (radiantie) van de bron, maar in de kindertijd beperkt is tot ongeveer 310 nm bij de korte golflengte van het zichtbare spectrum tot misschien ~1100 nm in het nabij-infrarood. Een echte scheidingslijn tussen “zichtbaar” en infrarood bestaat eenvoudig niet. De zichtbaarheid van een infrarode A (IR-A) golflengte hangt slechts af van de helderheid (radiantie) van de bron in vergelijking met de omgevingsluminantie.

CIE fotobiologische spectrale banden

De CIE ontwikkelde in de jaren 1930 enkele nuttige korte handnotaties voor de fotobiologie. Deze waren: de UV-C van 100-280 nm (sterk actinisch; kiemdodend, met een korte-golflengte grens met het ‘soft-X-ray’ gebied), de UV-B tussen 280 en 315 nm met actinische en fotocarcinogene effecten, en de UV-A tussen 315 en 400 nm, die wordt gekenmerkt als zwak actinisch en een belangrijke rol speelt bij fotodynamische effecten en fotosensibilisatoren. Het zichtbare spectrum overlapt opzettelijk het UV-A (van ~360-380 tot 400 nm in het diepe violet) en tot ver in de spectrale band van het nabij-infrarood (IR-A), die bij 780 nm begint. Tot enige verrassing van de fotobiologen die onderzoek doen, hebben de grenzen van deze CIE-spectrale banden in de industriële sector soms tot controverse geleid. Er is zelfs een nogal beruchte “norm” gepubliceerd door de International Standards Organization (ISO) die probeerde de traditionele CIE definities van UV-A te veranderen die al >75 jaar bestonden (ISO-20473-2007). Het technisch comité van de ISO, TC172 (optica), bereidde deze spectrale band norm voor door UV-A te herdefiniëren tot <380 nm in plaats van de CIE-definitie van 400 nm en probeerde een fijne grens voor te stellen tussen zichtbaar-beginnend bij 380 nm.22 De belangrijkste leden van het Comité voor de Oogheelkundige Industrie waren voorstander van ooglenzen en zonnebrillen die aan veel soepelere criteria voor “UV-blokkering!”

De CIE onderscheidt drie infrarode spectrale banden, grotendeels gebaseerd op spectrale variaties in de absorptie van infrarood door water. Het IR-A-bereik loopt van 780 tot 1400 nm (metavisibele golflengten), die goed door water worden doorgelaten en die het netvlies bereiken via het oculaire medium. Zoals eerder opgemerkt, bestaat er zelfs bij 1100 nm een zeer zwakke visuele prikkel; en IR-A dringt diep door in biologische weefsels en wordt daarom gebruikt in de diagnostiek en bij huidbehandelingen. Het infrarood B ligt tussen 1,4 μm (1400 nm) en 3,0 μm (midden-infrarood), en deze golflengten bereiken het netvlies niet, maar dringen wel tot enkele mm in de huid en het oogweefsel door. Het infrarood C is een uitgestrekt spectraal gebied, dat zich uitstrekt van 3,0 tot 1000 μm (1 mm). Deze ver-infrarode golflengten worden zeer oppervlakkig geabsorbeerd (<1 mm). Het extreem-infrarood C wordt ook wel terahertz (THz) straling genoemd.

Meten van licht-de CIE gestandaardiseerde radiometrische en fotometrische termen

De CIE definieert twee afzonderlijke systemen voor het meten van licht: het fotometrische en het radiometrische systeem. Het radiometrische systeem is gebaseerd op fundamentele fysische eenheden (tabel 1). Het fotometrische systeem wordt gebruikt in verlichtingsontwerp en verlichtingstechniek en is gebaseerd op een benaderende, maar gestandaardiseerde spectrale respons (V(λ)) van het daglicht (fotopisch) zicht met eenheden als: lumen (lichtgevend vermogen Φv), lux (lm/m2 voor verlichtingssterkte Ev), candela (lm/sr voor lichtsterkte Iv), en nits (cd/m2 voor luminantie Lv, d.w.z. “helderheid”). Het radiometrische systeem wordt door natuurkundigen gebruikt om stralingsenergie te kwantificeren, onafhankelijk van de golflengte; terwijl fotometrische grootheden alleen worden gebruikt voor zichtbaar licht, zijn radiometrische grootheden en eenheden ook van toepassing in het ultraviolette en infrarode spectrale gebied.23 Gedetailleerde termen, grootheden en eenheden worden online verstrekt in de elektronische ILV van de CIE op http://eilv.cie.co.at/, en deze worden op grote schaal gebruikt in internationale (ISO en IEC) normen.

Berekening van netvliesbelichtingen

De netvliesbestralingssterkte Er is recht evenredig met de radiantie (helderheid) L van de bron die wordt bekeken. De netvliesbestralingssterkte Er in W/cm2 is:

Er=0,27 × L × τ × de2

waarbij L de bestralingssterkte in W/cm2/sr is, τ de transmissiecoëfficiënt van het oculaire medium en de de pupildiameter in cm. Twee personen die naar hetzelfde tafereel kijken, kunnen gemakkelijk een pupilgrootte hebben die voldoende verschilt om een netvliesstralingssterkte te hebben die met een factor 2 (100%) verschilt!

De netvliesverlichtingssterkte (fotometrische maat) wordt gemeten in Trolands (td) en is de luminantie L (cd/m2) van de bekeken bron, vermenigvuldigd met het kwadraat van de pupildiameter (in mm). Deze eenheid wordt veel gebruikt in studies naar “flitsblindheid” en in sommige gebieden van gezichtsonderzoek. De retinale bestralingssterkte van omgevingsverlichting buitenshuis ligt in de orde van grootte van 0,02-0,1 mW/cm2 en deze niveaus zijn net comfortabel om naar te kijken. De retinale verlichtingssterkte buiten is ~5 × 104 td. Rechtstreeks kijken naar het beeld van de middagzon – een uitstraling die een miljoen maal hoger is dan die van de blauwe hemel of het grootste deel van de omgeving buiten – kan resulteren in een netvliesbestraling van ~6 W/cm2 of ~3 × 107 Td voor een pupil van 1,6 mm. In studies naar flitsblindheid wordt gewoonlijk ~107 Td × s genoemd als een “volledige verbleking”, die in een derde seconde zou optreden.