Deși „lumina” se referă la energia radiantă vizibilă, se poate referi la surse de iluminare, cum ar fi lumina soarelui sau la surse artificiale, cum ar fi o lampă și corpurile de iluminat (de exemplu, corpurile de iluminat). Ne putem gândi la apusurile de soare sau chiar la cerul nocturn! De-a lungul aproape întregii evoluții a omenirii, a existat doar lumina naturală a soarelui – sau focul (inclusiv, lumânări, torțe cu flacără și, mai târziu, lămpi cu ulei). Dar astăzi – și în ultimul secol – lămpile alimentate electric au dominat mediile noastre nocturne din țările dezvoltate. Începând cu anii 1820-1830, lămpile cu gaz și (mai târziu) lămpile cu incandescență (bogate în roșu) au dominat mediul nostru interior pe timp de noapte. Flăcările deschise și sursele cu incandescență sunt descrise din punct de vedere tehnic ca având temperaturi scăzute de culoare, de obicei ⩽2800 Kelvins (K)- bogate în lungimi de undă vizibile mai mari (portocaliu, roșu) și radiații infraroșii-aproape de infraroșu. Prin contrast, Soarele de la amiază este bogat în lungimi de undă mai scurte, cu o temperatură de culoare de aproximativ 6500 K. Lumina solară devine bogată în roșu atunci când este joasă pe cer, iar schimbarea semnificativă a spectrului este adesea neobservată din cauza adaptării cromatice selective de către sistemul nostru vizual.
Din anii 1950, lămpile fluorescente (în general bogate în lumină verde și în spectre de linie) au fost utilizate pe scară largă în mediile iluminate în interior, cel puțin în birouri și spații comerciale, dar destul de rar în locuințe – poate cu o singură excepție – în bucătărie (experiența SUA). Dar „revoluția” în domeniul opticii din anii 1960 – stimulată în mare parte de inventarea laserului – a condus la alte tehnologii optice, inclusiv la dezvoltarea de noi tipuri de lentile și filtre, holografie și diode emițătoare de lumină (LED). LED-urile au fost mult mai eficiente din punct de vedere energetic decât sursele cu incandescență, dar inițial au fost capabile să emită doar benzi de lungimi de undă foarte înguste, adică LED-uri vizibile cu o singură culoare, până la inventarea LED-urilor cu mai multe cipuri și a LED-urilor fluorescente pompate în albastru-violet pentru a produce lumină „albă”.
În acest secol, accentul pus de guvern asupra conservării energiei a dus la presiuni pentru utilizarea lămpilor fluorescente compacte (CFL-uri) și a LED-urilor „albe” pentru iluminare. Iluminatul cu semiconductori cu LED-uri, care sunt chiar mai eficiente din punct de vedere energetic decât LFC-urile, încep acum să domine piața. Cu toate acestea, atât CFL-urile timpurii, cât și LED-urile „albe” au distribuții spectrale de putere foarte bogate în albastru (figura 1). Unii consumatori au început să se răzvrătească împotriva acestor lămpi bogate în albastru și au cerut surse de lumină mai puțin „aspre”, mai puțin „rece-albăstrui”. În prezent, veți găsi unele LED-uri și LFC cu emisie de albastru foarte redusă. Cu toate acestea, în ultimii 60 de ani s-a înregistrat o temperatură de culoare din ce în ce mai mare a surselor artificiale și o creștere a „poluării luminoase” pe timp de noapte. Cerul nocturn al Europei de Vest, văzut din spațiu, arată impactul enorm al iluminatului electric (figura 2).
Distribuții de putere spectrală relativă. Lămpile tradiționale cu tungsten (——) au avut o emisie de lumină cu lungime de undă scurtă redusă în comparație cu lămpile fluorescente „albe” (—) și cu LED (–). Majoritatea LED-urilor albe au o absență a emisiilor de roșu intens și de infraroșu apropiat.
Luminațiile nocturne din Europa de Vest pot fi văzute din spațiul cosmic, arătând impactul enorm al iluminatului artificial asupra cerului nocturn (de la NASA).
Optica atmosferică modifică semnificativ lumina solară și uneori oferă minunate mostre de culoare, inclusiv Green Flash (o mare raritate)! Atmosfera acționează ca o prismă ușoară: indicele de refracție variază ușor în funcție de lungimea de undă, exagerând imaginea Soarelui la joasă înălțime pe orizont. Diferitele culori sunt curbate în cantități diferite de către atmosferă, iar imaginea Soarelui este curbată cu ~0,6° la orizont, astfel încât Soarele apune de fapt înainte ca imaginea sa refractată să apună! Imaginea roșie apune prima, urmată de cea verde, care este văzută doar pentru o fracțiune de secundă, iar lumina albastră nu apare pentru că a fost împrăștiată.3
Vedere istorică
Din timpurile primitive, oamenii s-au întrebat doar „Ce este lumina?”. Din punct de vedere biblic (King James ‘Authorized Version’, ediția Cambridge) – Geneza 1 : 3 (ziua 4) sună astfel: ‘Și Dumnezeu a zis: „Să fie lumină; și a fost lumină”. Multe minți mari au dezvoltat teorii ale luminii (Figura 3). Gândirea greacă clasică cu privire la „Ce este lumina?” l-a condus pe Platon (428-328 î.Hr.) la teoria conform căreia lumina își are originea sub forma unor „raze simțitoare” provenite de la ochi – îndreptate spre ceea ce se observă. Se pare că el s-a bazat pe faptul că lumina este produsă în interiorul ochiului prin presiunea fosfenelor. Deși astăzi această noțiune pare ciudată, această descriere a dominat gândirea occidentală timp de aproape două milenii. În secolul al XVII-lea a apărut o controversă cu privire la faptul dacă lumina este o undă sau un flux de particule. Sir Isaac Newton a susținut aici, la Cambridge, că fenomenele de difracție ale lui Grimaldi demonstrau pur și simplu o nouă formă de refracție. Newton a susținut că natura geometrică a legilor refracției și reflexiei ar putea fi explicată doar dacă lumina ar fi compusă din „corpusculi” (particule), deoarece undele nu se deplasează în linii drepte. După ce s-a alăturat Societății Regale din Londra în 1672, Newton a declarat că cel de-al patruzeci și patrulea dintr-o serie de experimente pe care tocmai le efectuase a dovedit că lumina este compusă din corpusculi – nu din unde. Cu toate acestea, pe continent, teoria ondulatorie a luminii părea să se impună. Christiaan Huygens, un fizician olandez (în acel secol, fizica era numită „filozofie naturală”), a publicat în 1690 Traité de la Lumière, care susținea teoria undelor. Abia după ce Sir Thomas Young a demonstrat în mod clar interferența undelor (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 , teoria undelor a fost pe deplin acceptată, iar teoria undelor a rămas valabilă cel puțin până la sfârșitul secolului al XIX-lea. Un alt fizician proeminent de la Cambridge a fost James Clerk Maxwell, care, la mijlocul secolului al XIX-lea, a derivat regulile sale universale ale electricității și magnetismului care au prezis undele electromagnetice și spectrul electromagnetic (Figura 4). Într-adevăr, în jurul anului 1800, existența radiațiilor ultraviolete și infraroșii fusese descoperită de Ritter5 și, respectiv, Herschel6.
Multe minți mari au teoretizat despre natura luminii, de la Platon la Maxwell și Einstein. Desigur, nu este nevoie să fie prezentat Einstein, deoarece imaginea sa este universal cunoscută.
Undele electromagnetice și spectrul electromagnetic (E-M). (a) (sus) Reprezentarea geometrică a unei unde E-M oscilante cu câmpurile E (electric) și H (magnetic). (b) (jos) Regiuni familiare ale spectrului E-M.
La începutul secolului al XIX-lea (1899-1901), s-a produs o criză în fizica clasică. Fizicienii au trebuit să se confrunte cu o foarte mare enigmă: în unele experimente, cum ar fi interferența și difracția, lumina se comporta ca niște unde. Cu toate acestea, în alte experimente, cum ar fi efectul fotoelectric, lumina părea să se comporte ca și cum ar fi particule. Efectul fotoelectric a fost observat în unele metale atunci când au fost expuse la un fascicul de lumină. Dar numai lungimile de undă mai scurte ar produce un fotocurent în metal, în timp ce lumina cu lungime de undă mai mare (roșie) – chiar și la intensitate mare – nu ar produce un fotocurent. Această observație curioasă a susținut puternic teoria cuantică a radiației. Unii fizicieni germani au teoretizat că un singur foton (particulă de lumină) are o energie cuantică Qν care este direct proporțională cu frecvența f (uneori simbolizată prin litera greacă, ν) a undei:
Qν=h × f,
unde h este cunoscută ca „constanta lui Planck”. Acest lucru a condus la conceptul de „dualitate undă-particulă.”
Fizicienii au ajuns în cele din urmă la un consens că lumina poate fi caracterizată simultan atât ca un flux de particule, cât și ca o undă. Unele aspecte ale teoriei cuantice sunt destul de ciudate și nu vom aprofunda, dar chiar și Einstein a avut probleme cu acceptarea teoriei cuantice. Dar atunci Einstein a fost cel care a teoretizat că viteza luminii în vid nu poate fi depășită – și, de asemenea, (în 1916) a prezis „emisia stimulată de radiație”, care a fost baza teoretică a laserului.7
Majoritatea oamenilor știu că viteza luminii este o constantă – aproximativ 300 000 km/s în vid, dar 299 000 km/s în aer și încetinește și mai mult în medii mai dense, de exemplu, ~225 000 km/s în interiorul ochiului. Raportul dintre viteza luminii în vid și cea dintr-un mediu este „indicele de refracție, n”. Cu doar câteva luni în urmă, o echipă de la Școala Politehnică din Lausanne a susținut că a realizat prima fotografie a particulelor și undelor de lumină! Nu sunt sigur că am înțeles tehnica lor experimentală, dar va fi interesant de văzut dacă și alte laboratoare le pot reproduce rezultatele și le pot confirma interpretarea imaginilor lor. Figura 5 oferă o scală pentru compararea dimensiunii unei lungimi de undă a luminii.
Lungimea de undă ca o chestiune de scală. Un singur granule de melanină din retină sau o singură celulă roșie din sânge are dimensiuni de ordinul unei lungimi de undă de la un laser cu neodim (1,064 μm=1064 nm).
Teorie cuantică și emisie stimulată
La scară atomică, fotonii sunt emiși atunci când un electron sare pe un orbital de energie inferioară al atomului. Emisia stimulată a unui foton poate avea loc numai dacă un foton inițial de energie exactă trece pe lângă un atom excitat. În general, atomii sunt excitați prin absorbția unui foton care ridică atomul la un nivel energetic superior, urmată de un foton emis spontan în timp ce atomul coboară la un nivel energetic inferior, cu excepția emisiei stimulate. Cu o cavitate rezonantă construită corespunzător, se poate produce o cascadă de emisii stimulate cu un fascicul laser rezultat. Adevăratul beneficiu al unei surse laser este radianța (luminozitatea) ultra-înaltă. Practic, toate aplicațiile laserului – de la indicatoare laser, telemetre laser, scriere și citire de CD-uri până la fuziunea cu laser – sunt posibile numai datorită strălucirii ultra-înalte a laserului. Un pointer laser de 1 mW are o luminozitate (strălucire) de cel puțin 10 ori mai mare decât cea a Soarelui.
Care sunt limitele spectrului vizibil?
Nu există într-adevăr limite convenite pentru spectrul vizibil. CIE definește „radiația vizibilă (termen ILV numărul 17-1402) ca fiind „orice radiație optică capabilă să provoace direct o senzație vizuală”. Definiția CIE adaugă următoarea notă: „Nu există limite precise pentru gama spectrală a radiației vizibile, deoarece acestea depind de cantitatea de putere radiantă care ajunge la retină și de capacitatea de reacție a observatorului. În general, limita inferioară se situează între 360 și 400 nm, iar limita superioară între 760 și 830 nm”. Limitele vizibilității reprezintă de mult timp un interes personal. Pe când eram un tânăr om de știință în vârstă de aproximativ 24 de ani, am efectuat un experiment pentru a determina cea mai mică lungime de undă pe care o puteam vedea, după ce am analizat rapoarte mult mai vechi pe această temă.8, 9, 10 Am putut obține o imagine a fantei unui monocromator dublu până la 310 nm și am fost sigur că obțineam cu adevărat o imagine de 310 nm și nu lumină vagabondă cu lungimi de undă mai mari, deoarece am plasat o serie de filtre spectrale în fascicul fără nicio modificare a pragului de detecție. Dar astăzi, la vârsta de 74 de ani, nu pot vedea foarte ușor nici măcar 400 nm! Pe măsură ce am îmbătrânit, acumularea de proteine absorbante de UV – multe dintre ele sunt fluorofori – în lentilele mele cristaline intacte blochează majoritatea lungimilor de undă UV-A (315-400 nm) și experimentez mai multă ceață din cauza fluorescenței lentilelor decât atunci când eram mai tânăr. Toată lumea poate experimenta fluorescența cristalinului11 de la UV-A (315-400 nm), iar Zuclich et al12 au cuantificat fluorescența UV-A a cristalinului și modul în care aceasta variază puțin cu vârsta. Weale13 a estimat că fluorescența cristalinului interferează cu performanța vizuală. Insectele sunt destul de sensibile la UV și aceasta este baza capcanelor de lumină UV pentru insecte. Se crede că albinele se folosesc de ultravioletele polarizate din lumina cerului pentru a naviga, dar se presupune că oamenii nu se folosesc în mod conștient de cerul polarizat violet, în ciuda faptului că unele caracteristici polarizante ale corneei umane produc perii Haidinger.14 În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, au apărut preocupări legate de faptul că preexpunerea la ultraviolete reducea vederea nocturnă15 , dar chiar și renumitul cercetător în domeniul vederii, George Wald, a argumentat cu un student absolvent al Universității din Rochester că această constatare era ridicolă, deoarece cristalinul bloca expunerea retiniană la UV-A. Se pare că profesorul Wald nu a gândit logaritmic în acest caz, deoarece aproape 1% din UV-A este transmis, iar cu energii fotonice mai mari de la lungimile de undă UV mai scurte, nu era neverosimil ca radiația UV-A să afecteze fotoreceptorii bastonașilor.16 A existat o mică furtună care a continuat cu Wolf17 care a confirmat scăderea vederii nocturne, dar chiar și mai târziu, Wald18 a susținut că acesta nu era un efect semnificativ sau permanent. Mai târziu, Tan19 a măsurat viziunea cenușie la indivizii afacici care au confirmat vârfurile secundare de răspuns UV-A ale fiecărui fotoreceptor conic.
Vederea „luminii” în infraroșu’
După mai multe povești curioase despre soldați care vedeau lasere în infraroșu în anii 1970, grupul meu a demonstrat detecția vizuală până la aproape 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). Figura 6 arată extinderea receptivității spectrale a vederii mult în infraroșu. Acesta nu a fost un experiment ușor. Am separat laserul cu 8 m de observator pentru a reduce lumina de pompare (lumina de pompare a scăzut rapid odată cu distanța, dar nu și iradierea fasciculului laser) și am utilizat filtre infraroșii cu bandă îngustă, suprapuse până când același prag a fost măsurat fără adăugarea unui alt filtru (figura 7). A fost interesant faptul că – similar cu alte lungimi de undă vizibile – identificarea culorilor a fost dificilă la prag pentru o sursă punctiformă20 , dar dacă am depășit pragul și, în special, dacă am extins dimensiunea sursei de la un „punct”, am putut vedea întotdeauna roșu, sugerând că au fost activate conurile roșii. În plus, am efectuat experimente care au confirmat rapoartele din observațiile nocturne de pe teren, conform cărora se putea vedea lumină „verde” din interiorul fasciculului unui laser Nd:YAG cu impulsuri scurte la o distanță de câțiva kilometri. Am reușit să confirmăm că, dacă se observă direct lungimea de undă de emisie în infraroșu apropiat de 1064 nm de la un laser Nd:YAG cu comutare q (~10-20 ns), se observă lumină verde, care, atunci când se potrivește culoarea cu o sursă monocromatoare CW, apare ca lumină verde de 532 nm. Acest lucru ne-a demonstrat că generarea celei de-a doua armonici are loc în țesuturile oculare – probabil la nivelul retinei. O a doua armonică nu a fost observată în laserul cu rubin (694 nm), demonstrând eficiența scăzută a acestui proces neliniar.
Sensibilitatea spectrală fotoscopică a ochiului uman V(λ) extinsă în infraroșu (după Sliney et al25). Cercurile sunt mai mari decât SD-ul pragurilor măsurate pentru detectarea unei surse punctuale.
Dispoziție experimentală utilizată în 1970 în experimentele de sensibilitate vizuală în infraroșu (Sliney et al25).
Într-o lucrare publicată în decembrie anul trecut, Palczewska et al21 au susținut că vederea în infraroșu este rezultatul izomerizării cu doi fotoni; cu toate acestea, deoarece au folosit doar trenuri de impulsuri de femtosecunde (10-12 s) de la un laser infraroșu, nu au putut exclude procesele neliniare. Experimentele lor au fost bune, dar, din punctul meu de vedere, interpretările lor par eronate, deoarece au ignorat impactul puterii de vârf a laserului lor de 67 000 peste medie. Ei nu puteau presupune că laserul lor de 200 fs, 75 MHz era echivalent cu o sursă continuă (cu un ciclu de funcționare de numai 1,5 × 10-5), astfel încât efectele neliniare nu au fost surprinzătoare. Puterea lor medie de 1-mW care intra în ochi avea de fapt o putere de vârf de 66 W, producând o iradiere retiniană >13 MW/cm2 într-o dimensiune minimă a spotului retinian de ~25 μm!
Potem concluziona că vizibilitatea luminii în afara intervalului bine acceptat de aproximativ 380-780 nm depinde de luminozitatea (radianța) sursei, dar este limitată în copilărie la aproximativ 310 nm la lungimea de undă scurtă a spectrului vizibil până la poate ~1100 nm în infraroșu apropiat. Pur și simplu nu există o adevărată linie de demarcație între „vizibil” și infraroșu. Vizibilitatea unei lungimi de undă în infraroșu A (IR-A) depinde pur și simplu doar de luminozitatea (strălucirea) sursei în comparație cu luminanța ambientală.
Benzi spectrale fotobiologice CIE
CIE a dezvoltat câteva notații scurte utile pentru fotobiologie în anii 1930. Acestea au fost: UV-C de la 100-280 nm (puternic actinic; germicid, cu o graniță de lungime de undă scurtă cu regiunea „soft-X-ray”), UV-B între 280 și 315 nm, cu efecte actinice și fotocarcinogene, și UV-A între 315 și 400 nm, care este caracterizat ca fiind slab actinic și are un rol major în efectele fotodinamice și fotosensibilizatori. Spectrul vizibil se suprapune în mod intenționat peste UV-A (de la ~360-380-380 până la 400 nm în violet intens) și bine în banda spectrală din infraroșu apropiat (IR-A), care începe la 780 nm. Spre surprinderea fotobiologilor cercetători, granițele acestor benzi spectrale CIE au creat uneori controverse în sectorul industrial. Există, de fapt, un „standard” destul de infam publicat de Organizația Internațională de Standardizare (ISO) care a încercat să modifice definițiile tradiționale CIE ale UV-A care existau de >75 de ani (ISO-20473-2007). Comitetul tehnic ISO, TC172 (optică), a pregătit acest standard de bandă spectrală redefinind UV-A la <380 nm, mai degrabă decât definiția CIE de 400 nm și a încercat să sugereze o graniță fină între vizibil – care începe la 380 nm.22 Principalii membri ai comitetului din industria oftalmologică au favorizat lentilele oftalmologice și ochelarii de soare care ar putea îndeplini criterii mult mai permisive pentru „blocarea UV!”
CIE identifică trei benzi spectrale în infraroșu – bazate în mare parte pe variațiile spectrale în absorbția infraroșu de către apă. IR-A variază între 780 și 1400 nm (lungimi de undă metavizibile), care sunt bine transmise de apă și care ajung pe retină prin mediul ocular. După cum s-a menționat anterior, există un stimul vizual foarte slab chiar și la 1100 nm; iar IR-A pătrunde în profunzime în țesuturile biologice și, prin urmare, este utilizat în diagnosticare și în tratamentele pentru piele. Infraroșul B variază între 1,4 μm (1400 nm) și 3,0 μm (infraroșu mediu), iar aceste lungimi de undă nu ajung la nivelul retinei, dar pătrund până la câțiva mm în piele și în țesuturile oculare. Infraroșul C este un domeniu spectral vast, care se întinde de la 3,0 la 1000 μm (1 mm). Aceste lungimi de undă în infraroșu îndepărtat sunt absorbite foarte superficial (<1 mm). Infraroșul C extrem este denumit și radiație terahertz (THz).
Măsurarea luminii – termenii radiometrici și fotometrici standardizați de CIE
CIE definește două sisteme distincte pentru măsurarea luminii: sistemul fotometric și cel radiometric. Sistemul radiometric se bazează pe unități fizice fundamentale (tabelul 1). Sistemul fotometric este utilizat în proiectarea iluminatului și în ingineria iluminării și se bazează pe un răspuns spectral aproximativ, dar standardizat, (V(λ)) al vederii la lumina zilei (fotopică) cu unități de: lumeni (putere luminoasă Φv), lux (lm/m2 pentru iluminanța Ev), candela (lm/sr pentru intensitatea luminoasă Iv) și nits (cd/m2 pentru luminanța Lv, adică „luminozitate”). Sistemul radiometric este utilizat de fizicieni pentru a cuantifica energia radiantă independent de lungimea de undă; în timp ce cantitățile fotometrice sunt utilizate numai pentru lumina vizibilă, dar cantitățile și unitățile radiometrice se aplică și în regiunile spectrale ultraviolete și infraroșii.23 Termenii, mărimile și unitățile detaliate sunt furnizate online în ILV-ul electronic al CIE la http://eilv.cie.co.at/, iar acestea sunt utilizate pe scară largă în standardele internaționale (ISO și IEC).
Calcularea expunerilor retiniene
Iradianța retiniană Er este direct proporțională cu radianța (luminozitatea) L a sursei care este privită. Iradianța retiniană Er în W/cm2 este:
Er=0,27 × L × τ × de2
unde L este radianța în W/cm2/sr, τ este transmitanța mediului ocular și de este diametrul pupilei în cm. Două persoane care privesc aceeași scenă pot avea cu ușurință o dimensiune a pupilei suficient de diferită pentru a avea cu ușurință o iradiere retiniană care diferă de un factor de 2 (100%)!
Iradierea retiniană (măsură fotometrică) se măsoară în trolande (td) și reprezintă luminanța L (cd/m2) a sursei privite, înmulțită cu pătratul diametrului pupilei (în mm). Această unitate a fost utilizată pe scară largă în studiile privind „orbirea flash” și în unele domenii de cercetare a vederii. Iradianța retiniană provenită de la iluminarea exterioară ambientală este de ordinul a 0,02-0,1 mW/cm2 și aceste niveluri sunt doar confortabile pentru vedere. Iluminanța retiniană în aer liber este de ~5 × 104 td. Vizualizarea directă a imaginii soarelui de la amiază – o strălucire de un milion de ori mai mare decât cea a cerului albastru sau decât cea mai mare parte a împrejurimilor exterioare – poate duce la o iradiere retiniană de ~6 W/cm2 sau ~3 × 107 Td pentru o pupilă de 1,6 mm. Studiile privind orbirea provocată de flash citează în mod normal ~107 Td × s ca fiind o „albire completă”, care ar avea loc într-o treime de secundă.
.