Измеряя свет
Я правда ненавижу эту проклятую машину, я правда должен продать её. Она никогда не делает то, что я хочу, но только то, что я говорю ей сделать.
– Автор неизвестен (Плач программиста из «The Compleat Computer», Денни Ван Тассела)
Хотя часто может казаться, что всё проще некуда – включи агрегат и запиши числа – но измерение света таит в себе множество неприятных ловушек. Легко измерить неправильные вещи, измерить правильные вещи неправильно, или получить бесполезные значения, и не знать этого. Главная причина заключается в том, что мы не измеряем свет в повседневной жизни. С детства мы развиваем интуитивные чувства веса, длины, площади, температуры и т.п. Например, мы можем угадать чей-нибудь рост с ошибкой не более 5%, а вес – с ошибкой от 10% до 20%. Тем не менее, даже после десятилетий измерения света, я не смогу сказать вам даже с точностью до порядка, насколько освещён в это пасмурное утро мой офис.
Часть проблемы заключена в наших чудесных глазах, которые могут смотреть в средах, чья облучённость варьируется более чем на десять порядков, и в нашем мозге, делающем этот диапазон намного меньше, чем он есть. Для этого наша зрительная система использует логарифмический ответ, с помощью которого постоянно адаптируется к текущей облучённости. Я часто говорю своим студентам, что если они будут измерять энергетическую яркость всех кусочков белой бумаги, которые они видят в обычный день, она будет изменяться на пару порядков, а бумага будет различаться по цвету от бледно-голубого до тёмно-оранжевого. Однако наши глаза и мозг смягчают эти различия, поэтому мы всегда видим бумагу белой. Эта замечательная способность позволяет нам воспринимать мир как относительно постоянное место, но выходит боком для стремления определить истину в измерении света. Если бы весы сказали нам, что кролик весит три грамма, мы бы немедленно решили, что здесь что-то не так, но подобное же несоответствие между результатами измерения света и реальностью легко останется незамеченным. Поэтому нам остаётся доверять машинам, что приводит к проблемам.
Безусловно, самая большая проблема заключается в том, что фактически измеряемые людьми значения являются не тем, что они измеряют по их мнению. Я просмотрел множество рукописей, авторы которых сделали тысячи измерений света, и в тоже время ставили всевозможные виды неправильных вопросов. В некоторых случаях измерения могли быть преобразованы в правильные, но в большинстве случаев это невозможно. Большинство ошибок связаны с измерением энергетической яркости вместо облучённости (и наоборот) или с использованием интегрированных единиц, таких как люкс.
Путаница между энергетической яркостью и облучённостью особенно удручает, поскольку детектор легко и часто дёшево может быть настроен на тот или иной показатель до измерения, но после измерения уже невозможно преобразовать полученные значения одно в другое. Поскольку при измерении облучённости свет собирается со всего полушария, этот показатель обычно не имеет отношения к показателю энергетической яркости, для определения которого свет собирается только из одной небольшой области. Даже под водой, где световое поле кажется очень однородным, соотношение между энергетической яркостью и облучённостью зависит от рассматриваемых направления, глубины и длины волны (рис. 9.1).
Та же проблема с измерениями света, выполненными в фотометрических единицах – они не могут быть преобразованы в другие единицы, если не известен спектра света. Как упоминалось в главе 2, фотометрические измерения представляют собой взвешенные интегралы по всему видимому спектру. Как только эта интеграция выполняется (как правило, цветовым фильтром, который соответствует зрительной чувствительности человека), невозможно восстановить исходный спектр. Например, зелёный лазер 555 нм имеет стократную яркость (как воспринимаемую человеком яркость) чем синий лазер с длиной волны света 425 нм, но он излучает такое же количество фотонов. Всё потому, что фотометрический детектор, как и наш глаз, более чувствителен к зелёному свету. Фактически, невозможно даже преобразовать фотометрические измерения в другие интегрированные измерения, такие как общее количество фотонов или ватт, полученных в измеряемом диапазоне видимого света.
Другие интегрированные измерения не лучше. Ботаники и океанографы часто измеряют то, что они называют «фотосинтетически активная радиация» (ФАР), которая представляет собой общее количество фотонов между 400 нм и 700 нм. Опять же, поскольку исходный спектр неизвестен, обширные базы данных ФАР не могут быть преобразованы в любые другие измерения.
Конечно, если знать спектральный состав света, конверсия между различными интегрированными измерениями, такими как люкс и ФАР, может быть сделана. Однако в большинстве случаев, если знать спектр, нет и необходимости делать интегрированные измерения, так как данные легко можно будет интегрировать позже. Ведь спектральный состав света, хотя он и не поможет преобразовать энергетическую яркость в облучённость, в остальном является единым информационным центром, при помощи которого можно узнать почти любые другие характеристики света. Фактически, преимущества спектральных измерений настолько перевешивают затраты, что для любого, кто измеряет свет, лучшей покупкой является спектрорадиометр. В прошлом эти инструменты были большими, дорогими и капризными, но теперь вы можете купить надёжный спектрометр размером с компьютерную мышь по цене ноутбука. Есть гораздо более дорогие модели, работающие при слабом освещении или имеющие чрезвычайно высокое спектральное разрешение, но большинству биологов они не нужны. В остальной части этой главы рассматривается использование спектрометров при измерении света, начиная со связанных с оборудованием вопросов, и затем переходя к конкретным задачам.