В чем измеряется частота света

ОАО «Энергия»

Одна из отраслей альтернативной энергетики, которая связана с разработкой средств преобразования ветряной энергии в механические, тепловые или электрические энергии называется ветроэнергетикой.

• Подробнее о Спрос и предложение на ветроэнергию
• Войдите чтобы оставить комментарии

Простые энергетические решения

Опубликовано вт, 07/03/2012 — 09:33 пользователем admin

Мы должны твердо знать, что заканчиваются ископаемые для производства топлива. На данный момент времени мы должны найти им замену, которая будет более эффективна и более экологична. Централизованные электростанции гораздо менее эффективны, чем местные, рассредоточенные.

• Подробнее о Простые энергетические решения
• Войдите чтобы оставить комментарии

Грузовики на солнечных батареях

Опубликовано пн, 06/18/2012 — 00:04 пользователем admin

Оптимистично выглядит попытка японской компании Mitsubishi Chemical преобразовать систему питания грузовиков солнечными батареями. Уже выпущен прототип, оснащенный двумя типами солнечных батарей, которые размещаются на крыше фургона и служат источником энергии. Он проходит в данный момент серию тестов и доводки. Суммарная мощность таких батарей составила 900 ватт.

• Подробнее о Грузовики на солнечных батареях
• Войдите чтобы оставить комментарии

Энергоэффективная архитектура. Умный дом в форме молекулы

Опубликовано вс, 05/20/2012 — 16:32 пользователем admin

Непосредственная сама концепция была разработана архитектором из России Стасом Понариным. Вид этого дома крайне нетрадиционный. При создании этого строения были использованы инновационные проекты, которые обеспечили автономность и энергическую эффективность.

• Подробнее о Энергоэффективная архитектура. Умный дом в форме молекулы
• Войдите чтобы оставить комментарии

Делаем из дороги электростанцию с помощью пьезогенератора

Опубликовано вс, 05/20/2012 — 16:17 пользователем admin

Израильская компания Innowattech начала разработку пьезоэлектрического генератора, для получения из шоссейного полотна, электроэнергии. При помощи пьезоэлектрического элемента получают электричество, преобразовывая давление автомобиля, который проезжает, на полотно шоссе.

• Подробнее о Делаем из дороги электростанцию с помощью пьезогенератора
• Войдите чтобы оставить комментарии

Самоочищение солнечных батарей

Опубликовано чт, 05/17/2012 — 00:28 пользователем admin

Проблема очитки от грязи солнечных панелей тормозило развитие этой области. Но ученые разработали решение этой проблемы – самоочищающиеся солнечные батареи.

• Подробнее о Самоочищение солнечных батарей
• Войдите чтобы оставить комментарии

Преобразователь тока для солнечных панелей

Опубликовано пн, 05/14/2012 — 15:54 пользователем admin

В 2006 году была образована компания Enphase Energy, которая делает более удобной жизнь собственников солнечных батарей. В этой компании было разработано и внедрено технологическое оборудование для преобразователя тока – микроинвертер. Такой преобразователь необходим один на всю систему.

• Подробнее о Преобразователь тока для солнечных панелей
• Войдите чтобы оставить комментарии

Будущее OLED-технологий

Опубликовано пн, 05/14/2012 — 15:47 пользователем admin

Органические светодиоды это полупроводниковые приборы, которые изготавливаются из органического соединения и при пропускании через него электрического тока излучают яркий свет. Чаще всего такие технологии применяются для создания дисплеев. Поскольку их производство гораздо дешевле, чем жидкокристаллическое.

• Подробнее о Будущее OLED-технологий
• Войдите чтобы оставить комментарии

Альтернативная энергетика — направления и прогнозы

Опубликовано вс, 05/06/2012 — 18:03 пользователем admin

Перспективные способы получения энергии, которые не имеют широкого распространения, но интересны и выгодны, причем риск загрязнения окружающей среды при их использовании минимален это и понимают ученые под термином альтернативной энергетики.

• Подробнее о Альтернативная энергетика — направления и прогнозы
• Войдите чтобы оставить комментарии

Новый проект японских ученых — тиражированные солнечные электростанции

Опубликовано вс, 04/29/2012 — 22:20 пользователем admin

Электростанции, аккумулирующие солнечную энергию, существуют давно, но японские ученые хотят охватить ими большую часть Сахары. Экономический эффект от такого мероприятия был бы колоссальным, но напрашивается вопрос, каким образом такие сооружения могут быт экономически обоснованы.

• Подробнее о Новый проект японских ученых — тиражированные солнечные электростанции
• Войдите чтобы оставить комментарии

Частота против длины волны

Как я сказал ранее, произведение длины волны и частоты равно скорости света. Здесь есть два осложнения. Во-первых, есть несколько определений скорости света. Мы обсудим это далее в главе 5. Пока остановимся на том, что «скорость» означает фазовую скорость, являющуюся скоростью, с которой движутся волновые гребни изменяющихся электрических и магнитных полей вдоль заданного направления. Второе осложнение состоит в том, что фазовая скорость зависит от среды, через которую проходит свет. Более конкретно, произведение λ и ν равно скорости света в вакууме (c), делённому на показатель преломления среды (n). Другими словами, λν = c/n. Итак, предположим, что луч солнца исходит из воздуха (n ≈ 1) в океан (n ≈ 1,33). Индекс преломления растёт, поэтому фазовая скорость падает в 1,33 раза. Так как скорость является произведением частоты и длины волны, также должен упасть один из этих показателей (или оба). Оказывается, частота остается неизменной, а уменьшается длина волны. В этом случае «зёленый» фотон 550 нм в океанской воде фактически имеет длину волны 414 нм. Таким образом, частота выглядит более фундаментальным показателем, чем длина волны. Кроме того, помните, что энергия фотона пропорциональна частоте, но не длине волны (формула для преобразования ватт в фотоны в предыдущем разделе работает только в том случае, если вы используете длину волны, которую свет будет иметь в вакууме). Это важно, потому что во многих процессах, таких как поглощение, важна энергия фотона, а не длина волны. Например, длина волны «зёленого» фотона внутри нашего глаза будет завесить от того, наполнен ли глаз водой или воздухом (разный индекс преломления), но наше восприятие цвета от этого не изменится, поскольку поглощение света фоторецепторами зависит от энергии фотонов, а она связана с остающейся неизменной частотой. Однако, как я уже говорил, люди предпочитают единицы длины над единицами частоты (по крайней мере, я сам так делаю). Кроме того, ранняя история оптики больше фокусировалась на явлениях, которые лучше объяснялись мышлением о длине волны (интерференция, дифракционные решётки и т.п.). Родственные вопросы об энергии фотонов и электронных уровнях не появлялись до начала XX века. Наконец, длины волн видимого спектра света являются небольшими, и измеряются, от 0,4 до 0,7 мкм. Соответствующие этим длинам волн частоты составляют порядка 10 14 Гц, и с трудом поддаются измерению. Чтобы дать вам представление о величине этой частоты, представьте, что секунда растянута на период в сто лет. Световая волна же по-прежнему будет проходить полный цикл за 3/100 000 (нормальных) секунд. Итак, если вы не работаете на границе биологии и квантовой физики, я бы настоятельно предложил вам придерживаться длин волн, что буду делать и я в этой книге. Прежде чем расстаться с частотой навсегда, необходимо обсудить одну важную проблему. Она связанна с тем фактом, что спектр света является гистограммой. Предположим, вы измеряете спектр дневного света и что значение для длины волны 500 нм составляет 15 фотонов/см 2 /с/нм. Это не означает, что имеется 15 фотонов/см 2 /с с длиной волны ровно 500 нм. Это означает, что существует интервал шагом в 1-нм, центрированный на длине волны 500 нм, и на его протяжении у вас есть 15 фотонов/см 2 /с. Интервалы гистограммы спектра не обязательно должны быть шириной 1 нм, но все они должны иметь одинаковую ширину (шаг). Предположим, что все интервалы имеют ширину 1 нм и шаг в целых числах (т. е. один на 400 нм, один на 401 нм и т.д.). Что произойдет, если мы преобразуем эти значения длины волны в их частотные соответствия? Выберем длины волн двух соседних интервалов и назовем их λ₁ и λ₂. Соответствующие частоты ν₁ и ν₂ равны c/λ₁ и c/λ₂, где c — скорость света. Мы знаем, что λ₁ — λ₂ равны 1 нм, но чему равны ν₁ — ν₂?

`nu _1 — nu _2 = ( c )/( lambda _1) — ( c )/( lambda _2) = ( c ( lambda _2 — lambda _1))/( lambda _1 lambda _2) = — ( c )/( lambda _1 lambda _2) ~= — ( c )/( lambda _1^2)` 2.1

Вы можете сделать последний шаг, потому что λ₁ близка к λ₂. Таким образом, ширина интервалов частот зависит от соответствующим им длин волны, что означает, что они не будут равны! На самом деле они весьма неравны. Интервалы на красном конце спектра (700 нм) будут составлять всего лишь треть от ширины интервалов на синем конце (400 нм). Это означает, что спектр, созданный с использованием равных интервалов для частот, будет отличаться от спектра с равными интервалами длины волны. Итак, какой из них правильный? Ни тот, ни другой. Смысл в том, что фигура спектра зависит от того, используете ли вы одинаковые размерности шага для частоты или для длины волны. И почему всё это должно вас волновать? Ведь можно всё сделать, просто используя длину волны? К сожалению, не все функции, построенные по длине волны, являются гистограммами. Кривые зрительной чувствительности, спектр повреждения от ультрафиолетового излучения – всё в этом роде – известны как «точечные функции» и не подвержены эффекту интервалов. Это может привести к серьёзному неправильному толкованию. Например, существует давняя уверенность в том, что зрительная чувствительность человеческого глаза оптимизирована для восприятия дневного света. Уверенность основана на том факте, что зрительная чувствительность нашего дневного зрения достигает максимума при свете с длиной волны 555 нм, а максимум дневного света приходится на длину волны около 510 нм. Звучит складно, не так ли? Прежде всего, кривая нашей зрительной чувствительности всегда указывается в единицах отклика на ватт, так же как и дневной свет обычно даётся в ваттах, несмотря на тот факт, что наши глаза фиксируют не энергию, а фотоны. Если преобразовать кривую чувствительности к отклику на фотон, а спектр дневного света в фотоны/см 2 /с, пик чувствительности теперь будет приходиться на длину волны 550 нм, а максимум дневного света окажется около 685 нм соответственно. Это не слишком хорошо, но всё же не слишком противоречиво, так? Однако, если вы измеряете спектр дневного света с использованием фотометра, настроенного на идентичные интервалы частот, пик дневного света теперь приходится на область около 1600 нм (рис. 2.3). Это далеко в инфракрасной зоне и нигде вблизи нашей кривой зрительной чувствительности. Итак, какой спектр дневного света является корректным относительно кривой чувствительности человеческого глаза? Как мы упоминали выше, вероятность поглощения фотона фоторецептором глаза зависит от частоты, а не длинны волны. Отсюда можно вывести аргумент, что при построении спектра оправданно использование интервалов частот. Однако правильный ответ заключается в том, что сравнение положения пиков бессмысленно. Можно сравнивать пики на спектре один с другим, при условии, что они получены с использованием одинаковых интервалов, будь то длина волны или частота. Но нельзя сравнивать их с спектрами действия и кривыми зрительной чувствительности, поскольку последние являются точечными функциями, а не гистограммами, и потому не зависят от того, что отложено по оси X – частота или длина волны. Единственный раз, когда это допустимо, это в случае, когда весь свет имеет почти одинаковую длину волны, как в толще воды. Тогда пик остаётся на месте (более или менее), независимо от того, работаете ли вы с интервалами длин волн или частотой. Однако за пределами глубокого моря вы почти никогда не увидите такого узкого спектра. И что с этим можно сделать? Оказывается, что хотя пики гистограммы зависят от того, на какие интервалы разбиты данные, на общий массив данных это не влияет. Это можно доказать расчётами, но вместо этого просто подумайте о том, что складываете сто стеклянных шаров в десять вёдер различного размера. Независимо от того, как вы разделите шарики между вёдрами, у вас всегда будет сто шаров. Поэтому чтобы узнать, действительно ли зрительная система человека оптимизирована для дневного света, нужно взглянуть на общий объём поглощённого света со всеми длинами волн, и так ли он велик, как мог бы быть. Мы сделаем это подробно в главе 4, которая охватывает поглощение. Важным следствием проблемы фотонов/энергии и длины волны/частоты является то, что вы не можете однозначно сказать, что свет является спектрально нейтральным (он же «белый»). Речь идёт не про тот факт, что наши визуальные системы воспринимают разнообразный спектр длин волн как белый цвет («цветопостоянство»), но о том, что способ отображения спектра зависит от используемых вами единиц, и от того, как вы разделяете данные. Другими словами, спектр, имеющий одинаковое количество энергии в каждом интервале длин волн, не будет иметь одинакового количества фотонов в том же интервале длин волн. Кроме того, оба этих спектра будут выглядеть совершенно по-другому, если вы перестроите их, используя аналогичные интервалы частот. Таким образом, практически ни один из реальных источников света не приближается к тому, чтобы быть спектрально плоским ни в одном из этих четырёх механизмов, но среди занимающихся светомоделированием общепринято допускать, что существует спектрально плоский источник «белого» света. Это, конечно, можно делать, но стоит помнить, что результаты не имеют универсального значения. Спектр будет плоским только для единиц и интервалов, которые вы выберете для работы. ← Предыдущая страница ❋ Следующая страница →

Частота и длина волны

Электромагнитная волна характеризуется одним главным параметром — числом гребней, которые за секунду проходят мимо наблюдателя (или поступают в детектор). Эту величину называют частотой излучения ν. Поскольку для всех электромагнитных волн скорость в вакууме (с) одинакова, по частоте легко определить длину волны λ:

Мы просто делим путь, пройденный светом за секунду, на число колебаний за то же время и получаем длину одного колебания. Длина волны — очень важный параметр, поскольку она определяет пограничный масштаб: на расстояниях заметно больше длины волны излучение подчиняется законам геометрической оптики, его можно описывать как распространение лучей. На меньших расстояниях совершенно необходимо учитывать волновую природу света, его способность обтекать препятствия, невозможность точно локализовать положение луча и т. п.

Из этих соображений, в частности, следует, что невозможно получить изображение объектов, если их размер порядка или меньше длины волны излучения, на которой ведется наблюдение. Это, в частности, ставит предел возможностям микроскопов. В видимом свете невозможно рассмотреть объекты размером менее полмикрона; соответственно, увеличение больше чем 1-2 тысячи раз для оптического микроскопа лишено смысла.

Подробнее о частоте и длине волны

Частота — это величина, измеряющая как часто повторяется тот или иной периодический процесс. В физике с помощью частоты описывают свойства волновых процессов. Частота волны — количество полных циклов волнового процесса за единицу времени. Единица частоты в системе СИ — герц (Гц). Один герц равен одному колебанию в секунду.

Длина волны

Существует множество различных типов волн в природе, от вызванных ветром морских волн до электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн зависят от длины волны. Такие волны разделяют на несколько видов:

Резонансный магнетрон используется в микроволновых печах для подачи электромагнитной энергии в камеру печи.

• Гамма-лучи с длиной волны до 0,01 нанометра (нм).
• Рентгеновские лучи с длиной волны — от 0,01 нм до 10 нм.
• Волны ультрафиолетового диапазона, которые имеют длину от 10 до 380 нм. Человеческому глазу они не видимы.
• Свет в видимой части спектра с длиной волны 380–700 нм.
• Невидимое для людей инфракрасное излучение с длиной волны от 700 нм до 1 миллиметра.
• За инфракрасными волнами следуют микроволновые, с длиной волны от 1 миллиметра до 1 метра.
• Самые длинные — радиоволны. Их длина начинается с 1 метра.

Эта статья посвящена электромагнитному излучению, и особенно свету. В ней мы обсудим, как длина и частота волны влияют на свет, включая видимый спектр, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение — это энергия, свойства которой одновременно сходны со свойствами волн и частиц. Эта особенность называется корпускулярно-волновым дуализмом. Электромагнитные волны состоят из магнитной волны и перпендикулярной к ней электрической волны.

Энергия электромагнитного излучения — результат движения частиц, которые называются фотонами. Чем выше частота излучения, тем они более активны, и тем больше вреда они могут принести клеткам и тканям живых организмов. Это происходит потому, что чем выше частота излучения, тем больше они несут энергии. Большая энергия позволяет им изменить молекулярную структуру веществ, на которые они действуют. Именно поэтому ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение так вредно для животных и растений. Огромная часть этого излучения — в космосе. Оно присутствует и на Земле, несмотря на то, что озоновый слой атмосферы вокруг Земли блокирует большую его часть.

Атмосфера пропускает СВЧ-излучение в диапазоне частот C (с частотой от 4 до 8 Гц и с длиной волны от 7,5 до 3,75 сантиметров), которые используются для спутниковой связи

Электромагнитное излучение и атмосфера

Атмосфера земли пропускает только электромагнитное излучение с определенной частотой. Большая часть гамма-излучения, рентгеновских лучей, ультрафиолетового света, часть излучения в инфракрасном диапазоне и длинные радиоволны блокируются атмосферой Земли. Атмосфера поглощает их и не пропускает дальше. Часть электромагнитных волн, в частности, излучение в коротковолновом диапазоне, отражается от ионосферы. Все остальное излучение попадает на поверхность Земли. В верхних атмосферных слоях, то есть, дальше от поверхности Земли, больше радиации, чем в нижних слоях. Поэтому чем выше, тем опаснее для живых организмов находиться там без защитных костюмов.

Атмосфера пропускает на Землю небольшое количество ультрафиолетового света, и он приносит вред коже. Именно из-за ультрафиолетовых лучей люди обгорают на солнце и могут даже заболеть раком кожи. С другой стороны, некоторые лучи, пропускаемые атмосферой, приносят пользу. Например, инфракрасные лучи, которые попадают на поверхность Земли, используют в астрономии — инфракрасные телескопы следят за инфракрасными лучами, излучаемыми астрономическими объектами. Чем выше от поверхности Земли, тем больше инфракрасного излучения, поэтому телескопы часто устанавливают на вершинах гор и на других возвышенностях. Иногда их отправляют в космос, чтобы улучшить видимость инфракрасных лучей.

Этот осциллограф, который измеряет сетевое напряжение в розетке, показывает частоту в 59,7 герц и период колебаний 117 миллисекунд

Взаимоотношение между частотой и длиной волны

Частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу. Это значит, что по мере увеличения длины волны частота уменьшается и наоборот. Это легко представить: если частота колебаний волнового процесса высокая, то время между колебаниями намного короче, чем у волн, частота колебаний которых меньше. Если представить волну на графике, то расстояние между ее пиками будет тем меньше, чем больше колебаний она совершает на определенном отрезке времени.

Чтобы определить скорость распространения волны в среде, необходимо умножить частоту волны на ее длину. Электромагнитные волны в вакууме всегда распространяются с одинаковой скоростью. Эта скорость известна как скорость света. Она равна 299&nbsp792&nbsp458 метрам в секунду.

Свет

Видимый свет — электромагнитные волны с частотой и длиной, которые определяют его цвет.

Длина волны и цвет

Самая короткая длина волны видимого света — 380 нанометров. Это фиолетовый цвет, за ним следуют синий и голубой, затем зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный. Белый свет состоит из всех цветов сразу, то есть, белые предметы отражают все цвета. Это можно увидеть с помощью призмы. Попадающий в нее свет преломляется и выстраивается в полосу цветов в той же последовательность, что в радуге. Эта последовательность — от цветов с самой короткой длиной волны, до самой длинной. Зависимость скорости распространения света в веществе от длины волны называется дисперсией.

Радуга над рекой Ниагара

Радуга образуется похожим способом. Капли воды, рассеянные в атмосфере после дождя, ведут себя так же как призма и преломляют каждую волну. Цвета радуги настолько важны, что во многих языках существуют мнемоника, то есть прием запоминания цветов радуги, настолько простой, что запомнить их могут даже дети. Многие дети, говорящие по-русски, знают, что «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Некоторые люди придумывают свою мнемонику, и это — особенно полезное упражнение для детей, так как, придумав свой собственный метод запоминания цветов радуги, они быстрее их запомнят.

Свет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен — зеленый, с длиной волны в 555 нм в светлой среде и 505 нм в сумерках и темноте. Различать цвета могут далеко не все животные. У кошек, например, цветное зрение не развито. С другой стороны, некоторые животные видят цвета намного лучше, чем люди. Например, некоторые виды видят ультрафиолетовый и инфракрасный свет.

Отражение света

Бриллиантовое кольцо

Цвет предмета определяется длиной волны света, отраженного с его поверхности. Белые предметы отражают все волны видимого спектра, в то время как черные — наоборот, поглощают все волны и ничего не отражают.

На первом рисунке: правильная огранка бриллиантов. Свет отражается вверх, по направлению к глазу и алмаз сверкает. На втором и третьем рисунках: неправильная огранка. Свет отражается в оправу и в стороны и алмазы выглядят тусклыми.

Один из естественных материалов с высоким коэффициентом дисперсии — алмаз. Правильно обработанные бриллианты отражают свет как от наружных, так и от внутренних граней, преломляя его, как и призма. При этом важно, чтобы большая часть этого света была отражена вверх, в сторону глаза, а не, например, вниз, внутрь оправы, где его не видно. Благодаря высокой дисперсии бриллианты очень красиво сияют на солнце и при искусственном освещении. Стекло, ограненное так же, как бриллиант, тоже сияет, но не настолько сильно. Это связано с тем, что, благодаря химическому составу, алмазы отражают свет намного лучше, чем стекло. Углы, используемые при огранке бриллиантов, имеет огромное значение, потому что слишком острые или слишком тупые углы либо не позволяют свету отражаться от внутренних стен, либо отражают свет в оправу, как показано на иллюстрации.

Спектроскопия

Для определения химического состава вещества иногда используют спектральный анализ или спектроскопию. Этот способ особенно хорош, если химический анализ вещества невозможно провести, работая с ним непосредственно, например, при определении химического состава звезд. Зная, какое электромагнитное излучение поглощает тело, можно определить, из чего оно состоит. Абсорбционная спектроскопия, являющаяся одним из разделов спектроскопии, определяет какое излучение поглощается телом. Такой анализ можно делать на расстоянии, поэтому его часто используют в астрономии, а также в работе с ядовитыми и опасными веществами.

Определение наличия электромагнитного излучения

Видимый свет, так же как и всё электромагнитное излучение — это энергия. Чем больше энергии излучается, тем легче эту радиацию измерить. Количество излученной энергии уменьшается по мере увеличения длины волны. Зрение возможно именно благодаря тому, что люди и животные распознают эту энергию и чувствуют разницу между излучением с разной длиной волны. Электромагнитное излучение разной длины ощущается глазом как разные цвета. По такому принципу работают не только глаза животных и людей, но и технологии, созданные людьми для обработки электромагнитного излучения.

Видимый свет

Люди и животные видят большой спектр электромагнитного излучения. Большинство людей и животных, например, реагируют на видимый свет, а некоторые животные — еще и на ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Способность различать цвета — не у всех животных — некоторые, видят только разницу между светлыми и темными поверхностями. Наш мозг определяет цвет так: фотоны электромагнитного излучения попадают в глаз на сетчатку и, проходя через нее, возбуждают колбочки, фоторецепторы глаза. В результате по нервной системе передается сигнал в мозг. Кроме колбочек, в глазах есть и другие фоторецепторы, палочки, но они не способны различать цвета. Их назначение — определять яркость и силу света.

Колбочки в сетчатке глаза чаек и многих других птиц содержит капли красного или желтого масла

В глазу обычно находится несколько видов колбочек. У людей — три типа, каждый из которых поглощает фотоны света в пределах определенных длин волны. При их поглощении происходит химическая реакция, в результате которой в мозг поступают нервные импульсы с информацией о длине волны. Эти сигналы обрабатывает зрительная зона коры головного мозга. Это — участок мозга, ответственный за восприятие звука. Каждый тип колбочек отвечает только за волны с определенной длиной, поэтому для получения полного представления о цвете, информацию, полученную от всех колбочек, складывают вместе.

У некоторых животных еще больше видов колбочек, чем у людей. Так, например, у некоторых видов рыб и птиц их от четырех до пяти типов. Интересно, что у самок некоторых животных больше типов колбочек, чем у самцов. У некоторых птиц, например у чаек, которые ловят добычу в воде или на ее поверхности, внутри колбочек есть желтые или красные капли масла, которые выступают в роли фильтра. Это помогает им видеть большее количество цветов. Подобным образом устроены глаза и у рептилий.

Этот инфракрасный термометр определяет температуру измеряемого объекта на расстоянии, по его тепловому излучению

Инфракрасный свет

У змей, в отличие от людей, не только зрительные рецепторы, но и чувствительные органы, которые реагируют на инфракрасное излучение. Они поглощают энергию инфракрасный лучей, то есть реагируют на тепло. Некоторые устройства, например приборы ночного видения, также реагируют на тепло, выделяемое инфракрасным излучателем. Такие устройства используют военные, а также для обеспечения безопасности и охраны помещений и территории. Животные, которые видят инфракрасный свет, и устройства, которые могут его распознавать, видят не только предметы, которые находятся в их поле зрения на данный момент, но и следы предметов, животных, или людей, которые находились там до этого, если не прошло слишком много времени. Например, змеям видно, если грызуны копали в земле ямку, а полицейские, которые пользуются прибором ночного видения, видят, если в земле были недавно спрятаны следы преступления, например, деньги, наркотики, или что-то другое. Устройства для регистрации инфракрасного излучения используют в телескопах, а также для проверки контейнеров и камер на герметичность. С их помощью хорошо видно место утечки тепла. В медицине изображения в инфракрасном свете используют для диагностики. В истории искусства — чтобы определить, что изображено под верхним слоем краски. Устройства ночного видения используют для охраны помещений.

Обыкновенная или зеленая игуана видит ультрафиолетовый свет. Фотография размещена с разрешения автора

Ультрафиолетовый свет

Некоторые рыбы видят ультрафиолетовый свет. Их глаза содержат пигмент, чувствительный к ультрафиолетовым лучам. Кожа рыб содержит участки, отражающие ультрафиолетовый свет, невидимый для человека и других животных — что часто используется в животном мире для маркировки пола животных, а также в социальных целях. Некоторые птицы тоже видят ультрафиолетовый свет. Это умение особенно важно во время брачного периода, когда птицы ищут потенциальных партнеров. Поверхности некоторых растений также хорошо отражают ультрафиолетовый свет, и способность его видеть помогает в поиске пищи. Кроме рыб и птиц, ультрафиолетовый свет видят некоторые рептилии, например черепахи, ящерицы и зеленые игуаны (на иллюстрации).

Человеческий глаз, как и глаза животных, поглощает ультрафиолетовый свет, но не может его обработать. У людей он разрушает клетки глаза, особенно в роговице и хрусталике. Это, в свою очередь, вызывает различные заболевания и даже слепоту. Несмотря на то, что ультрафиолетовый свет вредит зрению, небольшое его количество необходимо людям и животным, чтобы вырабатывать витамин D. Ультрафиолетовое излучение, как и инфракрасное, используют во многих отраслях, например в медицине для дезинфекции, в астрономии для наблюдения за звездами и другими объектами и в химии для отверждения жидких веществ, а также для визуализации, то есть для создания диаграмм распространения веществ в определенном пространстве. С помощью ультрафиолетового света определяют поддельные банкноты и пропуска, если на них должны быть напечатаны знаки специальными чернилами, распознаваемыми с помощью ультрафиолетового света. В случае с подделкой документов ультрафиолетовая лампа не всегда помогает, так как преступники иногда используют настоящий документ и заменяют на нем фотографию или другую информацию, так что маркировка для ультрафиолетовых ламп остается. Существует также множество других применений для ультрафиолетового излучения.

Цветовая слепота

Из-за дефектов зрения некоторые люди не в состоянии различать цвета. Эта проблема называется цветовой слепотой или дальтонизмом, по имени человека, который первый описал эту особенность зрения. Иногда люди не видят только цвета с определенной длиной волны, а иногда они не различают цвета вообще. Часто причина — недостаточно развитые или поврежденные фоторецепторы, но в некоторых случаях проблема заключается в повреждениях на проводящем пути нервной системы, например в зрительной коре головного мозга, где обрабатывается информация о цвете. Во многих случаях это состояние создает людям и животным неудобства и проблемы, но иногда неумение различать цвета, наоборот — преимущество. Это подтверждается тем, что, несмотря на долгие годы эволюции, у многих животных цветное зрение не развито. Люди и животные, которые не различают цвета, могут, например, хорошо видеть камуфляж других животных.

На этом изображении из диагностических таблиц для диагностики дальтонизма люди с нормальным зрением видят число 74

Несмотря на преимущества цветовой слепоты, в обществе ее считают проблемой, и для людей с дальтонизмом закрыта дорога в некоторые профессии. Обычно они не могут получить полные права по управлению самолетом без ограничений. Во многих странах водительские права для этих людей тоже имеют ограничения, а в некоторых случаях они не могут получить права вообще. Поэтому они не всегда могут найти работу, на которой необходимо управлять автомобилем, самолетом, и другими транспортными средствами. Также им сложно найти работу, где умение определять и использовать цвета имеет большое значение. Например, им трудно стать дизайнерами, или работать в среде, где цвет используют, как сигнал (например, об опасности).

Проводятся работы по созданию более благоприятных условий для людей с цветовой слепотой. Например, существуют таблицы, в которых цвета соответствует знакам, и в некоторых странах эти знаки используют в учреждениях и общественных местах наряду с цветом. Некоторые дизайнеры не используют или ограничивают использование цвета для передачи важной информации в своих работах. Вместо цвета, или наряду с ним, они используют яркость, текст, и другие способы выделения информации, чтобы даже люди, не различающие цвета, могли полостью получить информацию, передаваемую дизайнером. В большинстве случаев люди с цветовой слепотой не различают красный и зеленый, поэтому дизайнеры иногда заменяют комбинацию «красный = опасность, зеленый = все нормально» на красный и синий цвета. Большинство операционных систем также позволяют настроить цвета так, чтобы людям с цветовой слепотой было все видно.

Цвет в машинном зрении

Машинное зрение в цвете — быстроразвивающаяся отрасль искусственного интеллекта. До недавнего времени большая часть работы в этой области проходила с монохромными изображениями, но сейчас все больше научных лабораторий работают с цветом. Некоторые алгоритмы для работы с монохромными изображениями применяют также и для обработки цветных изображений.

Камера Canon 5D автоматически находит человеческие лица и настраивается по одному из них на резкость

Применение

Машинное зрение используется в ряде отраслей, например для управления роботами, самоуправляемыми автомобилями, и беспилотными летательными аппаратами. Оно полезно в сфере обеспечения безопасности, например для опознания людей и предметов по фотографиям, для поиска по базам данных, для отслеживания движения предметов, в зависимости от их цвета и так далее. Определение местоположения движущихся объектов позволяет компьютеру определить направление взгляда человека или следить за движением машин, людей, рук, и других предметов.

Чтобы правильно опознать незнакомые предметы, важно знать об их форме и других свойствах, но информация о цвете не настолько важна. При работе со знакомыми предметами, цвет, наоборот, помогает быстрее их распознать. Работа с цветом также удобна потому, что информация о цвете может быть получена даже с изображений с низким разрешением. Для распознавания формы предмета, в отличие от цвета, требуется высокое разрешение. Работа с цветом вместо формы предмета позволяет уменьшить время обработки изображения, и использует меньше компьютерных ресурсов. Цвет помогает распознавать предметы одинаковой формы, а также может быть использован как сигнал или знак (например, красный цвет — сигнал опасности). При этом не нужно распознавать форму этого знака, или текст, на нем написанный. На веб-сайте YouTube можно увидеть множество интересных примеров использования цветного машинного зрения.

Обработка информации о цвете

Оптическая иллюзия с цветом

Фотографии, которые обрабатывает компьютер, либо загружены пользователями, либо сняты встроенной камерой. Процесс цифровой фото- и видеосъемки освоен хорошо, но вот обработка этих изображений, особенно в цвете, связана с множеством трудностей, многие из которых еще не решены. Это связано с тем, что цветное зрение у людей и животных устроено очень сложно, и создать компьютерное зрение наподобие человеческого — непросто. Зрение, как и слух, основано на адаптации к окружающей среде. Восприятие звука зависит не только от частоты, звукового давления и продолжительности звука, но и от наличия или отсутствия в окружающей среде других звуков. Так и со зрением — восприятие цвета зависит не только от частоты и длины волны, но и от особенностей окружающей среды. Так, например, цвета окружающих предметов влияют на наше восприятие цвета.

С точки зрения эволюции такая адаптация необходима, чтобы помочь нам привыкнуть к окружающей среде и перестать обращать внимание на незначительные элементы, а направить все наше внимание на то, что меняется в окружающей обстановке. Это необходимо для того, чтобы легче замечать хищников и находить пищу. Иногда из-за этой адаптации происходят оптические иллюзии. Например, в зависимости от цвета окружающих предметов, мы воспринимаем цвет двух тел по-разному, даже когда они отражают свет с одинаковой длиной волны. На иллюстрации — пример такой оптической иллюзии. Коричневый квадрат в верхней части изображения (второй ряд, вторая колонка) выглядит светлее, чем коричневый квадрат в нижней части рисунка (пятый ряд, вторая колонка). На самом деле, их цвета одинаковы. Даже зная об этом, мы все равно воспринимаем их, как разные цвета. Поскольку наше восприятие цвета устроено так сложно, программистам трудно описать все эти нюансы в алгоритмах для машинного зрения. Несмотря на эти трудности, мы уже достигли многого в этой области.

Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолий Золотков