1. Теоретические основы света

Свет является поставщиком энергии для жизни. Что же представляет из себя свет? Ученые ставили многочисленные опыты, в которых свет имел свойства то частиц (названных фотонами), то волн. Представить себе это достаточно сложно, но возможно. Например, мужчина может быть отцом по отношению к своим детям, и одновременно ребенком по отношению к своим родителям, т.е. имеет свойства как ребенка, так и родителя. Так и свет, в одних ситуациях его действие проще объяснить и описать, как поведение частицы, а в других - как волны. В настоящее время ответ на природу света дает квантовая физика, согласно положениям которой квантовые объекты, из которых состоит свет, могут с некоторым приближением иметь свойства частиц или волн, но не являются ими в строгом понимании.
Для нас важнее именно волновые свойства света, поэтому на них и остановимся. У любой волны есть две важных характеристики - амплитуда и длина волны.



Длина волны измеряется в нанометрах (нм), это важно запомнить, нам в дальнейшем пригодится.

Глаз человека воспринимает свет в ограниченном диапазоне длин волн - от 350 до 780 нм. Свет может быть воспринят непосредственно от источника, после отражения от поверхности или после преломления при прохождении через прозрачный или полупрозрачный объект. При этом волны различной длины воспринимаются глазом как различный цвет.
Сетчатка человеческого глаза имеет два вида светочувствительных клеток (фоторецепторов): палочки и колбочки.
Рассмотрим сначала работу колбочек. В сетчатке глаза их имеется три разновидности, отличающихся различной чувствительностью к волнам разной длины.

Колбочки, чей максимум чувствительности находится в диапазоне от 400 до примерно 500 нм посылают в мозг сигнал, воспринимаемый как синий цвет. Аналогично два других типа отвечают за зеленый цвет и красный.




Совокупность этих сигналов складывается мозгом и превращается в результирующее ощущение цвета. То есть цвет света - это не объективный параметр излучения, а наше его восприятие, его ощущение.



График показывает интегральную, т.е. суммарную чувствительность глаза. Излучение с длиной волны менее 400 нм называется ультрафиолетовым и не воспринимается глазом, хотя его видят многие виды животных и птиц. Излучение с длиной волны выше 700 нм называется инфракрасным.

Такая структура работы глаза (три вида цветовых рецепторов) используется в телевидении, например. Так для создания у нас ощущения любого цвета достаточно смешать в различных пропорциях интенсивности всего три базовых цвета - красный, зеленый и синий, а наш глаз увидит огромное количество разных оттенков. Если интенсивность всех трех базовых цветов будет нулевая - мы воспринимаем такой цвет как черный. В случае примерно равной интенсивности базовых цветов - цвет воспринимается как белый. Разная интенсивность базовых цветов создает всю воспринимаемую глазом палитру.

Колбочки реагируют на волны с достаточно высокой интенсивностью (амплитудой), поэтому работают только на ярком свету, днем.

Палочки (второй вид фоторецепторов глаза) обладают высокой чувствительностью к свету, воспринимают волны с малой амплитудой, но не умеют различать их длину, то есть результат восприятия волн разной длины у всех палочек одинаков. Поэтому палочки различают только интенсивность света и участвуют в ночном зрении. Вы замечали, что ночью все окружающие объекты выглядят серыми, только светлее или темнее.

Излучение, состоящее из волны одной фиксированной длины, называется монохроматическим. Примеры источников таких излучений - лазеры и светодиоды. Цвет монохроматического излучения, воспринимаемый глазом человека, зависит от длины волны.

В большинстве же случаев свет состоит из множества волн различной длины и характеризуется спектральным составом. Спектр может быть сплошным, если в излучении есть волны всех длин, или линейчатыми, если в излучении есть волны каких-то отдельных диапазонов.



Данная шкала дает схематическое отображение факта наличия тех или иных длин волн в излучаемом свете, но не показывает их интенсивность. График, на котором отображена зависимость интенсивности излучения от длины волны называется спектральной диаграммой.

Например, вот диаграмма излучения солнца.



Солнце - пример, в котором источник света является тепловое излучение. Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности, спектр излучения - сплошной. Однако интенсивность излучения (амплитуда) распределена по частотам неравномерно и имеет явно выраженный максимум, зависящий от температуры источника света. При этом с ростом температуры максимум смещается в сторону уменьшения длин волн.

Это явление нашло отражение в понятии цветовая температура. Согласно определению, цветовой температурой излучения называется температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Например, если взять спираль лампы накаливания и начать пропускать через нее ток, плавно увеличивая его значение, то в определенный момент мы увидим, что спираль начнет светиться еле заметным красным светом. Измерив температуру спирали мы узнаем, что она составляет примерно 900 градусов цельсия. Да, цветовую температуру измеряют в кельвинах, а не градусах цельсия. Так начало видимого излучения соответствует 1200 градусам кельвина. Продолжая увеличивать ток и тем самым нагревая спираль еще больше, мы увидим, что на 2000К цвет станет оранжевым, а на 3000К - желтым. На 3500 наш эксперимент закончится, так как спираль перегорит. Если бы этого не произошло, то на 5500К свет был бы белым, а дальнейшее нагревание делало бы испускаемый свет от голубого до синего. Ниже приведены цветовые температуры основных источников света.

800 К — начало видимого темно-красного свечения раскалённых тел;
1500—2000 К — свет пламени свечи;
2000 К — Натриевая лампа высокого давления;
2200 К — лампа накаливания 40 Вт;
2680 К — лампа накаливания 60 Вт;
2800 К — лампа накаливания 100 Вт (вакуумная лампа);
2800—2854 К — газонаполненные лампы накаливания с вольфрамовой спиралью;
3000 К — лампа накаливания 200 Вт, галогенная лампа;
3200—3250 К — типичные киносъёмочные лампы;
3400 К — солнце у горизонта;
3800 К — лампы, использующиеся для подсветки мясных продуктов в магазине (имеют повышенное содержание красного цвета в спектре);
4200 К — лампа дневного света;
4300—4500 K — утреннее солнце и солнце в обеденное время;
4500—5000 К — ксеноновая дуговая лампа, электрическая дуга;
5000 К — солнце в полдень;
5500 К — облака в полдень;
5500—5600 К — фотовспышка;
5600—7000 К — лампа дневного света;
6200 К — близкий к дневному свет;
6500 К — стандартный источник дневного белого света, близкий к полуденному солнечному свету;
6500—7500 К — облачность;
7500 К — дневной свет, с большой долей рассеянного от чистого голубого неба;
7500—8500 К — сумерки;
9500 К — синее безоблачное небо на северной стороне перед восходом Солнца;
10 000 К — источник света с «бесконечной температурой», используемый в риф-аквариумах (актиниевый оттенок голубого цвета);
15 000 К — ясное голубое небо в зимнюю пору;
20 000 К — синее небо в полярных широтах.

Цветовая температура солнечного света меняется в течение дня довольно существенно от 4000К до 7000К. Поэтому под температурой дневного света принято понимать усредненную температуру солнечного света 5500К, что соответствует цветовой температуре в полдень. Лампы теплого дневного света дают более желтый свет (4200К), а холодного дневного света - в синеву (5600К - 7500К).

По показателю цветовой температуры, указанной на источнике света, можно примерно составить представление о его спектре. Почему примерно? Источник может излучать свет в разных диапазонах с разной интенсивностью, а температура только описывает наше восприятие результирующего цвета.