Марат Хамадеев

Физик-теоретик

У меня в глазу спектрометр: инструкция по разложению света невооруженным взглядом

Фраза Бианта Приенского «все свое ношу с собой» усилиями Цицерона стала крылатой. Вряд ли ее автор, покидая родной город с пустыми руками, подозревал, что носит с собой спектрометр, — но тот у него наверняка был. Есть такие спектрометры и у многих из нас — для того чтобы им воспользоваться, достаточно снять очки и присмотреться цветным пятнам, в которые превращаются отдаленные источники света. Сейчас расскажем, на что надо обратить внимание, чтобы произвести спектрометрическое измерение невооруженным глазом.


Введение

Я ношу очки с детства, у меня миопия (близорукость). Поэтому точечные источники света для меня выглядят как цветные пятна, а астигматизм придает им форму эллипса. Эти пятна чем-то похожи на объекты в расфокусе фотокамеры — но что важно, они крайне неоднородны, потому что наши глаза — это довольно «поношенные» объективы. На поверхности слизистой глаза часто плавают мелкие пылинки, в глазном яблоке есть дефекты, сам зрачок не идеально ровный, в общем, погрешностей у нашей оптической системы предостаточно. Я замечаю это все чаще: с возрастом мое зрение ухудшается, и, как следствие, размер видимых мной пятен увеличивается.

Не так давно я шел мимо шиномонтажного вагончика недалеко от моего дома. Он выглядел так, будто на дворе до сих пор 90-е годы прошлого века. Единственным анахронизмом в его образе была светодиодная лампа на крыше, которая переливалась всеми цветами радуги (до массового рынка светодиоды дошли уже в XXI веке, примерно тогда же, когда японским создателям недостающего элемента, синего диода, вручили за их изобретение Нобелевскую премию по физике).

Цвет лампы циклически менялся по всему спектру видимого диапазона — от красного до фиолетового, — и когда я оглянулся, отойдя подальше, то обратил внимание, что размер видимого мной пятна тоже циклически меняется. Никакой магии здесь не было: я просто столкнулся с хорошо известной в оптике хроматической абберацией — искажением, при котором волны разной длины фокусируются линзой в разных точках, и вокруг объекта возникают несколько его копий разного цвета и размера. 

Хроматическую аберрацию обычно упоминают, говоря о работе фотоаппаратов или других оптических приборов — телескопов, микроскопов и тому подобного. Увидеть ее своими глазами довольно сложно, особенно если зрение у вас идеальное. Но если верить книге «Цвет в науке и технике» за авторством Джадда и Вышецки (это первое, что попало мне в руки, когда я взялся изучать вопрос о хроматической абберации), именно поэтому фиолетовый для коммуникации на больших расстояниях, в семафорах и прочих сигнальных огнях, не используют. Фиолетовый свет получают на практике, смешивая красный и синий, и для удаленного наблюдателя один из них расплывется в пятно, а сигнал, соответственно, изменится.

Обратите внимание, что здесь речь идет именно о фиолетовом, как смеси красного и синего, а не монохроматическом свете с длиной волны, близкой к 400 нанометрам. Последний можно получить, например, с помощью лазера. Наше цветовое зрение устроено таким образом, что зачастую оба этих фиолетовых будут восприниматься нами как один и тот же свет. Почему так происходит — это интересный вопрос, достойный отдельного текста. Отмечу лишь, хроматическая аберрация хрусталика как раз таки дает возможность отличить одно от другого.

Сказанное и нарисованое выше касается идеально видящего глаза. Для человека же с нарушениями фокусировки зрения (в частности, с близорукостью) пятна будут видны для обоих цветов. При этом пятно меньшего радиуса будет иметь исходный (фиолетовый) цвет из-за сложения обеих компонент (в случае близорукости фиолетовым будет пятно для красных лучей), но появится дополнительная кромка. Для спектра, более сложного, чем рассмотренный нами двухкомпонентный, эта кромка будет неким цветовым градиентом. Зависимость цвета от радиуса в этом узком промежутке будет определяется интегралом по соответствующему спектральному интервалу.

Так вот: смотря на пульсирующее пятно далекой светодиодной лампы, я подумал, что это не что иное, как спектральная чувствительность человеческого глаза. Другими словами, любой, достаточно плохо видящий человек, носит в глазу спектрометр. Причем здесь работает принцип «чем хуже, тем лучше». Чем сильнее дефект зрения, тем больше диаметры обоих пятен, следовательно, тем больше разница этих диаметров и тем больше чувствительность вашего спектрометра. Конечно, она все еще остается небольшой, и все же после некоторой тренировки кромка пятен может стать источником дополнительной информации о спектре света. Например, истинный это фиолетовый или смесь красного и синего.


Обзор литературы

На N + 1 уже выходил большой материал Игоря Иванова про сверхспособности, доступные очкарикам. Там Игорь рассказывал о чем-то подобном, но предлагал использовать в качестве спектрометра линзу очков. А я, в свою очередь, в этой работе описываю метод, который позволяет проводить спектральный анализ света очкарикам без очков.


Методы

Я решил воспроизвести этот эффект в лабораторных условиях, поэтому отправился к себе на кафедру оптики и нанофотоники Казанского университета.

Для начала мне нужно было убедиться, что сильно расфокусированная оптика способна различить две разделенные спектральные компоненты. В качестве источника я выбрал ртутную лампу. Она обладает набором узких спектральных линий вдоль всего видимого диапазона.

Стоит отметить, что камера телефона несколько искажает цвета, теряет градиенты и привносит мелкие артефакты. Однако этими погрешностями в нашем случае можно пренебречь.

Изображение выше иллюстрирует принцип работы классической оптической спектроскопии. Спектры, испускаемые светящимися объектами, несут информацию об их энергетической структуре. Для разогретого газа в лампе эта информация максимально универсальна. Это означает, что раз и навсегда измерив спектры всех элементов таблицы Менделеева и занеся их в таблицы и базы, мы можем производить химический анализ любого исследуемого вещества, предварительно расщепив его на атомы (например, с помощью плазмы).

Но вернемся к нашему эксперименту. Чтобы получить хорошую демонстрацию, мне сначала нужно было выделить из всего спектра две компоненты — причем так, чтобы они оказались на его разных краях. Я сделал это с помощью повернутого под углом интерференционного светофильтра, который вырезал среднюю часть спектра. В результате свет стал фиолетового цвета.

Затем я заменил щелевую диафрагму ирисовой, чтобы источник света превратился в маленький кружок. Потом, отойдя на несколько метров, я сфотографировал его через линзу в сильно расфокусированном режиме.

Как хорошо видно на снимке, фиолетовая точка превратилась в два наложенных друг на друга круга, красный и синий. Радиус синего пятна больше, чем красного — как раз из-за хроматической аберрации стеклянной линзы. Соответственно, на снимке мы видим красный диск внутри синего, а без нее они смешиваются и становятся фиолетовой точкой. Примерно так для меня выглядят пятна некоторых далеких ламп и фонарей, в спектре которых присутствуют ярко выраженные и достаточно разделенные спектральные компоненты.


Обсуждение результатов

Чтобы убедиться в работоспособности метода, не обязательно идти в лабораторию. Давайте посмотрим, как увидеть то же самое в поле, точнее, на улице.

В качестве объекта исследования я выбрал пурпурный крест, которым пытается привлечь меня к себе аптека недалеко от моего дома. Ночью этот крест добавляет киберпанковские тона улице — с тем лишь отличием, что в качестве источника света в нем не неоновые, а по-видимому, светодиодные лампочки.

В роли контрольного спектрометра я использовал компакт-диск. Замечательная особенность этого артефакта — то, что информация на нем хранится в виде спиральной дорожки, которая бежит из центра к краям. Для нас важно, что если смотреть от центра диска к краю, его поверхность покрыта бороздками со строгим периодом 1,6 микрометра. Это превращает CD-диск в отражательную дифракционную решетку — оттого по нему и гуляют радужные блики.

У меня, да и, наверное, у многих из тех, что сейчас читает этот текст, даже нет устройства, чтобы считывать информацию с компакт-дисков. Поэтому их способность раскладывать свет по спектру кажется мне ныне более ценной, чем функция, связанная с хранением информации. С помощью такого CD-диска я убедился, что в спектре креста действительно преобладают две компоненты: красная и синяя. Это свидетельствует о том, что в каждой ячейке креста установлена пара почти монохроматических светодиодов, а не газоразрядная лампочка, спектр которой обычно содержит много компонент.

Отойдя достаточно далеко, чтобы крест превратился в почти точечный источник, я сфотографировал его через линзу. Если не считать астигматических и прочих искажений, снимок получился похож на то, что видит мой глаз.

Результат получился несколько перекошенным из-за фотографирования с рук, но в целом удовлетворительным: пурпурная точка аптечной вывески превратилась красный диск на фоне синего.

Вообще, гуляя по темным улицам ночного города с компакт-диском в руках, можно узнать много интересного о его огнях. Например, по дороге мне встретился фонарь, свет которого испускала ртутная лампа. В этом я убедился, посмотрев на спектр ее излучения, — он оказался таким же, как спектр ртутной лампы из лаборатории.


Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.