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Luce e Colore

Salute a tutti! Presto inserirò un po’ di divagazioni sulla luce.

Per il momento ecco un po’ di spettri …:

La luce

Nel linguaggio comune la parola luce indica le onde elettromagnetiche di lunghezze d’onda visibili dall’occhio umano: cioè quelle radiazioni che vanno dai circa 380 nm (violetto) ai circa 780 nm (rosso), e che rappresentano dunque lo ’spettro visibile’.

I confini sono approssimativi perché esistono variazioni tra individui, comunque la maggioranza degli esseri umani ‘vede’ certamente la ‘luce’ tra il 400 e i 700nm. I raggi oltre i 780nm sono detti ‘infrarossi’ o IR, quelli che precedono il violetto ‘ultravioletti’, o UV. La sensibilità dell’occhio umano all’interno dello spettro visibile non è però omogenea (e neppure uguale tra individui): in particolare mediamente si ha un picco di sensibilità più o meno al centro dello spettro (circa 550nm –giallo verde-):

Sia i raggi infrarossi sia i raggi ultravioletti, sebbene siano ‘invisibili’, sono importanti per il fotografo perché sono influenti nella ‘registrazione’ della luce: in particolare la sensibilità ai raggi infrarossi (invisibili) è tipica dei sensori digitali, quella ai raggi ultravioletti (invisibili) è tipica delle pellicole. Questo può portare a dei risultati fotografici molto diversi rispetto alle attese: sia dal punto di vista quantitativo sia da quello qualitativo. Naturalmente questo può permettere di fare delle riprese che mettano apposta in rilievo caratteristiche ‘ottiche’ e fisiche non visibili altrimenti. Ma di questo parleremo più avanti. Non che serva molto ad un fotografo, ma può essere interessante sapere che questa limitata sensibilità dell’occhio umano ad una sola regione (spettro) delle radiazioni elettromagnetiche ha delle ragioni molto precise: i raggi ultravioletti dalla lunghezza d’onda più corta di 380nm sono dannosi per i tessuti umani, e avrebbero effetti distruttivi sulla retina; dall’altra parte i raggi infrarossi oltre i 780nm sono emessi dal corpo umano stesso e ancor di più dall’interno del globo oculare, se la retina fosse sensibile a quei raggi sarebbe dunque abbagliata dai raggi emessi dall’occhio stesso! Un’altra cosa che vale la pena di sapere è che anche le onde radio che arrivano alla lunghezza di 10.000m (10Km) sono elettromagnetiche, così come, dall’altra parte, lo sono i ‘raggi gamma’ dalla lunghezza di un miliardesimo di millimetro!

Ma torniamo al nostro spettro visibile. A voler essere precisi la luce –i raggi luminosi- nel vuoto non sono affatto visibili: quelli che noi vediamo sono gli effetti (in realtà solo una parte di quelli) dell’interazione delle radiazioni con qualche altro ‘corpo’, in particolare i raggi riflessi verso il nostro organo percettivo: ovvero l’occhio. Insomma la ‘luce’ che noi vediamo è per la maggior parte riflessa: è tramite i raggi riflessi che ‘vediamo’ il mondo che ci circonda. Ovviamente vediamo anche i raggi che eventualmente vengono rifratti o diffratti verso i nostri occhi, il caso più noto ed evidente è il cielo azzurro. Abbiamo parlato poco fa di luce riflessa e di raggi rifratti: cosa vogliono dire queste definizioni? Per capirlo occorre avere qualche informazione ulteriore sulla luce.

I raggi luminosi si propagano per via rettilinea (anche nel vuoto dove raggiungono la velocità di circa 300.000 km al secondo, più precisamente c = 299 792,458 km/s), possono subire una deviazione dalla loro traiettoria per tre cause, le quali danno luogo a tre fenomeni importanti per il fotografo: la rifrazione, la riflessione e la diffrazione. Ad essere precisi esiste un altro fenomeno di deviazione dei raggi luminosi: quello postulato da Einstein nella sua ‘teoria della relatività generale’, qui non ne parleremo perché non è necessario per comprendere il comportamento della luce dal punto di vista di un fotografo.

Rifrazione

La propagazione della luce subisce una deviazione dal suo moto rettilineo quando passa da un mezzo di propagazione ad un altro che abbia caratteristiche molecolari tali da diminuirne la velocità. Questa deviazione si chiama appunto rifrazione. Più è alto l’indice di rifrazione maggiore è la deviazione subita dalla luce. E’ interessante però sapere che la rifrazione non è uguale per tutte le lunghezze d’onda: le lunghezze d’onda di maggiore ampiezza (il rosso) subiscono una deviazione minore di quelle più corte (violetto). Questa comporta la scomposizione  (dispersione ) della luce ‘bianca’ (la luce bianca tipica è quella solare) nelle varie lunghezze d’onda dei vari raggi che la compongono, facendo passare la luce attraverso un prisma avremo la proiezione  dello spettro cromatico:

Oppure:

La rifrazione è importante per il fotografo perché è proprio sfruttando la rifrazione dovuta al passaggio della luce dall’aria al vetro che vengono progettati e costruiti i sistemi ottici che proiettano l’immagine sul piano focale, consentendone la registrazione.

Riflessione

Quando i raggi di luce raggiungono la superficie di un ‘corpo’ che non ne permetta la penetrazione (totale o parziale), si riflettono sulla superficie. In altri termini la luce ‘rimbalza’ su quella superficie cambiando traiettoria. Questo avviene per via della struttura (atomica) del materiale, che non permette la trasmissione del flusso luminoso al suo interno. La spiegazione fisica di questo fenomeno esula dagli scopi di questo scritto. La riflessione della luce visibile può essere anche impedita -in gran parte- da una superficie che assorba il flusso luminoso: una superficie con queste caratteristiche appare all’occhio ‘nera’. Del suo opposto ‘psicologico’, ossia della superficie che appare ‘bianca’, parleremo tra poco.

Il tipo più semplice di riflessione è la ‘riflessione speculare’ che si verifica quando la superficie su cui incide la luce è perfettamente levigata, lucida e liscia. Il raggio riflesso ha in questo caso un angolo di uscita uguale a quello del raggio incidente, ma rovesciato –appunto specularmente- in modo simmetrico rispetto all’ortogonale della superficie:

Ognuno di noi ha un’esperienza quotidiana di cosa sia uno specchio piano, che rappresenta una condizione tipica di riflessione speculare tanto da dargli il nome, non credo quindi che occorra parlarne oltre. Occorre però dire che la riflessione speculare perfetta nella realtà non esiste, e rappresenta un caso limite, utile ciononostante per fare dei calcoli teorici. All’opposto della riflessione speculare ‘perfetta’ e totale – una riflessione dunque in cui nessun raggio penetri oltre la superficie né venga assorbito da essa- troviamo la riflessione totale ‘diffusa perfettamente uniforme’, cioè una riflessione di ‘tutta’ la luce incidente in tutte le direzioni possibili:

Anche questo è un caso limite ‘ideale’: nella realtà la maggioranza delle superfici ‘riflettenti’ si colloca entro questi casi estremi approssimandosi più o meno ad uno di essi.

(la lunghezza delle frecce indica la quantità di luce riflessa)

Abbiamo parlato sin qui di ‘riflessione totale’: è bene dire subito che anche questo è un caso ideale. Nel mondo reale non esistono superfici che riflettano ‘tutta’ la luce che li colpisce, una parte di radiazione sia pur minuscola penetra comunque la superficie, sia che venga ‘assorbita’ sia che continui la sua traiettoria all’interno del ‘corpo’ (subendo però una deviazione nel caso che quest’ultimo abbia un indice di rifrazione diverso da quello dell’aria: vi ricordate?). Quando la percentuale della luce riflessa da una superficie è elevata e prevalentemente diffusa, senza apportare però nessuna ‘selezione’ tra le varie lunghezze d’onda, la superficie appare visivamente ‘bianca’. Quando la luce è riflessa altresì in modo indifferenziato e diffuso, ma in una percentuale relativamente bassa, la superficie appare ‘grigia’. A questo punto viene da domandarsi quale sia la linea di confine precisa tra il grigio e il bianco: questo confine in realtà non esiste e si può ‘deciderlo’ solo per confronto. Altrettanto sfumato è il confine tra il grigio scuro e il nero. Tutte tre le superfici: nera, bianca e grigia sono ‘neutre’, ossia non assorbono nessuna lunghezza d’onda in particolare. Quando invece l’assorbimento della luce incidente riguarda solo alcune lunghezze d’onda, la superficie riflette tutte le altre, dando la sensazione di essere ‘colorata’. In questo caso parleremo di riflessione ‘selettiva’. Vedremo tra poco questo fenomeno, quando ci occuperemo di colore.

La diffrazione

La diffrazione è il terzo caso di deviazione delle onde elettromagnetiche. La sua analisi e descrizione dal punto di vista fisico sarebbe complessa e dovrebbe coinvolgere necessariamente la matematica. In questo testo mi limiterò a descrivere alcuni casi interessanti per il fotografo. La diffrazione può essere descritta come la ‘deviazione’ che un raggio luminoso subisce quando incontra un ostacolo di dimensioni simili alla sua lunghezza d’onda, Il punto di impatto si comporta in questo caso come una fonte secondaria di onde puntiforme. Quando la luce attraversa un foro o una fenditura talmente piccola da essere comparabile alla lunghezza d’onda delle radiazioni della luce visibile (380-780nm) molti dei suoi raggi vengono ‘diffratti’, cioè cambiano traiettoria:

la luce dunque si piega leggermente lungo l’orlo di barriere aggirandole e propagandosi anche dietro di esse quando queste hanno una dimensione dell’ordine della lunghezza d’onda della luce. Questo può generare inoltre interferenze:

Dal punto di vista pratico questo può avere degli effetti negativi in sistemi ottici, portando ad un peggioramento della risoluzione e contrasto dell’immagine ‘proiettata’. E’ per questo che con obiettivi dalla lunghezza focale molto corta, quando si chiude molto il diaframma, e quindi si fa passare la luce per un ‘foro’ molto piccolo, si ha una notevole  riduzione della capacità risolutiva e del contrasto. Questo fenomeno è dato dall’aumento percentuale dei raggi ‘diffratti’ e ‘fuori fuoco’ rispetto a quelli che seguono il percorso ‘rifrattivo’ previsto dal progetto, e che andranno a formare l’immagine ‘a fuoco’ sul piano focale.