Людське око є дивовижним інструментом і може точно розрізняти найменші або найтонші відмінності в кольорі. Хоча людський зір перевершує в одній галузі, він, мабуть, не відповідає іншим, наприклад, сприйняттю дрібних деталей, через природні обмеження людської оптики.
У статті, опублікованій вчора в журналі Optical оптичного товариства Америки (OSA, США), дослідницька група з Університету Штутгарта (Німеччина) та Університету Східної Фінляндії Йоенсуу скористалася перевагами людської сили око при виявленні кольору, щоб надати оці здатність розрізняти предмети, що відрізняються за товщиною не більше кількох нанометрів - приблизно товщиною окремої клітинної мембрани або вірусу.
Ця здатність виходити за межі дифракції людського ока була продемонстрована шляхом навчання невеликої групи добровольців ідентифікувати дуже тонкі кольорові відмінності світла, яке пройшло крізь тонкі плівки діоксиду титану в дуже яскравих умовах освітлення. Результатом стала дуже послідовна серія тестів, які виявили невикористаний дотепер потенціал, що конкурує із складними оптичними інструментами, які можуть вимірювати ці мінімальні товщини, такими як еліпсометрія.
"Ми змогли показати, що людське око здатне визначити без допомоги товщину тонкої плівки - матеріалів товщиною лише в кілька нанометрів - просто спостерігаючи за кольором, який він представляє за певних умов освітлення", - говорить він у примітці. OSA Press Sandy Peterhänsel, університет Штутгарта та провідний автор статті. Фактичний тест був проведений в Університеті Східної Фінляндії.
Тонкі плівки
Тонкі плівки необхідні для різних комерційних та виробничих застосувань, включаючи антирефлексні покриття для сонячних панелей. Ці плівки можуть мати товщину в десятки нанометрів. Тонкі плівки, використані в цьому експерименті, були створені шляхом нанесення на поверхню шару за шаром окремих атомів. Хоча це дуже точно, це трудомістка процедура, і в промисловості застосовуються інші методи, такі як осадження парів.
Оптичні властивості тонких плівок означають, що при взаємодії світла з їх поверхнями утворюється широкий діапазон кольорів. Це те саме явище, яке виробляє блискучі кольори в мильних бульбашках і масляні плівки у воді.
Конкретні кольори, отримані в результаті цього процесу, сильно залежать від складу матеріалу, його товщини та властивостей надходить світла. Ця висока чутливість як до матеріалу, так і до товщини, іноді використовується кваліфікованими інженерами для швидкої оцінки товщини плівки до рівня приблизно 10-20 нанометрів.
Це спостереження надихнуло дослідницьку групу перевірити межі людського зору, щоб побачити, наскільки варіант може бути виміряний в ідеальних умовах.
"Хоча просторова роздільна здатність людського ока на порядок занадто слабка, щоб безпосередньо характеризувати товщину плівки, інтерференційні кольори, як відомо, дуже чутливі до змін у плівці", - говорить Петерхансель.
Експериментуйте
Налаштування експерименту було дуже простим. Серія тонких плівок діоксиду титану була виготовлена шляхом атомного осадження по одному шару. Хоча це і трудомістко, цей метод дозволив дослідникам ретельно контролювати товщину зразків, щоб перевірити обмеження зору учасників.
Потім зразки поміщали на РК-монітор, який був налаштований на відображення чисто білого кольору, за винятком кольорової контрольної області, яку можна було відкалібрувати відповідно до видимих кольорів поверхні тонких плівок різної товщини.
Колір еталонного поля змінювався кожним учасником, доки він повністю не відповідав еталонному зразку: правильне визначення кольору означало, що вони також правильно визначали його товщину. Це можна було зробити всього за дві хвилини, і для деяких тестових зразків та учасників оцінка відрізнялася лише на один-три нанометри від справжнього значення, виміряного звичайними методами. Цей рівень точності виходить далеко за рамки звичайного людського зору.
Порівняно з традиційними автоматизованими методами визначення товщини тонкої плівки, що може зажадати від п’яти до десяти хвилин на зразок за допомогою деяких методів, ефективність роботи людського ока значно краща.
Оскільки людські очі дуже легко втомлюються, цей процес навряд чи замінить автоматизовані методи. Однак це може послужити швидкою перевіркою досвідченим техніком. "Метою нашого дослідження було не виключно порівняння кольорового зору людини з набагато складнішими методами", - говорить Петерхансель. "Знайти, наскільки точним може бути такий підхід, було головною мотивацією нашої роботи".
Дослідники припускають, що, можливо, вдасться виявити ще більш точні варіації, якщо застосувати інші фактори контролю. `` Люди часто недооцінюють людські почуття та їх значення в техніці та науці. Цей експеримент показує, що наше природне бачення може виконувати виняткові завдання, які зазвичай покладаються лише на дорогі та складні машини », - підсумовує Петерханзель.
Бібліографічна довідка:
Сенді Петерхансель, Ханну Лааманен, Йонас Лехтолахті, Марку Куйттінен, Вольфганг Остен, Джані Терво: Кольоровий зір людини забезпечує точну наномасштабну характеристику товщини тонкої плівки. Оптика (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000627.