先日、あぷらなーとさんが電球色のLED照明を購入したことを話題にされていましたが、それで思い出したのがSky & Telescope誌の2016年6月号にあったRobert Dick氏の” Is Red Light Really Best?”という記事です。
これまで、天体観測の現場では「目に優しい（暗順応を邪魔しない）」という意味で赤い光の使用が推奨されてきました。しかし、白熱電球に代わってLEDが主流になった現在、その「常識」は本当なのか？をこの記事では改めて検証しています。記事をすでに読んだ人にとっては旧聞に属しますが、以下、同記事に沿って、簡単にですがどんな照明が適切なのか考えてみようと思います。
眼の仕組みと最適な照明
私たちの眼の網膜上には、光を検知する2種類の細胞が存在します。錐体（すいたい）細胞と杆体（かんたい）細胞です。
錐体細胞は明るいところで主に働く細胞で、網膜上で視野の中心部に相当する「黄斑部」と呼ばれる部分を中心に分布しています。錐体細胞はさらに、黄色〜赤色の長波長（波長560nm付近）に感度のピークがあるL-錐体、黄緑色（波長530nm付近）がピークのM-錐体、短波長の青色（波長420nm付近）がピークのS-錐体の3つに分けられ、このL, M, Sの各錐体細胞がそれぞれどれだけ反応したかによって色を識別することが可能になっています。ちょうどR, G, Bの各画素に分かれているデジカメのセンサーの仕組みと同じようなものです。錐体細胞の総数は600～700万個ほどで、S-錐体はそのうちの数%ほど。M-錐体とL-錐体の割合は個人差が大きく、同数程度の人もいればL-錐体の方が2倍ほど多いという人もいます。
一方の杆体細胞は暗いところで主に働く細胞で、網膜上の視野周辺部に多く存在します。杆体細胞は500nm付近に感度のピークを持つ1種類しか存在せず、そのため色を識別することはできません*1。その代わり感度は非常に高く、錐体細胞のおよそ1000倍もあります。ただし、感度の高さに特化しているため光強度の時間変化には弱く、強い光が当たると細胞がなかなか元の状態に戻らないという弱点があります。天体観測の際に強い光を避けるべき理由の1つです。
杆体細胞の数は錐体細胞のおよそ20倍ほどもありますが、眼の分解能にはあまり影響しません。CCDカメラなどには複数画素を束ねてS/N比を高める「ビニング」という機能がありますが、私たちの眼にもちょうどこれと同じように、複数の杆体細胞を束ねてS/N比を高める仕組みが備わっています。そのため細胞の数の割に分解能は高くない（錐体の1/10ほど）のです。さらに、杆体細胞は視野中心部にはほぼ存在しないため、暗いところで何かを見つめようとしてもうまく見ることができません*2。つまり、暗いところで星図などを読もうと思った場合、杆体細胞の働きだけでは満足な視力を得ることができないのです。
そこで赤い光の登場です。
この図は、錐体細胞（Cone cell）と杆体細胞（Rod cell）の各波長に対する感度をプロットしたものです（Sky & Telescope, 131 (6), 2016）。これを見ると、長波長域（赤色）において錐体細胞の感度が杆体細胞の感度と同等ないしやや上回っていることが分かります。つまり赤い光を使えば、杆体細胞を過度に刺激することなく、分解能に優れた錐体細胞を機能させることができます。これが、これまで伝統的に赤いランプが天体観測の現場で使われてきた理由です。
ところが、白熱電球に変わってLED電球が主流になってから事情が変わってきました。下の図には、赤色LEDの一例として日亜化学 NSPR310Sのスペクトルを挙げましたが、640nm付近に半値全幅20nm程度の非常に鋭いピークが立っているのが分かります。これは、連続光で輝いている白熱電球に赤いフィルターをかぶせた場合とは大きく異なります。
波長域がこれだけ狭いと、錐体細胞のうちでも長波長側にピークを持つL-錐体しか機能せず、目の分解能は十全に発揮されません。これでは星図などを読むには不十分です。より強い光を使えば、ピークの裾野部分が持ち上がり、M-錐体も機能して視力は回復するかもしれませんが……ここで先ほどの感度グラフを思い出してください。この波長域で、杆体細胞は錐体細胞とほぼ同等の感度を持っています。ここに強い光を当ててしまうと、杆体細胞は暗順応の状態を解かれてしまいかねません。*3
そこで、Sky & Telescopeの件の記事ではアンバー（オレンジ色）のLEDの利用を推奨しています。
こちらはアンバー色のLED（日亜化学 NSPA310S）のスペクトルですが、上の赤色LEDに比べると幅広い波長域で輝いているのが分かります。これを十分に暗い状態で用いれば、杆体細胞を刺激することなく、M-錐体とL-錐体の両方を機能させることが可能になります。これなら数の多いM-錐体とL-錐体が機能するため分解能は高まりますし、暗順応も維持できるというわけです。
記事の筆者が調べたところ、1ルクス程度（月明かりの10倍ほど）までの明るさなら、暗順応に大きな悪影響はなさそうとのこと。一方で3ルクスを超えると、復元時間が大幅に伸びてしまうようです。
以前にも書いたデジカメの感度の話もそうですが、使用機器の変化や進化に伴い、最適解は時々刻々変わってきています。「常識だから」と思考停止に陥らないよう、常に勉強が必要なようです。
hpn.hatenablog.com
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なお、赤色LEDの光は眼の分解能的には不利とはいえ、十分に暗ければ杆体細胞を刺激しないのは確かなので、細かいものを見る必要がない状況下では有効であることに変わりはないと思います。
一方、通常の白色LEDには青い光成分が大量に含まれていますが、感度曲線を見れば分かるとおり、これは杆体細胞をひどく刺激するため、たとえ十分に暗かったとしても使用は避けるべきです。
さて、アンバーに近い電球色LEDを採用したヘッドランプは、登山用のランプを筆頭にいくつかモデルが存在します。気になる明るさですが、例えばモンベルの「コンパクトヘッドランプ」は5ルーメン、ビクセンの「天体観測用ライト SG-L01」は4～27ルーメンの可変といった感じで、おおむね5ルーメン前後が標準的なようです。これで1ルクスを実現しようとすると、2～2.5m四方を照らした時くらいの明るさになるでしょうか*4*5。足元などを見渡すにはちょうど良さそうですが、手元で星図などを見るには明るすぎる感じです。スモークフィルムやNDフィルターなどの減光手段が必要かもしれません。
【2018/11/30 追記】
参考までにですが、「手元で1ルクス」というのは、おそらく想像以上に暗いです。仮に手元で50cm四方（＝0.25平方メートル）の範囲を1ルクスで照らすとすると、必要な光源の光束は0.25ルーメンになります。上記の市販のライトを使うなら、ND16くらいの濃さのフィルターを噛ませる必要が出てくる計算です。
ちなみに、あぷらなーとさんが最初に購入されたパナソニックの電球型LEDランタンBF-AL05P-Wは、弱点灯時に50cm前方で約0.3 ルクスということなので、十分に暗そうですね。眼からの距離にもよりますが、地面に置いて使う分には暗順応をほとんど妨げないと思います。
*1:星雲などを望遠鏡で見た時、写真のような色を感じられずモノクロに見るのはこのためです。逆に、強い光を見た直後など、杆体細胞が働かない状態で明るい星雲を見ると、錐体細胞が働くために色を感じられる場合があります。
*2:星雲のような淡い天体を望遠鏡で見る時、じっと対象を見つめるのではなく、「そらし目」にするといいと言われるのはこのためです。
*3:「白熱電球＋赤フィルター」の場合、波長域はここまで狭くないので、眼の反応は下記のアンバー色LEDと同じような挙動になります。
*4:「ルーメン」は「光源が放つ光の強さ」を示す単位で、「ルクス」は「光が照らす面の明るさ」を示す単位。1ルーメンの光源が1平方メートルの面を照らした明るさが1ルクスです。
*5:実際のところは、ライトの光の広がり方にもよるので何とも言えませんが。
