Човешкото око е удивителен инструмент и може точно да прави разлика между най-малките или най-фините разлики в цвета. Въпреки че човешкото зрение превъзхожда в една област, изглежда, че не достига в други, като възприемането на дребни детайли, поради естествените ограничения на човешката оптика.
В статия, публикувана вчера в списание Optica, на оптичното общество на Америка (OSA, САЩ), изследователски екип от Университета в Щутгарт (Германия) и Университета на Източна Финландия, Йоенсуу се възползва от силните страни на човешкото око при откриване на цвят, за да даде на окото способността да различава обекти, които се различават по дебелина не повече от няколко нанометра - приблизително дебелината на отделна клетъчна мембрана или вирус.
Тази способност да надхвърля границата на дифракция на човешкото око беше демонстрирана чрез обучение на малка група доброволци да идентифицират много фините цветови разлики в светлината, преминала през тънки филми от титанов диоксид при много ярки условия на осветеност, контролирани и прецизни. Резултатът беше много последователна серия от тестове, които разкриха неизползвания досега потенциал, който се конкурира със сложни оптични инструменти, които могат да измерват тези малки дебелини, като елипсометрия.
„Успяхме да покажем, че човешкото око е способно да определи без помощ дебелината на тънък филм - материали с дебелина само няколко нанометра - просто като наблюдаваме цвета, който той представя при специфични условия на осветление“, казва той в бележката на OSA Press Sandy Peterhänsel, Университет в Щутгарт, и водещ автор на статията. Действителният тест беше извършен в Университета на Източна Финландия.
Тънки филми
Тънките филми са от съществено значение за различни търговски и производствени приложения, включително антирефлексно покритие за слънчеви панели. Тези филми могат да бъдат с дебелина десетки нанометра. Тънките филми, използвани в този експеримент, са създадени чрез нанасяне на слой върху слой от отделни атоми върху повърхността. Макар и много точна, това отнема време и в индустрията се използват други техники, като отлагане на пари.
Оптичните свойства на тънките филми означават, че когато светлината взаимодейства с техните повърхности, се получава широка гама от цветове. Това е същото явление, което произвежда блестящи цветове в сапунени мехурчета и маслени филми във вода.
Специфичните цветове, получени по този процес, силно зависят от състава на материала, неговата дебелина и свойствата на входящата светлина. Тази висока чувствителност както към материала, така и към дебелината понякога се използва от квалифицирани инженери за бързо изчисляване на дебелината на филма до ниво от приблизително 10-20 нанометра.
Това наблюдение вдъхнови изследователския екип да тества границите на човешкото зрение, за да види до каква степен вариантът може да бъде измерен при идеални условия.
„Въпреки че пространствената разделителна способност на човешкото око е твърде слаба, за да характеризира директно дебелината на филма, добре е известно, че интерференционните цветове са много чувствителни към вариациите във филма“, казва Петерхансел.
Експериментирайте
Настройката на експеримента беше много проста. Поредица от тънки филми от титанов диоксид бяха произведени чрез атомно отлагане един по един слой. Въпреки че отнема много време, този метод позволява на изследователите внимателно да контролират дебелината на пробите, за да тестват ограниченията на зрението на участниците.
След това пробите бяха поставени на LCD монитор, който беше конфигуриран да показва чисто бял цвят, с изключение на цветна референтна област, която може да се калибрира, за да съответства на видимите цветове на повърхността на тънки филми с различна дебелина.
Цветът на референтното поле се променя от всеки участник, докато той напълно съвпада с референтната проба: правилното идентифициране на цвета означава, че те също така правилно определят дебелината му. Това може да бъде направено за по-малко от две минути и за някои тестови проби и участници оценката се различава само с един или три нанометра от истинската стойност, измерена по конвенционални средства. Това ниво на прецизност далеч надхвърля нормалното човешко зрение.
В сравнение с традиционните автоматизирани методи за определяне на дебелината на тънък филм, което може да отнеме пет до десет минути на проба, използвайки някои техники, работата на човешкото око се представя много по-добре.
Тъй като човешките очи се уморяват много лесно, този процес едва ли ще замени автоматизираните методи. Той обаче може да служи като бърза проверка от опитен техник. „Намерението на нашето проучване не беше изключително да сравним човешкото цветно зрение с много по-сложни методи“, казва Петерхансел. „Откриването колко точен може да бъде този подход беше основната мотивация за нашата работа.“
Изследователите предполагат, че може да е възможно да се открият още по-фини вариации, ако се прилагат други контролни фактори. „Хората често подценяват човешките сетива и тяхната стойност в инженерството и науката. Този експеримент показва, че нашето естествено зрение може да изпълнява изключителни задачи, които обикновено биха били възложени само на скъпи и усъвършенствани машини “, заключава Peterhänsel.
Библиографска справка:
Sandy Peterhänsel, Hannu Laamanen, Joonas Lehtolahti, Markku Kuittinen, Wolfgang Osten, Jani Tervo: Зрението на човешкия цвят осигурява наномащабна точност при характеризиране на дебелината на тънкия филм. Оптика (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000627.