Вы читаете:

"Оптика жизни: руководство биолога по свету в природе"

Глава шестая: рассеяние с интерференцией

Отскакивает ли свет? Отражение


Большинство из нас ещё в детстве выучили ещё две вещи – то, что свет отскакивает от определенных материалов, и изгибается, когда он проходит через другие. Подобно тому, как рассеяния Рэлея и Ми являются различными математическими объяснениями для одного и того же процесса, отражение и преломление являются отдельными, математически описываемыми случаями рассеяния. Другими словами, при некоторых условиях то, что мы называем отражением и преломлением, описывается гораздо более простыми уравнениями как рассеяние. Однако уравнения с нами настолько долго, что они превратились в законы. Я полагаю, что граница между уравнением и описываемым им процессом является очень тонкой, но в этом случае она привела к разделению явлений, которые являются просто частными случаями одного основного процесса.

Начнём с отражения, и на данный момент забудьте о том, что свет отскакивает. Вероятно, первым узнанным мной фактом из оптики было то, что угол падения света равен углу отражения. Несомненно, этот факт полезно знать, но действительно ли свет так себя ведёт? Если вы смотрите в зеркало на лампочку, верно ли, что свет, который вы видите, каким-то образом выстраивает правильный путь, в котором угол падения равен углу отражения? Если да, то почему?

Это ещё один случай, в котором играют главные роли конструктивная и деструктивная интерференции. Как вы могли догадаться, свет от лампочки может отскакивать от зеркала и достигать вашего глаза любым количеством путей (рассеяние света воздухом игнорируем) (рис. 6.5).

Рисунок 6.5: Свет покидает точку S и отскакивает от всех частей зеркала. Для большинства частей зеркала время, необходимое отражённому свету чтобы попасть в точку P, быстро меняется в зависимости от местоположения, что приводит к деструктивной интерференции и отсутствию видимого света. Однако, когда угол падения равен углу отражения (в точке G), время (и, следовательно, фаза) изменяется не сильно, и становится возможной конструктивная интерференция. Из Фейнмана, 1988.

Эти пути имеют разную длину, и поэтому доходящий до нас свет приходит с множеством разных фаз. Разница в расстояниях настолько велика и распределена в пространстве, что, как и в воде о которой мы говорили раньше, волны света имеют почти все фазы, и их амплитуды аннулируют друг друга. Однако, когда угол падения равен углу отражения, происходит нечто особенное. Для этого конкретного набора углов дистанция полного пути света от лампочки до глаза через зеркало минимальна. Что ещё более важно, изменение пути прохождения света непосредственно рядом с этим минимальным расстоянием также минимально. Подобно тому, как закругленный холм на вершине плоский, а чашевидная долина плоская на дне, фаза изменяется меньше всего, когда угол падения близок к тому, что мы называем углом отражения. Поскольку фазы схожи, световые волны конструктивно интерферируют, и создаётся впечатление что свет отражается только в том случае, когда углы равны.

Всё выглядит как чрезмерное усложнение, но, по нескольким причинам, это лучший способ думать об отражении. Во-первых, в стороне остаётся убеждение, что существует множество отдельных законов о поведении света. Во-вторых, так мы лучше поймём структурные цвета животных, о которых в этой главе речь пойдёт позже. Наконец, этот способ предсказывает то, что мы увидим в не столь обычных обстоятельствах. Например, предположим, что у нас есть действительно маленькое зеркало, только сотая часть микрона в поперечнике. Обычное правило гласит, что мы увидим отражённый свет только если поместим зеркало в нужное место (где угол падения равен углу отражения), но на самом деле мы увидим отражённый свет всегда, независимо от того, где мы разместим зеркало. Это связано с тем, что с таким маленьким зеркалом длина пути света почти одинакова, независимо от того, где мы размещаем зеркало. Фазы, таким образом, складываются, и мы видим отражение. Сделайте зеркало достаточно маленьким, и неважно, где мы его разместим.

Помимо этого, лучше можно объяснить отражение от неметаллических гладких поверхностей, таких как стекло и вода. Обычно мы говорим, что свет отскакивает от этих поверхностей, но с чего бы волне света отскакивать от поверхности прозрачного объекта? Он и не отскакивает. Вместо этого свет проникает в воду или стекло и рассеивается в каждой точке. Доказательства слишком громоздкие, чтобы приводить их здесь, но все рассеянные волны аннулируются за исключением двух: (1) отраженного света, где угол падения и отражения равны, и (2) преломленного света, который мы обсудим позже (Doyle, 1985).

Несмотря на то, что животные не собирают конструкции из металлов, они замечательно хороши в создании зеркал. Однако животные зеркала редко так называют. Вместо этого мы слышим о тапетуме в глазах, серебристых боках рыб, отражающих чешуйках бабочек, иридофорах у головоногих моллюсков и структурных цветах у множества животных. Итак, прежде чем углубиться в детали, мы должны подумать о том, почему эти зеркала вообще появились. В конце концов, как мы обсуждали в главе 4, любое толстое, сложное, непоглощающее вещество (например, соединительная ткань) отражает большую часть попавшего на него света. Однако свет, отраженный от перечисленных выше структур, часто отличается от такого рода диффузного отражения тремя способами. Во-первых, отражение имеет хотя бы некоторую направленность. Хотя немногие животные зеркала настолько хороши, что в них можно увидеть своё лицо, они обычно отражают большую часть попавшего на них света в одном направлении. Это то, что придаёт им блестящий вид. Во-вторых, зеркала животных представляют собой более эффективные отражатели, чем масса ткани. Другими словами, они могут быть тонкими и по-прежнему отражать большую часть света. Наконец, из-за интерференции, происходящей на определённой длины волны, отраженный от зеркал животных и окрашенный свет может быть окрашен по причинам, не имеющим никакого отношения к поглощению света пигментами. Отражённый цвет также может быть сильно насыщен, поскольку избирательность интерференции по длине волны может быть выше, чем ширина полосы поглощения типичных биологических молекул.

Животные зеркала изучались долгое время, причём недавно произошёл взрывной рост данных (вероятно, благодаря появлению вычислительных мощностей, позволяющих анализировать более сложные структуры), поэтому я позволю себе лишь дать краткое введение в их разнообразие и функции. Целые книги были написаны только о радужных цветах бабочек.

Структурно животные зеркала можно разделить на две категории: (1) брэгговские отражатели и (2) всё остальное. Брэгговский отражатель, или стек в четверть волны, представляет собой чередующийся набор слоёв материала с высоким и низким показателями преломления (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6: Свет взаимодействует с брэгговским отражателем.

Каждый из этих слоев имеет такую толщину, что свет одной конкретной длины волны (скажем, 500 нм, измеренный в воздухе) проходя через слой, преодолевает расстояние только в четверть своего цикла. Помните, что поскольку на длину волны влияет показатель преломления среды, физические толщины слоев с высоким показателем будут меньше толщин слоев с низким показателем. Два «правила», которые вам нужно знать, таковы: (1) фаза света изменяется на 180°, когда она отражается от границы среды, в которой показатель преломления переходит от низкого к высокому, и (2) фаза света не изменяется, когда свет отражается от границы сред, где показатель преломления изменяется от высокого к низкому. Учитывая это, предположим, что фаза падающего на верхнюю поверхность стека луча равна нулю. Он идет от низкого к высокому показателю преломления, поэтому фаза отраженного от верхней поверхности луча (измеренная чуть выше этой поверхности) составляет 180°. Однако большая часть света не будет отражена от верхней поверхности. Остальной свет идёт дальше, и часть отражается на следующей границе сред (граница 1). Теперь показатель преломления переходит от высокого к низкому, поэтому фаза не изменяется, но отражённый свет дважды проходит через верхний слой, поэтому, когда он выходит из самой верхней поверхности, его фаза также составляет 180 °. Опять же, только часть света отразилась на границе 1. Свет идёт ниже, и часть отражается на границе 2. Показатель преломления снова идёт от низкого к высокому, поэтому фаза меняется на 180°. Полный путь, который необходимо проделать свету чтобы пройти так далеко и вернуться назад, совпадает по размеру с одной целой длиной волны, поэтому фаза луча, выходящего из самой верхней поверхности, снова равна 180°. Вы можете продолжать использовать столько слоев, сколько хотите, и обнаружите, что фаза света, выходящего из самой верхней поверхности, всегда равна 180 °. Поэтому все отражённые лучи находятся в фазе, и, таким образом, отражение света для этой конкретной длины волны велико.

Это классическое объяснение заметает под коврик две вещи. Прежде всего, оно игнорирует тот факт, что во время возвращения вверх свет также отражается границами среды. Вся структура в целом по-прежнему работает как настроенный на длину волны отражатель, но для точного расчета коэффициента отражения необходимо учитывать эти дополнительные отражения. Чтобы сделать это правильно для стека с более чем парой границ, нужно привлечь так называемую «теорию матриц перехода», которая, к счастью, не так пугающа, как может показаться. Во-вторых, «правила» изменения фазы являются неконкретными, и создают впечатление, что роль играет только граница сред. В действительности весь объект рассеивает свет, но фазовые взаимоотношения между рассеянными волнами таковы, что можно делать вид, что только границ сред имеет значения, пока учитываются эти два фазовых правила.

Независимо от того, каким образом анализировать поведение света, брэгговские отражатели очень эффективно справляются с задачей отражения широкого диапазона длин волн. Как я уже сказал, точный спектр отражения для конкретного стека требует определенных усилий для расчёта, но есть несколько общих тенденций. Во-первых, добавление в стек большего количества слоев увеличивает общую отражательную способность. Увеличение разницы между показателями преломления двух сред также увеличивает общую отражательную способность, но фактически снижает насыщенность отраженного цвета. Другими словами, для стека с заданным количеством слоев игра с показателями преломления компонентов является поиском компромисса между яркостью и насыщенностью отражённого света. Если вы хотите, чтобы отражён был только узкий диапазон длин волн, стек должен быть изготовлен из материалов с довольно близкими показателями преломления, вследствие чего отражённый свет будет тусклым, если только стек не будет толстым. Частично это объясняет то, отчего сильно насыщенные структурные цвета, например, на крыльях бабочек, часто довольно тёмные.

Вопреки устоявшемуся мнению, брэгговские отражатели не обязаны отражать только узкий диапазон длин волн. Если различия между двумя показателями преломления достаточно велики, можно создать стек, выглядящий белым. Например, четвертьволновый стек для света на 550 нм, сделанный из тонких листов стекла (показатель преломления n ≈ 1,5), чередующихся с воздухом (показатель преломления n ≈ 1), будет сильно отражать свет от 440 до 660 нм и, таким образом, выглядеть белым. Такой большой разницы трудно достичь в ткани, (хотя гуанин в блестящей рыбьей чешуе близок), поэтому большинство «белых» биологических зеркал представляют собой многослойные стеки с множеством разных расстояний между слоями, так что все длины волн отражаются хорошо.

Последний вопрос с брэгговскими отражателями касается взаимоотношений отражения и угла. Суть в том, что наклонный путь через каждый слой длиннее перпендикулярного и, следовательно, длиннее четверть длины волны для большей длины волны света. Поэтому простой способ понять, имеете ли вы дело с классическим стеком Брэгга – это наклонить поверхность. Если отраженный свет меняет цвет, то, скорее всего, вы имеете дело с простым четвертьволновым отражателем. Если он не меняет цвет, работает более сложная геометрия.

Переходя от брэгговских отражателей ко «всему остальному», первое, что нужно понять, – это то, что все более сложные зеркала, независимо от сложности структуры, действуют через один и тот же фундаментальный процесс. Свет проникает в ткань (она обычно имеет низкое поглощение) и рассеивается во всех точках. В зависимости от порядка организованности структуры может быть или может не быть простого способа оценить отражающую способность, но физика не изменяется. Это кажется очевидным, но почти всегда игнорируется. Вместо этого вы слышите, как люди спорят о том, является ли что-то брэгговским отражателем или когерентным рассеивателем или дифрактором и т.п. – классический случай смешивания самого феномена с методами, используемыми для его изучения.

Не удивительно, что анализ более сложных структур может быть тяжёлым делом. Природа, похоже, занимается только перемешиванием основ и иерархических структур, и анализирующие структурные цвета исследователи сталкиваются с изумительным разнообразием ультраструктур (Вклейка. 4) (см. Kinoshita et al., 2008).

Вклейка 4: в левой колонке показанны электронные микрофотографии различных фотонных структур головоногих моллюсков, а в правой колонке показаны фотографии получаемых оптических эффектов. Предоставлено Элисон Суини

В некоторых случаях можно обнаружить, что несколько брэгговских отражателей смешаны друг с другом под разными углами (подобно стопкам бумаги в мусорке за магазином канцелярских товаров). В других случаях можно найти стеки с переменными расстояниями или изогнутыми слоями. Потом обнаруживаются ткани, вообще не имеющие слоев. Вместо этого может существовать подобная губке сеть из двух веществ, её находят, например, в цветных перьях некоторых птиц (Prum et al., 1998, 1999) или структуры с высоким показателем преломления, имеющие форму веретён, овалов, эллипсов, трилистников и множество других форм, встроенные в среду с низким показателем преломления (например, Holt et al.). Также представляется, что некоторые из этих структур являются динамическими, и животное может контролировать расстояние, форму и плотность (и, следовательно, показатель преломления) материала по желанию (например, Izumi et al., 2010). Откройте недавний выпуск «Nature» или «Science», и весьма вероятно вы увидите доказательства существования новой оптической структуры у какого-то животного.

Вопрос о конкретных оптических преимуществах этих более сложных структур является новой и захватывающей темой исследований. Губчатые сети в птичьих перьях отражают примерно одинаковый спектр независимо от угла падения света и положения наблюдателя, и в этом имеют преимущество перед простыми брэгговскими отражателями, которые сильно зависят от угла. Это бесспорное преимущество, если вам необходимо отправлять постоянный сигнал независимо от местоположения вашего зрителя, хотя часто оно оплачено уменьшением насыщенности цвета при заданной толщине структуры. Некоторые структуры, обнаруженные вокруг глаз кальмаров, как представляется, особенно хороши для одинакового отражения света всех длин волн (Holt et al., In press). Другие структуры, найденные у ротоногих, демонстрируют интересные эффекты поляризации отраженного света (Chiou et al., 2008). Вероятно, будут найдены и другие оптические функции, хотя, конечно, возможно, что некоторые сложные структуры являются просто вариациями основной темы брэгговских отражателей.

Экологические функции биологических зеркал столь же разнообразны, как и их структуры и местоположения. Возможно, наиболее распространенная функция – доказанная или гипотетическая – сигнальная. Эти сигналы обычно производятся относительно простыми брэгговскими отражателями, отражающими узкий диапазон длин волн, как правило, расположенных на нижнем конце видимого спектра. По неясным причинам, для создания длинноволновых цветов (жёлтые, оранжевые и красные) животные обычно прибегают к поглощению, а для коротковолновых цветов (синие и фиолетовые) обычно используется рассеяние. Синие цвета, основанные на поглощении, безусловно, существуют, как и красные цвета, основанные на рассеянии, но по какой-то странной причине они редки. Несмотря на это, «структурные цвета» (в этом контексте под ними понимается отражение, основанное на рассеянии/интерференции) являются впечатляющими сигнальными системами из-за их высокой отражательной способности и насыщенности. Структурные цвета встречаются во множестве разновидностей, особенно у насекомых (см. замечательную книгу Суичи Киноситы «Структурные цвета в царстве природы» (Suichi Kinoshita «Structural Colors in the Realm of Nature»)).

Хотя действительная сигнальная функция доказана лишь у некоторых видов (как часть обширных публикаций по цветовым сигналам у животных), и структурные цвета вполне могут быть для некоторых видов случайными, трудно смотреть на пылающий металлик зелёного цвета, покрывающий агрессивного тигрового жука (Cicindela sp.) и не видеть сигнала. Тем не менее, даже более впечатляющим чем тигровый жук, выглядит панамский жука-черепаха (Charidotella egregia), который – как выразилась Элисон Суини – цветом и блеском похож на золотой снитч Гарри Поттера. Если вы коснетесь этого великолепного животного, то его цвет изменится от золотого металлика до обычного красного в течение двух минут, предположительно за счёт изменения гидратации кутикулы, что затем разрушает ответственные за золотой цвет брэгговские отражатели, обнажая красный пигмент (Vigneron et al., 2007) (Вклейка . 5).

Вклейка 5. Панамский жук-черепаха Charidotella egregia, меняется от обычного металлическо-золотистого цвета до расплывчато-красного после касания. Из Vigneron et al., 2007.

Разница между золотой и красной окраской настолько велика, что в течение многих лет различно окрашенное животное считалось двумя разными видами. Никто не высказал убедительной догадки, отчего оно меняет цвет после прикосновения, но я буду шокирован, если обнаружится что это не сигнальная функция. Вообще, жуки являются благодатной почвой в исследованиях экологических функций структурного цвета, поскольку сочетают в одной группе животных разнообразную оптику, виды и экологические ниши (см. Seago et al., 2008).

Биологические зеркала с отражением широкого диапазона длин волн редко используются в качестве сигнальных, возможно оттого, что одним из больших преимуществ насыщенных структурных цветов является их инвариантность в разных оптических средах (синее крыло бабочки выглядит синим почти при любом естественном освещении). Вместо этого широкополосные зеркала, по-видимому, используются для камуфляжа, особенно в пелагических местах обитания. На первый взгляд зеркала не являются очевидной тактикой для камуфляжа (сардины, безусловно, легко найти на тарелке). Однако они работают, поскольку подводное световое поле более или менее симметрично вокруг вертикальной оси (рис. 6.7).

Рисунок 6.7: (Слева) Картина, отраженная от вертикального зеркала под водой, может выглядеть так же, как и картина, находящаяся за животным, потому что подводное световое поле часто почти симметрично вокруг вертикальной оси. (Справа) Поперечное сечение рыбы Alburnus alburnus, показывающее ориентацию отражающих пластин чешуи. Denton, 1970.

Если вы посмотрите в вертикальное зеркало, увиденная вами отражённая яркость почти соответствует яркости среды, которую можно увидеть, если смотреть прямо сквозь животное (как если бы оно было прозрачным). Однако это сработает только при условии, что зеркало будет вертикальным. Тщательное исследование Эрика Дентона и Майка Ланда показало, что отражающие структуры рыбьей чешуи действительно поддерживаются в вертикальном положении, что является хорошим трюком, поскольку тела многих рыб изогнуты. Рыбы ориентируют отражающие структуры под разными углами относительно чешуи, чтобы компенсировать кривизну своих тел (Denton, 1970; Denton and Land, 1971).

В дополнение к серебристым бокам некоторых рыб, маскирующие зеркала были найдены на непрозрачном кишечнике некоторых прозрачных видов (Seapy and Young, 1986) и окружают глаза многих рыб и головоногих моллюсков. На суше маскирующие зеркала редкость, но было высказано предположение, что окрас куколок многих бабочек в золотистый металлик, бросающийся в глаза в лаборатории, в природе является маскировочным, поскольку так куколки отражают листья вокруг них. Золотой цвет куколок довольно распространен; на самом деле термин «хризалида», которым обозначают куколки некоторых бабочек, происходит от греческого слова «золото».

Отражающие структуры также обнаруживаются за сетчаткой многих ночных и сумеречных животных. Они называются «тапетум» и отвечают за то, что часто называют «светящиеся глаза» или «сияющие глаза». Любой, кто смотрел на кошку в тускло освещённой, но не совсем тёмной комнате, хорошо знает об этих зеркалах. Поскольку они отражают обратно проходящий через сетчатку свет, они удваивают длину светового пути через фоторецепторы и увеличивают поглощение света. Кажется простым и умным, но у каждого решения есть цена. Во-первых, любой не поглощенный сетчаткой после второго прохода свет многократно отражается в ткани глаз. Большая часть этого света покидает глаз и делает животное более заметным. В своё время мы по ночам искали нашу своенравную кошку с помощью фонарика, размахивая им, пока не ловили отблеск кошачьих глаз. Вообще тапетум настолько распространён у сухопутных животных, что стоит задаться вопросом, почему биолюминесцентные прожекторы никогда не развились у ночных наземных хищников, как они развились у хищников в глубоком море. Некоторая часть отражённого света не покидает глаз, а поглощается вторым фоторецептором вдали от первоначального места попадания луча света на сетчатку. Это ухудшает качество изображения. D`Angelo et al. (2008) предположили, что эти две проблемы объясняют, почему тапетум редко представляет собой отражатель для широкого диапазона длин волн, а вместо этого отражает узкие полосы длин волн, близкие к пикам поглощения фоторецепторов в сетчатке. Так отражённый свет получает лучший шанс быть поглощенным необходимым фоторецептором, и, следовательно, вероятность искажения изображения ниже.

Нечто другое однажды произошло со мной, когда я шёл через публичный аквариум в Вудс-Хоул, Массачусетс. Там была оранжевая рыба, у которой был оранжевый тапетум (нет, я не помню что за вид, и это не даёт мне покоя). При взгляде с определенных углов тапетум не отражал много света, и можно было видеть зрачок. Но со многих других углов отражение оранжевого цвета полностью совпадало с цветом кожи рыбы, и заставляло глаза исчезнуть. Это был замечательный трюк и, возможно, весьма полезный, так как глаза заметны и могут выдать присутствие в остальном замаскированного животного.

В некоторых случаях тапетум также может меняться в зависимости от времени года. В 2003 году Dukes et al. на конференции по нейробиологии представил работу, в которой показано, что тапетум северного оленя жёлтый в течение лета, и синий зимой. Эти животные живут около Полярного круга, где лето и зима совершенно разные. Как мы обсуждали в главе 3, как лунный, так и звёздный свет более красные, чем дневной свет. Однако, как мы также упоминали, в полярных широтах сумерки длинные, и интенсивно сине окрашенные. В реальности, около Полярного круга солнце едва поднимается над горизонтом в день зимнего солнцестояния, а сумерки могут быть доминирующим светлым временем суток на протяжении большей части зимы. Таким образом, представляется что эти животные реагируют на меняющийся в течение года уровень освещения, чтобы максимизировать чувствительность своих глаз. Удивительная магистерская работа Сандры Шифкен из Университета Тромсё в Норвегии (подходящее место для изучения оленей) показала, что изменяющиеся цвета тапетума контролируются эндогенным ритмом и, по-видимому, опосредованы изменением расстояния коллагена в этом биологическом зеркале (Siefken, 2010).

Но высшая награда за лучший тапетум отправляется к гребешкам. В отличие от моллюсков, устриц и мидий (и по непонятным мне причинам), американцы едят не целые гребешки, а только приводящие (закрывающие раковину) мышцы. Поэтому мы никогда не видим, что у гребешков есть от пятидесяти до ста глаз, выглядывающих в щель между двумя раковинами (рис. 6.8).

Рисунок 6.8: (Слева) Синие зеркальные глаза гребешка Argopecten irradians. (Справа) Поперечное сечение глаза родственного вида, морского гребешка Placopecten magellanicus, показывающее две сетчатки, линзу и зеркало (тапетум).

Глаза различаются по размеру и цвету, но у некоторых видов, например, Argopecten irradians, они примерно один миллиметр в поперечнике и потрясающе синего цвета. У каждого глаза есть линза, но ранняя работа Майка Ланда, пионера в области сравнительной зрительной оптики, показала, что линза недостаточно мощная, чтобы фокусировать свет на сетчатках (как это ни странно, там есть две сетчатки, отличающиеся друг от друга по всем возможным параметрам). Вместо этого тапетум позади сетчаток имеет такое высокое оптическое качество, что фокусирует свет на сетчатках. Линза, похоже, только выполняет роль компенсатора для тапетума, поскольку последний является сферическим, а не параболическим, каким должно было бы быть идеальное фокусирующее зеркало. Это один из двух случаев в животном мире, когда животное создало зеркало оптического качества. Почему глаз нуждается в двух сетчатках, зачем использовать зеркало, и зачем то, что по существу является гламурным моллюском, завело себе от пятидесяти до сотни отличных глаз, – это открытые вопросы, решение которых взял на себя ещё один мой бывший ученик, Дэн Шпизер. В моём любимом эксперименте гребешкам показывали фильмы про еду (в виде частиц, движущихся по экрану компьютера). Морские гребешки, закреплённые на маленьких сиденьях, открывали створки своих раковин в попытке кормиться, если частицы были достаточно большими и не двигались слишком быстро, из чего можно предполагать, что по крайней мере одна из функций их глаз может заключаться в оценке условий для питания (Speiser and Johnsen, 2008). Это был классический случай эксперимента, от которого никто (включая меня) не ждал каких-либо результатов, но всё равно эксперимент был проведён.

Другое биологическое зеркало оптического качество можно найти у глубоководной рыбы-призрака семейства опистопроктовые Dolichopteryx longipes. В дополнение к двум относительно нормальным направленным вверх глазам, у рыбы-призрака есть два обращенных вниз глаза, у которых вообще нет хрусталика (рисунок 6.9).

Рисунок 6.9: (Сверху) Поперечное сечение глаза рыбы-призрака Dolichopteryx longipes. Правая часть – это типичный простой глаз с хрусталиком. Левая часть – зеркальный глаз. (Снизу) Входящий свет с трех разных углов падения фокусируется на сетчатке внеосевым зеркалом. Из Wagner et al., 2009.

Вместо этого у глаз есть зеркала, которые не только фокусируют свет, но и поворачивают его на 90°, так что он достигает двух смотрящих в сторону сетчаток. Таким оказывается решена одна из классических проблем оптики отражения – как не блокировать входящий свет приёмником. Вероятно, вы заметили, что в основе большинства больших телескопов зеркала, а не линзы. Для этого есть веские причины. Зеркала не имеют хроматической аберрации (они фокусируют все длины волн на одну и ту же точку), и их расположение в нижней части телескопа облегчает их поддержку. Тем не менее, они фокусируют свет обратно, прямо на траекторию входящего луча. Это означает, что детектор или зеркало должны быть установлены в середине этого пути, чтобы либо собрать свет, либо отразить его ещё раз, к собственно детектору. Это не только неудобно, но и неизбежно блокирует входящий свет. Глаза гребешка, о которых мы говорили выше, являются примером этой невесёлой ситуации, при которой свет должен проходить через обе сетчатки не сфокусированным, прежде чем он может быть сфокусирован зеркалом и отражён обратно на сетчатку. Это почти без сомнения ухудшает изображение и снижает контрастность. Один из способов, которым люди справляются с этой проблемой, – использовать ассиметричное внеосевое зеркало, чтобы отраженный свет слегка отклонился в сторону. Сделать это сложно и дорого. Как обычно, в вопросе совершенства структур животные разбили нас наголову.

Предыдущая страницаСледующая страница

«Вавилонский Зоопарк»