Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Как устроен глаз
Рис. 2. Спектры поглощения палочек и колбочек
Рис. 3. Угловая зависимость концентрации палочек и колбочек
Рис. 4. Аддитивное и субстрактивное формирование цвета
Рис. 5. Как получить любой другой цвет?
Рис. 6. Как получается белый цвет?
Рис. 7. Спектр излучения абсолютного черного тела, нагретого до разных температур
Рис. 8. Индекс цветопередачи

Оптический прибор "ГЛАЗ" как детектор белого света

Ключевые слова:  люминесценция, периодика

Автор(ы): Уточникова Валентина Владимировна

Опубликовал(а):  Уточникова Валентина Владимировна

15 января 2012

Как говорит наш инженер по технике безопасности,
ничто так не радует глаз,
как второй глаз.

Для того чтобы понять, как улучшить источники света, сначала нужно понять, как устроен главный детектор света в нашем организме – глаз. Как мы помним из школьного курса, за восприятия света у нас отвечают три типа колбочек, детектирующие свет трех базисных цветов, и один тип палочек, отвечающих за черно-белое зрение. При этом колбочки хорошо работают днем, а палочки – ночью.

Разумеется, спектры поглощения как тех, так и других не линейчатые: спектры поглощения колбочек имеют максимумы при 420 нм («синий» тип), 534 нм («зеленый») и 564 нм («красный»), а палочки имеют спектр поглощения с максимумом при 498 нм. Если построить суммарный спектр поглощения колбочек, то окажется, что его максимум смещен вправо относительно максимума спектра палочек, так что ничего удивительного, что ночью мы лучше видим предметы, окрашенные в синие цвета.

Кроме того, концентрация палочек и колбочек меняется по поверхности глаза. Так, колбочки расположены прямо напротив кристаллика, а дальше их концентрация сразу резко снижается. В то же время палочки располагаются по поверхности ретины вдоль сферического угла около 140º, однако как раз напротив хрусталика их нет: все место уже занято колбочками. Так что вы, например, иногда не видите луну, глядя прямо на нее. Отведя же взгляд немного в сторону, вы легко ее увидите: палочки – а именно они ответственны за ночное зрение – начинают работать.

Итак, какие же требования в источникам освещения это диктует? Во-первых, нам снова нужны три базисных цвета, которые будут воспринимать три типа колбочек. Во-вторых для хорошего восприятия цвета нужны миллионы пикселов, которые будут восприниматься пятью миллионами колбочек. А в-третьих особенностью нашего зрения является то, что время сбора изображения составляет 20 мс, что особенно важно при создании телевизоров.

Итак, как же получить всю цветовую гамму? Рассмотрим способы формирования цвета: аддитивное и субстактивное. Аддитивное формирование света основано на использовании трех базисных цветов. Тогда при их попарном слиянии цвета налагаются по принципу красный + зеленый = желтый, красный + синий = маджента, зеленый + синий = циан, а накладывая вместе все три, мы получим белый. Если же мы используем источник белого света всех длин волн и выделяем отдельные цвета с помощью светофильтров, то работает субстрактивное формирование цвета, когда в результате, накладывая друг на друга все цвета, получается черный.

Перейдем к аддитивной системе. Как же получить весь спектр? Для этого вернемся к нашему глазу. Его невозможно описать математическими функциями, но эмпирически поверхность цветовосприятия давно известна. Как же пользоваться этой зависимостью? Предположим, у нас есть два монохроматичных источника света L1 и L2 с соотношениями интенсивностей I1:I2. Тогда при их смешении цвет, который мы увидим, находится на отрезке, соединяющим точки L1 и L2 на диаграмме CIE, в точке, делящей этот отрезок в пропорции I2:I1 (обратной к I1:I2, то есть ближе к тому цвету, интенсивность которого больше).

Как же получить белый цвет? Понятно, что с помощью двух цветов это не всегда возможно, да и трех-то не любых. Однако если у нас есть источники и красного, и зеленого, и синего света, то задача имеет решение. Для начала проведем отрезок между точкой, соответствующей одному из цветов, и центром диаграммы, где расположен белый цвет. Точка, в которой отрезок второй раз пересечет диаграмму, соответствует «дополнительному» цвету, который нам нужно получить с помощью двух других, а по тому, как отрезок разделяется «белой» точкой легко узнать соотношение первого взятого и дополнительного цветов. Теперь, чтобы создать дополнительный цвет, нужно просто посмотреть, в каком соотношении точка с его координатами делить отрезок, соединяющий точки, соответствующие двум другим цветам.

Что же такое "белый свет" и так ли однозначно это понятие? Для ответа на этот вопрос рассмотрим тепловое излучение. По законц Планка абсолютно черное тело, нагретое до температуры Т, излучает свет мощностью

U(l) = (2hn3/c2) 1/[ehn/kt -1],

где l - длина волны, а n - частота.

Зависимость U(l) имеет вид кривой, уходящей в 0 на бесконечности и с максимумом, положение которого зависит от температуры. Так, при температуре 3500 К максимум излучения приходится на 800 нм, а при 5500 К - на 500 нм.

Цветовой температурой любого источника света называется температура, которую имело бы абсолютно черное тело, излучающее свет с тем же максимумом. Так, лампа накаливания имеет цветовую температуру 2700 K, флуоресцентная лампа - 4000 K, а дневной свет - 6500 K.

Еще одним важным параметром является индекс цветопередачи - уровень соответствия естественного цвета тела видимому цвету этого тела при освещении его данным источником света. Индекс цветопередачи, равный 0, имеют монохроматические источники излучения: все предметы под действием такого излучения окрашены в один цвет вне зависимости от их истинного цвета. Близкий к 0 индекс цветопередачи имеют натриевые лампы. Индекс цветопередачи, равный 100, имеет сам дневной свет, а близкий к 100 - лампы накаливания.



Средний балл: 10.0 (голосов 6)

 


Комментарии
Палии Наталия Алексеевна, 19 января 2012 14:44 
интересная и познавательная публикация лампа накаливания имеет цветовую температуру 2700 K, флуоресцентная лампа - 4000 K, и эти цифры проставляются при маркировке энергосберегающих ламп
Интересная публикация.Но меня смутила формула для излучения АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА.Действительно,почему в Левой части-длина волны,а в Правой - частота?Это заметно влияет на привычный вид формулы.Кроме того,обычно длину волны обозначают L-ламбда,а частоту -V(НЮ),почему выбраны столь непревычные индексы?
Клюев Павел Геннадиевич, 18 февраля 2012 21:10 
вот n наверное и есть "Ню"
Клюев Павел Геннадиевич, 18 февраля 2012 21:13 
и в левой части должно быть n=Ню
Клюев Павел Геннадиевич, 18 февраля 2012 21:14 
все-таки зависимость от длины волны в явном виде не указана
Не понял,что Вы хотели сказать,поскольку в Левой части уравнения читаем:"U(I),где I- длина волны."Кстати,в формулах,связанных с излучением,символом-I обычно обозначают интенсивность излучения (поглощения) света,а символом - n - показатель преломления света.Если же I = НЮ,то в формуле опечатка.Кроме того,из Правой части пропало число ПИ.
Клюев Павел Геннадиевич, 19 февраля 2012 15:24 
Геннадий Викторович, просто в левой части уравнения вместо U(НЮ) написали по ошибке U(l), где l в обозначениях автора - это длина волны. Нужно было написать U(НЮ). Я с Вами согласен, в формуле опечатка. Спасибо!
А как с числом ПИ? Куда оно делось?
Клюев Павел Геннадиевич, 19 февраля 2012 16:11 
да, все-таки в формуле однозначно опечатка. В физической энциклопедии множитель перед дробью с экспонентой в формуле Макса Планка дается как 8*pi*h без черты* (НЮ)3/ с3. Если эту формулу расписать и вместо АШ без черты подставить АШ с чертой, а НЮ выразить через ОМЕГА=2*pi*НЮ, тогда получится представленная формула, но только без ПИ в знаменателе.
Число ПИ в знаменателе формулы Планка мне никогда не встречалось.Может быть Вы имели в виду числитель?
Клюев Павел Геннадиевич, 19 февраля 2012 17:32 
есть как формула с ПИ в знаменателе, так и формула с ПИ в числителе. все же зависит от того, используем мы круговую частоту ОМЕГА (в некоторых источниках встречается) или обычную частоту НЮ в Герцах. Вот например, учебник Ахманова "Физическая оптика". Здесь автор использует ОМЕГА и АШ с чертой.
Как я уже сказал, если расписать "общепринятую" формулу из Физической энциклопедии в терминах ОМЕГА и АШ с чертой, то как раз из НЮ и АШ и выскочит ПИ в знаменателе(НЮ3=ОМЕГА3 / 8*ПИ3, которое сократится с ПИ в числителе и еще раз сократится с ПИ при переходе АШ=2*ПИ*АШ с чертой).
Переход к компьютерному набору привел к тому,что в современных учебниках,знаю по своему опыту,и справочниках,что особенно плохо,появилось слишком много опечаток.Думаю,что авторов публикации следует попросить привести формулу к общепринятому виду и закончить нашу дискуссию.
Клюев Павел Геннадиевич, 19 февраля 2012 17:35 
Абсолютно согласен!
Очень познавательно!
Есть пара запутывающих моментов:
"Цветовой температурой любого источника света называется температура, которую имело бы абсолютно черное тело, излучающее свет с тем же максимумом."
Если источник света - раскалённый объект (лампа накала), то с цветовой температурой понятно.
А если не раскалённый (КЛЛ, СД, ДНАТ и прочие), то тут не всё однозначно. Цветовую температуру обзывают "эффективной" и подразумевают, что цвет, который видит глаз (с учётом функции видимости глаза и без оглядки на наполненность спектра) близок к цвету АЧТ с такой температурой.

С этими индексами цветопередачи тоже не всё гладко - попробуйте описать их сущность и возникнет масса вопросов.
Нынче для СД индекс разбили на спектральные полосы (3 и более полос) и декларируют её для каждой полосы отдельно (добросовестные производители). Но и эти индексы тоже не объективны.

"Как же получить белый цвет? Понятно, что с помощью двух цветов это не всегда возможно..." как раз на рис.5 у Вас приведена цветовая пара по которой построены двухкомпонентные светодиоды белого цвета - самый оптимальный вариант (среди белых СД) по произведению эффективности на средний индекс цветопередачи.

Графики со спектрами удобнее разглядывать в логарифмическом масштабе по шкале интенсивности - так видит мозг через глаз. И выразить их в число фотонов, т.к. глаз - фотонный приёмник.
Слышал,будто бы у С.И.Вавилова был лаборант, который умел глазом считать кванты,т.е выполнял роль современного квантометра.Не знаю,насколько это правда или же ложь,но говорить,что "глаз- фотонный приёмник",мне представляется большим преувеличением.
Когда я писал "фотонный приёмник" - я имел в виду не то, что он может считать отдельные фотоны, а то, что сигнал в мозгу пропорционален количеству попавших в глаз фотонов, а не количеству попавшей в глаз энергии . Например глаз мог бы измерять температуру сетчатки и судить о сигнале по её нагреву - это был бы энергетический приёмник. Но глаз работает по другому - фотон взаимодействует с фотохромной молекулой стимулируя перемещение заряда с одного её конца к другому.

Если построить функцию видимости в логарифмическом масштабе в виде числа фотонов, то если взять точку на этой кривой, равную половине максимума (в единицах оси ординат), то мозг будет воспринимать эту длину волны как в два раза менее яркую по сравнению с длиной волны максимума.

Вполне вероятно существование в природе аспирантов с повышенным коэффициентом положительной обратной связи в зрительном тракте .
Не понял:если термопара,то это энергетический приемник,а если фотоэлемент,то уже нет?А что тогда такое: E = hv?
Если взять свет одной длины волны и интенсивности, то фотонный и энергетический приёмник покажут разные сигналы.
В фотонном приёмнике излучения фотоны взаимодействуют с той характеристикой тела, которая и измеряется (например генерируют электрон-дырочную пару при межзонной генерации). Измерив заряд можно оценить количество поглощённых фотонов (в штуках).
В энергетическом фотон взаимодействует с телом, но измеряется опосредованная величина, например фотон взаимодействует со свободным электроном в зоне проводимости и увеличивает его кинетическую энергию (но новых носителей не генерирует), что приводит к разогреву материала. Измерив температуру материала можно оценить поглощённую энергию (в джоулях).

Чаще всего приёмники смешанные и технологи усиленно борются дабы подавить один из механизмов в данном конкретном типе приёмников.

Я особо не замечал изменений в своём зрении при изменении температуры своего тела (при вирусных заражениях и отравлениях), по этому рискну предположить, что вклад теплового сигнала в глазном тракте невелик, а преобладает фотонный.
Я всегда думал,что есть приемники двух типов - тепловые \термопары,термосопротивления ..\ и фотоэлектрические \фотоэлементы,фотоумножители ..\.И те и другие регистрируют излучение \ hv \,только одни работают в видимой и ультрафиолетовой области,а другие - в инфракрасной.Иными словами тепло - есть излучение в инфракрасном диапазоне.Мне представляется,что в нашей дискуссии мы путаем классический \волновой\ и квантовый \фотонный\ механизмы влияния на сетчатку глаза.
Согласен с тем,что в тепло- и фотоприемниках процесс превращения энергии излучения в сигнал существенно разный.Но не думаю,что это обстоятельство позволяет относить фотоприемники к "не энергетическим".И в том и в другом случае идет регистрация ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ,но по разным механизмам.
Буду солидарен, физика работы глаза пока полностью не изучена.
Однако вопрос остаётся открытым - в каких осях надо построить спектр, чтобы он линейно выражал восприятие мозгом?
Думаю,что в этом случае работает обычный закон Бугера-Ламберта-Бера,т.е. речь идет о воздействии ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТОВОГО ПОТОКА.Но интенсивность может быть выражена,как зависимость от квадрата напряженности электромагнитного поля /волновая теория/,так и через вероятности вынужденных квантовых переходов /коэффициенты Эйнштейна/.Важно,что любой из этих подходов дает одинаковые результаты.
Но суть моих возражений сводилась к тому,что Вы тепловые приемники определили как "энергетические",в отличие от фотодетекторов.Мне представляется,что за таким определением скрывается термин "тепловая энергия".Но такой энергии,как известно,не существует.Возможно,конечно,что я ошибаюсь и Вы имели в виду просто различные механизмы регистрации сигнала.
Да, я имел в виду разные механизмы.
Я хотел сказать, что в случае теплового приёмника подсчитать число фотонов, которые дали сигнал, если не знать спектр сигнала - практически не возможно. Аналогично в случае фотонного приёмника и подсчётом энергии сигнала.
Приношу свои извинения, если ввёл в заблуждение.
Интересная и познавательная статья. Но ещё бы немного отослать к тем первоначинателям, которые ещё "в древности" изучали цвет и свет. Ждём-с. Поддержите.
Поддерживаю:популярное изложение интересующих вас вопросов можно найти в книжке С.И.Вавилова "Глаз и Солнце",М.,1961,160 с.;философскому обсуждению проблемы посвящена дискуссия между Гейне и Ньютоном \см.сайт "Гейне"\
Геннадий Викторович! Большое спасибо за внимание и отзывчивость. Книжку академика Вавилова С.И. нашли. До Гейне пока не добрались - сайт нашли; но "знакомимся" с творчеством Иоганна Гёте. Интересно!
Геннадий Викторович! Большое спасибо за внимание и отзывчивость. Книжку академика Вавилова С.И. нашли. До Гейне пока не добрались - сайт нашли; но "знакомимся" с творчеством Иоганна Гёте. Интересно!

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Жемчужина
Жемчужина

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

II Всероссийский химический диктант пройдет 18 мая 2019 года
В 2019 году периодическому закону Дмитрия Менделеева исполнится 150 лет! В честь великого открытия этот год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Одним из наиболее ярких событий, приуроченных к этому году, станет II Всероссийский химический диктант, который пройдет 18 мая и который в этом году выходит на международный уровень. Мероприятие было анонсировано в рамках церемонии открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 года в Париже, в штаб-квартире ЮНЕСКО.

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.