Az emberi szem hihetetlen eszköz, és pontosan meg tudja különböztetni a legkisebb vagy legfinomabb színkülönbségeket. Bár az emberi látás egy területen kitűnő, úgy tűnik, hogy az emberi optika természetes korlátainak köszönhetően elmarad másoktól, például a percek részleteinek érzékelésétől.
Az Amerikai Optikai Társaság (OSA, USA) Optica folyóiratában tegnap megjelent cikkében a Stuttgarti Egyetem (Németország) és a Kelet-Finnországi Egyetem kutatócsoportja Joensuu kihasználta az emberi A szem érzékeli a színt, hogy a szem meg tudja különböztetni azokat a tárgyakat, amelyek vastagsága legfeljebb néhány nanométer lehet - nagyjából az egyes sejtmembránok vagy vírusok vastagsága.
Ezt a képességet, amely túllépi az emberi szem diffrakciós határát, egy önkéntes kis csoport tanítása bizonyította, hogy azonosítsák a vékony titán-dioxid-filmeken áthaladó fény nagyon finom színkülönbségeit nagyon világos megvilágítás mellett. Ellenőrzött és pontos. Az eredmény egy nagyon következetes vizsgálatsorozat volt, amely eddig kiaknázatlan potenciált tárt fel, amely kifinomult optikai eszközökkel vetekszik, amelyek képesek mérni ezeket a percvastagságokat, például az ellipszometriát.
"Meg tudtuk mutatni, hogy az emberi szem segítség nélkül képes meghatározni a vékony film vastagságát - csak néhány nanométer vastag anyagot -, egyszerűen megfigyelve azt a színt, amelyet különleges fényviszonyok között mutat be" - mondja a Az OSA Press Sandy Peterhänsel, a Stuttgarti Egyetem munkatársa és a cikk vezető szerzője. A tényleges tesztre a Kelet-Finnországi Egyetemen került sor.
Vékony filmek
A vékony filmek elengedhetetlenek a különféle kereskedelmi és gyártási alkalmazásokhoz, ideértve a napelemek fényvisszaverő bevonatait is. Ezek a filmek vastagsága akár több tíz nanométer lehet. Az ebben a kísérletben használt vékony filmeket úgy hoztuk létre, hogy az egyes atomok rétegenként rétegenként kerültek a felszínre. Bár nagyon pontos, ez időigényes eljárás, és az iparban más technikákat is alkalmaznak, például gőzfázisú leválasztást.
A vékony filmek optikai tulajdonságai azt jelentik, hogy amikor a fény kölcsönhatásba lép a felületeikkel, a színek széles skálája jön létre. Ugyanez a jelenség élénk színeket eredményez a szappanbuborékokban és az olajfilmek a vízben.
Az e folyamat által előállított sajátos színek nagymértékben függenek az anyag összetételétől, vastagságától és a bejövő fény tulajdonságaitól. Ezt a nagy érzékenységet mind az anyag, mind a vastagság tekintetében képzett mérnökök alkalmazták, hogy gyorsan megbecsüljék a film vastagságát körülbelül 10-20 nanométeres szinten.
Ez a megfigyelés inspirálta a kutatócsoportot, hogy tesztelje az emberi látás határait, hogy lássa, mennyire mérhető egy variáns ideális körülmények között.
"Bár az emberi szem térbeli felbontóképessége nagyságrendekkel túl gyenge a filmvastagságok közvetlen jellemzéséhez, az interferencia színek köztudottan nagyon érzékenyek a film variációira" - mondja Peterhänsel.
Kísérlet
A kísérlet beállítása nagyon egyszerű volt. Titán-dioxid vékony filmjeinek sorozatát gyártották, atomréteggel, rétegenként. Bár időigényes, ez a módszer lehetővé tette a kutatók számára, hogy gondosan ellenőrizzék a minták vastagságát, hogy teszteljék a résztvevők látásmódjának korlátait.
A mintákat ezután egy LCD monitorra helyezték, amely tiszta fehér szín megjelenítésére volt konfigurálva, kivéve a szín referencia területet, amely kalibrálható volt a különböző vastagságú vékony filmek felületének látszólagos színeihez.
A referencia mező színét minden résztvevő addig változtatta, amíg tökéletesen meg nem egyezett a referencia mintával: a szín helyes azonosítása azt jelentette, hogy helyesen határozták meg annak vastagságát is. Ez akár két perc alatt is megtehető, és néhány tesztminta és résztvevő esetében a becslés csak egy vagy három nanométert tért el a hagyományos eszközökkel mért valós értéktől. Ez a pontossági szint messze meghaladja a normális emberi látást.
A vékony film vastagságának meghatározására szolgáló hagyományos automatizált módszerekhez képest, amelyek mintánként öt-tíz percet igényelhetnek bizonyos technikák alkalmazásával, az emberi szem teljesítménye sokkal jobb volt.
Mivel az emberi szem nagyon könnyen elfárad, nem valószínű, hogy ez a folyamat felváltja az automatizált módszereket. Ez azonban egy tapasztalt technikus gyors ellenőrzésének szolgálhat. "Vizsgálatunk célja nem kizárólag az emberi színlátás összehasonlítása volt a sokkal kifinomultabb módszerekkel" - mondja Peterhänsel. "Munkánk fő motivációja annak megállapítása, hogy ez a megközelítés mennyire pontos lehet."
A kutatók feltételezik, hogy más finomító tényezők alkalmazásával még finomabb variációk is kimutathatók. "Az emberek gyakran alábecsülik az emberi érzékeket és azok értékét a mérnöki és a tudomány területén. Ez a kísérlet azt mutatja, hogy természetes látásmódunk kivételes feladatokat képes elvégezni, amelyeket általában csak a drága és kifinomult gépekhez rendelnének. "- összegzi Peterhänsel.
Bibliográfiai hivatkozás:
Sandy Peterhänsel, Hannu Laamanen, Joonas Lehtolahti, Markku Kuittinen, Wolfgang Osten, Jani Tervo: Az emberi színlátás nanoszkóp pontosságot biztosít a vékony film vastagságának jellemzésében. Optika (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000627.