Apie fotometriją, arba Ką meluoja NASA?

Šis įrašas brendo gana ilgai. Viskas prasidėjo dar tais laikais, kai buvau Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto studentas. Laikai buvo sunkūs, man teko dirbti kopijavimo centre. Negalėdamas lankytis paskaitose, skaičiau vadovėlius darbe, namuose vakarais, sėdėjau iki išnaktų su namų darbais, o iš darbo pabėgdavau tik dėl laboratorinio darbo, kur privalėjau būt fiziškai. Vieni dėstytojai buvo supratingi, kiti mažiau supratingi. Aš nelankiau optikos paskaitų, bet buvau pasiėmęs iš bibliotekos bent 5 optikos vadovėlius, kurios skaičiau vakarais.

Kas man visų pirma krito į akis, buvo vadovėlių skyriai, kurių dėstytojai nedėstė. Vienas iš tokių buvo „Fotometrija“. Man, 19 metų vaikinui, būtent šis skyrius visose optikos vadovėliuose pasirodė įdomiausias ir nuo tų laikų tapo mano hobiu. Kas yra fotometrija? Tai yra mokslas apie tai, kaip susieti tikslią optiką ir netikslų žmogų. Kaip nuo šaltų fizikinių vienetų pereiti prie šiltos malonios lemputės šviesos žiemos vakarais. Tai mokslas apie tai, kodėl vienos lemputės mums šaltai šviečia, kodėl žvakės mums yra šiltos ir malonios. Ši optikos dalis nagrinėja žmogaus sąveiką su šviesa, tiksliau jos fizikinę dalį.

Visų pirma, mūsų akies tinklainė yra mozaika, sudaryta iš dvejų tipų fotoreceptorių – stiebelių (lazdelės) ir kūgelių (kolbelių). Kolbelės yra mūsų spalvos regėjimas, o stiebeliai yra mūsų juodai-balta rega. Kolbelės labiausiai susitelkusios ties tinklainės centru – sritimi vadinama fovea arba vidurio duobutė.

Stiebeliai yra atsakingi už žmogaus regą tamsoje, ji dar vadinama skotopinė (scotopic) rega, o už ją atsako pigmentas rodopsinas, labiausiai jautrus žaliems bangų ilgiams. Jei įdėmiai pažvelgt grafike į tamsiai žaliai nuspalvintą plotą, jis pasibaigia ties 600 nm. Tai reiškia, kad stiebeliai nemato raudonos šviesos! Būtent dėl šios priežasties lėktuvuose, laivuose, mašinose, visur kur žmogui gali tekt vairuoti naktį, informaciniai skydeliai yra apšviečiami raudonai. Toks apšvietimas leidžia kapitono akiai prisitaikyt prie tamsos ir tuo pačiu matyt prietaisus.

Žmogaus akies kolbelėse randami trijų tipų fotopigmentai, atsakingi už spalvinę regą:

• trumpujų bangų arba S kolbelių su fotopigmentu, labiausiai jautriu „žydrai violetiniams“ bangų ilgiams apie 445 nm,
• vidutinių bangų arba M kolbelių su fotopigmentu, labiausiai jautriu „žaliems“ bangų ilgiams apie 540 nm,
• ilgesnių vidutinių bangų arba L kolbelių su fotopigmentu, labiausiai jautriu „žalsvai geltoniems“ bangų ilgiams apie 565 nm.

Daugiausia yra L tipo kolbelių (apie 63–64 proc.), o antroje vietoje yra M tipo kolbelės – jų turime apie 31–33 proc. Jautriausios yra S tipo kolbelės, tačiau jų yra labai mažai (apie 4–6 proc. visų kolbelių) ir jos yra vidurio duobutės kraštuose. Dėl šios priežasties žmonėms sunkiausia yra pastebėt ryškius mėlynos (žydros) šviesos šaltinius. Mūsų protas kažkiek bando koreguoti šią situaciją pastiprindamas žydros spalvos signalą, tačiau žydros spalvos vaizdas visada mums atrodys labiau išblukęs nei kitų spalvų. Visų pirma, geriausia skyra yra tada, kai šviesa apšviečia retinos vidurio duobutę, o S tipo kolbelės yra šios srities kraštuose. Antras efektas yra susijęs su tuo, kad akies lęšiuko lūžio rodiklis mėlynai spalvai yra kitoks negu žaliai ir geltonai. Dėl šios priežasties, negalime vienu metu sufokusuoti vaizdų į skirtingų spalvų objektus.

Geriausias būdas pademonstruoti  tai studentams yra paimt įkaitinto gyvsidabrio garų lempą. Garų spektras turės trys ryškias linijas – žydrą, žalią ir geltonai raudoną. Paėmę trejetą filtrų, mes galime panaikinti iš šviesos šaltinio dvi spalvas, palikdami trečią ir prašydami studentus įvertinti linijų plotį ir/ar jų ryškumą. Tuo pačiu eksperimentatorius naudoja kontrolinį prietaisą – fotoaparatą arba vaizdo kamerą, kurie nepriklausomai nuo studentų išsaugo gaunamą juodai baltą vaizdą. Atlikus eksperimentą, paaiškėja, kad studentams mėlynos spalvos linija buvo beveik trečdaliu plonesnė negu kitų spalvų linijos. Kontrolinis matavimas fotoaparatu gi parodo priešingai, kad mėlyną linija kaip tik buvo storiausia iš visų trijų (ši linija gyvsidabrio garuose yra stipresnė).

Jei vis dar tebeskaitote, turėtų jau kilti mintis, kad žmogaus akies fizika yra gana sudėtingas ir painus mokslas. Ir busit velniškai teisūs. Fizikoje kalbama apie dvi optikos mokslo sritis: radiometriją ir fotometriją. Radiometrija tai yra šviesos, nuo radijo bangų iki Rentgeno spindulių, matavimas naudojant nepriklausomą teisėją – fizikinį prietaisą. Jei perkate lemputę ir ten parašyta vatai, tai yra radiometrinis vienetas.

Fotometrija yra mokslas apie šviesos matavimą, kurį apibrėžiame kaip matavimą žmogaus akies pagalba. Šią optikos dalį domina tik tos šviesos bangos, kurias mato mūsų akis. Tai yra, bangos tarp 360 ir 830 nm. Kitaip tariant, fotometrijoje naudojami radiometriniai prietaisai, kurių atsakas į šviesą yra toks pat kaip žmogaus akies atsakas.

Kodėl tai yra taip svarbu? Matote, mūsų akis yra jautriausia žaliai spalvai. Jei paimsime tris vienodo galingumo lemputes: žalią, mėlyną ir raudoną, būtent žalia mums atrodys ryškiausia. Po jos bus raudona, ji mums atrodys bent porą kartų blankesnė, blankiausia mums atrodys būtent mėlynoji. Jei norėsime tai pakoreguoti, turėsime paimti galingesnį mėlynos ir raudonos spalvos apšvietimą.

Skirtumas tarp radiometrinio (arba tikslaus) matavimo ir fotometrinio (arba žmogiškojo) geriausiai matosi šiame paveiksliuke. Dienos šviesos radiometrinis maksimumas yra ties mėlynais bangos ilgiais, o fotometrinis maksimumas yra ties žaliais bangos ilgiais.

.

Praktiniu požiūriu fotometrija mums reikalinga dėl vienintelio dalyko – apšvietimo. Viskas, kas susiję su apšvietimo efektyvumu bei ergonomika, yra fotometrijos sritis. Tam tikslui įvedamas toks parametras, kaip šviesos šaltinio efektyvumas. Imamas šaltinio spektras ir padauginamas su fotoptine kreive, rezultatas integruojamas per visus bangos ilgius ir palyginamas su tuo pačiu veiksmu, kuomet spektrus nesudauginame, o imame vien šaltinio spektrą. Kitaip tariant, kuo arčiau šaltinio spektras mūsų akies jautrio kreivei, tuo efektyvesnis energetiniu požiūriu yra šaltinis. Ir nors saulės šviesos efektyvumas yra tik 12 proc., ji yra nepaprastai efektyvi, jei ją lygintume su žvakėmis (0,04 proc.), halogeninėmis lempomis (3,5 proc.). Ir tik baltos šviesos diodai pasiekia beveik 22 proc. efektyvumą.

Sekundei susimasčiau, ar yra žmonių, kurie skaitys šį įrašą, ir nežinos kas yra „Hubble“ teleskopas? Bet, manau, visi bus matę nepaprastai populiarias kosmines nuotraukas, kaip kad ši „Dievo piršto“ nuotrauka. Bet retas žino, kad kosmose nieko panašaus į šį didingą vaizdą jis nepamatytų. Tiesa pasakius, vaizdas būtų gana neįdomus ir nykus. Ir taip būtų būtent dėl mūsų akies fizikos, o šiam nusivylimui paaiškint mums ir būtina fotometrija.

Ramu, tylu ir štai prieš gerą porą mėnesių NASA atnaujino savo teleskopo nuotraukų archyvą – dabar ten galima rasti didesnės raiškos „Photoshopo“ produktų.

Pradėti reiktų nuo to, kad „Hubble“ turi virš 40 skirtingų kamerų, kurios daro juodai baltas nuotraukos. Tų nuotraukų prasmė yra radiometrinė, kadangi kiekviena nuotrauka padaroma vienai konkrečiai spalvai. O jei bangos ilgis „guli“ už žmogaus akies jautrumo ribų, tuomet spalvos sąvoka kaip ir nebeegzistuoja. Vienos nuotraukos daromos infraraudonojoje srityje, kitos – ultravioletinėje. Ir visur pilkumo laipsnis atitinka intensyvumą vatais.

Nekalbu apie tai, kad nuotraukas galime daryt ir radijo bangų ruože ir Rentgeno spindulių. Ir visom šioms spalvų neturėjusioms nuotraukoms galima suteikt spalvas. Ir būtent čia atsiranda toks svarbus klausimas: o kokias spalvas?

Visų pirma, „Hubble“ nuotrauką padarė naudodamas 3 filtrus:

1. Hα, vandenilio filtras – tai raudona spalva, bangos ilgis 656,3nm
2. O-III, deguonies filtras – tai žalia spalva, bangos ilgis 500,7 nm
3. S-II, sieros filtras – tai vėl raudona spalva, bangos ilgis 672,4 nm 

Matome, kad dvi spalvos yra raudonos. Tačiau ką daro NASA su Hubble juodai baltomis nuotraukomis? Žalia spalva virsta mėlyna, vandenilio spalva virsta žalia spalva, ir tik sieros filtro juodai balta nuotrauka lieka raudona. Dar daugiau, pamenate, esu kalbėjęs apie žmogaus atsaką raudonai, žaliai ir mėlynai spalvoms? Jei juodai baltos nuotraukos pirmoje eilutėje atrodo mums vienodai ryškios, mėlynos spalvos nuotrauka atrodo mums gerokai blankesnė. Logiška būtų prieš sudedant spalvas tai pakoreguoti? Pagal fotoptinę kreivę tam reiktų paryškint mėlyną nuotrauką keturis-penkis kartus, o raudoną – bent porą kartų. Tačiau tuomet nuotrauka prarastų savo žavų žalsvą foną. Ir NASA to tikrai nedaro. Niekaip nėra atsižvelgiama į mūsų akies jautrį. Ir, galu gale, kam tai įdomu? Kam tie žaidimai su intensyvumo lygiais?

Iš kitos pusės egzistuoja ir kita spalvų priskyrimo schema, kuria naudoja kita mokslinė laboratorija (Canada-France-Hawaii teleskopas). Šioje schemoje pirma nuotrauka lieka žalia, tačiau trečia nuotrauka tampa mėlyna. Jei mes palygintume NASA ir to kito teleskopo nuotraukas, štai ką mes gautume (žr. aukščiau).

Galite paklaust, o kaip tas Rosetos ūkas iš tikrųjų atrodo? Be jokių žaidimų su spalvomis? Atsakau į klausimą. Štai ką matytų žmogaus akis. Na, tokie atvirukai dabartiniame pasaulyje sunkiai konkuruotų. Blanku ir nuobodu.

Nepamirškite, jog žaidimų su spalvomis gali būt dar įdomesnių. Be to, kad kaitaliot spalvas ir keist intensyvumo lygius, mes dar galime pasiimt kitą spalvų paletę. Kodėl būtent raudona, žalia ir mėlyna? Juk dar yra CMYK paletė!  O kur menininkų mėgstama RYB paletė? O kur psichologinių spalvų paletė? Nekalbu apie kitas egzotiškas spalvų schemas!

Įrašo pabaigai noriu dar priminti, kad skirtingai maišydami spalvas, mes pamirštame ir apie psichologinius efektus. Mūsų smegenys automatiškai palygina gretimai esančius mėlynos ir raudonos spalvos pikselius paveiksliuke su mėlynos ir raudonos spalvos santykiu apšvietime arba paveiksliuko fone. Būtent todėl mes nustembame, kuomet atspausdinę nuotrauką, nuotrauka vizualiai atrodo visai kitaip, negu mes tikėjomes ir negu mes matėm kompiuterio ekrane. Priklausomai nuo apšvietimo, ir vidinės kompozicijos nuotrauka gali mums atrodyti “neteisinga”, “nejaukia”.

Jei turite noro pasižaist su astronominiais paveiksliukais ir pasižiūrėt, kaip kas atrodys Fotošope, reikiamus įrankius rast galima čia.