1.7. Световые свойства тел
Длительное воздействие даже самых легких раздражителей на глаз человека, как показали исследования, вызывает в нем функциональные сдвиги и изменения. К числу раздражителей, постоянно находящихся в поле зрения человека, относятся световые и цветовые потоки, отражающиеся от стен и потолков производственных, бытовых помещений и оборудования.
Количественное и качественное влияние указанных раздражителей зависит главным образом от световых свойств тел, расположенных в поле зрения человека, а также от осветительных установок, создающих освещение. К световым свойствам тел относятся свойства: отражать, поглощать и пропускать падающий на них световой поток; перераспределять отраженный или прошедший через них световой поток; изменять спектральный состав падающего на них светового потока при его отражении или пропускании.
Все окружающие нас тела и предметы независимо от их состояния - твердого, жидкого или газообразного - разделяются на прозрачные и непрозрачные.
Прозрачными называются такие тела, через которые проходит большая часть световых лучей, таковы, например, стекло, вода, воздух и др. Непрозрачными называются тела и предметы, которые не пропускают видимого света. Однако резко разграничить все тела на прозрачные и непрозрачные нельзя. Все тела в большей или меньшей степени поглощают или пропускают свет. Есть тела, которые занимают промежуточное место. Они пропускают свет, но ясно видеть предметы через них нельзя. Такие тела называются просвечивающими . К ним относятся, например, матовое стекло, промасленная бумага и др.
Когда световой поток (свет) падает на прозрачные тела, часть его проходит сквозь тело, часть поглощается им, а остальная часть отражается от него. Когда же световой поток падает на непрозрачное тело, имеет место только поглощение и отражение света. Падающий на тело световой поток в большинстве случаев распределяется на три части: часть светового потока, падающего на тело, отражается последним и называется отраженным световым потоком Ф отр, часть пропускается им и называется прошедшим потоком Ф прош и та часть, которая поглощается, называется поглощенным потоком Ф погл. В соответствии с законом сохранения энергии их сумма всегда равна полному падающему на тело световому потоку
Ф пад =Ф отр +Ф погл +Ф прош.
Свойства разных тел отражать, пропускать и поглощать свет характеризуются коэффициентами отражения , поглощения а и пропускания τ. Характер распределения отраженного светового потока зависит от качества обработки (структуры) самой отражающей поверхности. Чем больше коэффициент отражения тела, тем более светлым кажется оно нам и, наоборот, чем меньше коэффициент отражения, тем более темным становится его цвет. В зависимости от характера пространственного распределения отраженного телом светового потока различают зеркальное, диффузное (равномерно диффузное) и смешанное отражение.
Зеркальное отражение (рис. 1.16, а ) получается при отражении света зеркальными поверхностями, размеры неровностей которых очень малы по сравнению с длиной волны падающего на них света, т. е. хорошо обработанными полированными поверхностями. Для зеркального отражения справедлив закон равенства угла падения лучей углу их отражения, причем падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения света. Кроме того, зеркальное отражение характеризуется тем, что телесный угол падающего потока равен телесному углу отраженного светового потока.
Коэффициенты зеркального отражения некоторых материалов в процентах приведены ниже.
Яркость изображения предмета в зеркале равна яркости предмета, умноженной на коэффициент отражения зеркала. Тела с совершенно гладкой поверхностью отражают свет в одном направлении, с которого они кажутся очень яркими - блестят. С других направлений эти тела кажутся темными. Такие тела называют блестящими . При наличии в поле зрения поверхностей с зеркальным отражением необходимо принимать меры к защите глаз от отраженной блескости.
Диффузное отражение характеризуется тем, что телесный угол, в котором заключен падающий световой поток, меньше телесного угла, в котором он распространяется после отражения. Тела с шероховатой, негладкой поверхностью отражают свет диффузно (в разных направлениях). Свет, падающий на такое тело в одном направлении, падает на различные ничтожно малые площадки его поверхности под различными углами. От каждой точки поверхности свет отражается по тому же закону, но поскольку углы падения света на разные участки (площадки) поверхности тела в данном случае различны, постольку и отражается свет в разные стороны. Шероховатая поверхность специально выделывается при выработке материала. Шероховатость может быть точечной, сетчатой или линейной (рифленой).
Поверхности, диффузно отражающие свет, с разных направлений кажутся одинаково яркими. Они не имеют бликов, не блестят, их называют матовыми . Если матовую бумагу потереть кисточкой или ногтем, она начнет блестеть, потому что при натирании сглаживаются неровности ее поверхности. Помимо блестящих и матовых, выделяют еще группу глянцевых поверхностей, занимающих промежуточное положение между блестящими и матовыми. Различают два вида диффузного отражения - равномерно-диффузное и направленно-диффузное.
Равномерно-диффузное отражение характеризуется распространением отраженного светового потока в телесном угле, равном 2π, расположенном по одну сторону от отражающей этот поток поверхности (рис. 1.16, б ). Распределение отраженной силы света I α от таких поверхностей имеет форму сферы, касательной к поверхности в точке падения луча. В этом случае сила света по нормали к отражающей поверхности в точке падения луча имеет наибольшее значение I max , а во всех направлениях убывает пропорционально косинусу угла а между направлением наибольшей силы света и силой света в данном направлении
I α =I max cosα
Это соотношение называется законом косинуса.
Как видно из рис. 1.16, б , распределение отраженного потока от равномерно-диффузных поверхностей не зависит от направления падающего потока.
Яркость равномерно-диффузной поверхности одинакова во всех направлениях. Тела, имеющие одинаковую яркость по всем направлениям, а также для каждого участка поверхности излучающего тела называются равно-яркими излучателями. К числу таких излучателей относятся матовые отражающие поверхности (алебастр, ватманская бумага, белая клеевая покраска, молочные рассеивающие стекла и т. д.).
Световой поток, излучаемый равномерно-диффузной поверхностью, равен произведению силы света в перпендикулярном направлении на число π
Это выражение устанавливает связь между световым потоком и максимальной силой света, излучаемыми равномерно- диффузными поверхностями. Для равномерно-диффузных поверхностей коэффициент отражения
Ф отр /Ф пад =πI max /Ф пад =πLS/(ES)=πL/E,
где L - яркость поверхности, кд/м 2 ; E - освещенность поверхности, лк.
Отсюда можно получить соотношение, связывающее яркость и освещенность диффузных поверхностей,
Абсолютно белой рассеивающей поверхностью называется поверхность, обладающая равномерно-диффузным отражением и имеющая коэффициент отражения, равный единице. Для этой поверхности предыдущее выражение принимает вид
К материалам с равномерно-диффузным отражением относятся окись магния (=96%), алебастр (=92%), белая клеевая краска (=80%) и др. Только белые поверхности обладают способностью отражать падающие на них лучи одинаково для всех длин волн.
При освещении белой поверхности (сернокислый барий, ватманская бумага, снег) белым светом она кажется нам белой. При освещении белой поверхности цветным световым потоком она будет казаться того же цвета, что и падающий на поверхность световой поток.
При направленно-диффузном отражении происходит концентрация отраженного светового потока в некотором телесном угле, направление оси которого определяется законами зеркального отражения. Направленно-диффузным отражением обладают матированные поверхности металлов: матовое серебрение (=71÷75%), матовый алюминий (=55÷60%) и т. д.
Любая поверхность видна потому, что она отражает световой поток в направлении к глазу наблюдателя. Чтобы характеризовать распределение в пространстве отраженного от поверхности светового потока, пользуются понятием коэффициента яркости. Под коэффициентом яркости β понимается отношение истинной яркости поверхности L в заданном направлении к яркости равномерно-диффузной поверхности L 0 в случае, когда на указанные поверхности падает один и тот же световой поток
β=L/L 0 =L π /E
Если для поверхности известны ее освещенность и коэффициент яркости в данном направлении, яркость поверхности в этом направлении определяется
L=βL 0 =βE/π. (1.4)
Кривые коэффициентов яркости измеряются для различных поверхностей при разных углах падения света и по ним с помощью формулы (1.4) определяют яркость поверхности в том или ином направлении для заданных условий.
Смешанное отражение характеризуется наличием зеркального и диффузного отражений одновременно (рис. 1.16, в ). К материалам, обладающим смешанным отражением, относятся, например, фарфоровая эмаль, имеющая коэффициент рассеянного отражения =55÷60% и коэффициент направленного отражения =5÷6%, молочное стекло, имеющее соответственно =30÷60% и =5÷6%. При увеличении угла падения света на эмаль возрастает коэффициент направленного отражения. Ниже приведены коэффициенты отражения некоторых облицовочных материалов и красок в процентах.
Коэффициенты отражения даны для белого света. Коэффициенты отражения для красок не являются постоянными, поскольку они зависят от состава, количества нанесенных слоев и т. д. Они дают некоторое представление об отражающей способности красок.
Учитывая чувствительность глаза, следует отметить, что зеленые и желтые краски светлее, чем красные и фиолетовые.
При прочих равных условиях на практике в красную, фиолетовую и голубую краски нужно добавить больше белой краски, чем в зеленую и желтую, для того чтобы их коэффициенты отражения уравнялись. Напротив, добавление небольшого количества красной краски в белую дает ярко-розовый цвет, тогда как то же количество желтой лишь чуть изменит оттенок белой.
Коэффициенты отражения различных материалов зависят в большой мере от состава спектра падающего светового потока. Если на тело, которое неодинаково отражает свет разных длин волн, падает белый свет, то после отражения соотношение между излучениями этих длин волн изменится и тело будет иметь цвет, соответствующий его физическим свойствам. Коэффициенты отражения каких-либо поверхностей для однородных монохроматических световых потоков называются спектральными коэффициентами отражения .
Если построить в системе прямоугольных координат график, в котором по оси ординат откладывать значения спектральных коэффициентов отражения (λ), а по оси абсцисс - длины волн λ, мы получим зависимости спектральных коэффициентов отражения от длины волны. Эти зависимости обозначаются (λ)=f (λ) и называются спектральными характеристиками отражения. Эти же зависимости, представленные в виде кривых, называются кривыми спектрального отражения . На рис. 1.17 видно, что в спектре отражения пигментов находятся почти все длины волн видимого спектра, однако в разных соотношениях. Например, пигмент кобальта (см. рис. 1.17, а ) имеет в целом синий цвет с длиной волны 482 нм (цвет краски дан над кривой спектрального отражения), но кривая его спектрального отражения проходит в области и других длин волн, в том числе в области красных цветов (λ>620 нм). Аналогично кривая красно-оранжевого пигмента - киновари (см. рис. 1.17, б ) имеет наибольшие значения коэффициентов отражения в красной части спектра, однако она имеет и другие длины волн.
Следовательно, кривые спектрального отражения неоднозначно характеризуют цвет, так как одному и тому же цвету может соответствовать большое количество различных спектров отражения. Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это значит, что данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи и незначительно все остальные лучи, составляющие белый свет. Таким образом, правильнее говорить не о цвете поверхности, а о цвете светового потока, отраженного от поверхности.
Если поверхность отражает световой поток так, что спектральные коэффициенты отражения всех длин волн видимой области спектра одинаковы, это значит, что поверхность неизбирательно (неселективно) отражает световой поток. Такие поверхности не изменяют при отражении света соотношения между излучениями различных длин волн. Для глаза поверхности, обладающие таким свойством, представляются лишенными цветового тона, а именно белыми или серыми. Если же отражение поверхностью неодинаково для различных длин волн видимой области спектра, то такое отражение является избирательным , т. е. некоторые монохроматические лучи отражаются больше, чем другие. Если, например, какое-нибудь вещество отражает только красные лучи, а все остальные поглощает, то при освещении белым светом оно, естественно, будет казаться насыщенно-красным. Точно так же вещество, отражающее только зеленые лучи, будет зеленым, отражающее синие лучи, - синим и т. д.
На практике вещества, которые отражали бы только один определенный участок спектра и полностью поглощали бы все остальные, не существуют. При отражении чаще всего в какой-то мере отражаются все лучи спектра. Однако при получении достаточно насыщенной окраски совсем не обязательно иметь изолированные лучи узкого участка спектра. Нужно, чтобы в некоторой части спектра отражение было несколько больше, чем в остальных. Поверхность, окрашенная киноварью и освещенная белым солнечным светом, представляется красной, потому что она хорошо отражает красные, оранжевые, желтые лучи и плохо все остальные (см. рис. 1.17, б ).
Цвет отраженного предмета тем насыщеннее, чем больше разница в отражении лучей разных частей спектра и чем уже область сильного отражения.
Поверхности, которые неодинаково отражают свет разных длин волн и имеют при освещении белым светом ту или иную окраску, соответствующую их физическим свойствам, называются цветными .
Способность тела пропускать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом пропускания
τ=Ф прош /Ф пад,
где Ф прош - прошедший световой поток; Ф пад - падающий световой поток.
Способность тела поглощать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом поглощения а
α=Ф погл /Ф пад,
где Ф погл - поглощенный телом световой поток.
В табл. 1.6 приведены коэффициенты отражения, пропускания и поглощения некоторых материалов.
Из сказанного ранее следует, что падающий световой поток Ф пад может быть выражен
Ф пад =Ф отр +Ф прош +Ф погл =Ф пад =(+τ+α)Ф пад,
откуда получим, что +τ+α=1, т. е. сумма коэффициентов отражения, пропускания и поглощения для любых тел и сред равна единице.
Коэффициенты пропускания и поглощения обычно даются для среды на единицу длины. Зная коэффициент пропускания на единицу длины, можно определить коэффициент пропускания среды для какого-то слоя толщиной d . Предположим, что надо определить коэффициент пропускания стекла толщиной d =4 мм при τ=0,9 на 1 мм. Если начально падающий световой поток обозначить Ф 0 , то на расстоянии 1 мм его величина уменьшается до 0,9 Ф 0 . На протяжении второго миллиметра ослабление света будет иметь такую же величину. В результате на расстоянии 2 мм прошедший световой поток:
0,9·0,9Ф 0 =0,81Ф 0
на расстоянии 4 мм
0,9 4 Ф 0 = 0,66Ф 0 .
В общем случае ослабление падающего светового потока при коэффициенте пропускания на единицу длины τ 1 и при толщине слоя d , мм, определяется τ=τ d 1 .
Аналогично рассчитываются коэффициенты отражения и поглощения.
Видимый цвет окрашенного тела, освещенного белым светом и наблюдаемого в диффузно-отраженном свете, зависит от отражательной способности поверхности тела и поглощения светового потока при проникновении света внутрь тела через окрашенную пленку. Свет в действительности проникает более или менее глубоко внутрь окрашенного вещества, прежде чем вернуться в наш глаз. Для примера рассмотрим тонкую стеклянную окрашенную пластинку, положив ее на лист белой бумаги. Ее цвет будет почти такой же, как если бы мы рассматривали в два раза более толстую пластинку в проходящем свете. Чем толще окрашенный слой тела, в который проникает свет, или чем больше концентрация красящего вещества, тем нагляднее получается окраска, отраженный свет становится все более насыщенным, а интенсивность его становится все меньше и меньше. В этом случае даже длина волны отраженного света может измениться.
Так, с увеличением концентрации раствора двухромокислого калия его цвет меняется с желтого до оранжевого. Это явление встречается довольно часто. Объясняется оно следующим: пусть на стеклянную цветную пластинку, имеющую при определенной толщине коэффициент пропускания 0,1 для красного света и 0,5 для зеленого, падает световой поток. При увеличении толщины стекла в два раза коэффициенты пропускания для красного и зеленого света составят соответственно 0,01 и 0,25. Если падающий свет белый, прошедший свет при удвоенной толщине пластинки будет гораздо зеленее, чем при одинарной толщине, так как удвоенная толщина пластинки относительно больше пропускает зеленого света, чем красного.
Коэффициенты отражения и поглощения света поверхностей в помещениях имеют существенное значение: они могут изменить впечатление об их геометрических размерах и освещенности.
К световым свойствам материалов относят свойство тел отражать, поглощать и пропускать падающий на них световой поток, изменять спектральный состав падающего на них светового потока при его отражении или пропускании.
Все окружающие нас тела подразделяются на прозрачные и непрозрачные. Прозрачными называют тела и предметы, через которые проходит большая часть световых лучей, например: стекло, воздух, вода. Непрозрачными называют такие тела и предметы, которые не пропускают видимого света. Такие тела отражают и поглощают весь падающий световой поток. Есть тела, которые занимают промежуточное место в этой классификации. Они пропускают свет, но ясно видеть предметы через них нельзя. Такие тела называют просвечивающимися. К ним относятся, например, матовое и молочное стекла, промасленная бумага и др.
Падающий на тело световой поток в общем случае распределяется на три части. Часть светового потока проходит через тело, часть поглощается, а остальная часть отражается. Общее поглощение светового потока характеризуется коэффициентом поглощения, который равен отношению поглощенного телом или средой светового потока к падающему световому потоку на это тело или среду. Коэффициент поглощения реальных тел всегда меньше единицы; только лишь идеально поглощающее тело (так называемое абсолютно черное тело) будет иметь коэффициент поглощения, равный единице.
Способность тела отражать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного и падающего световых потоков. Различают следующие виды отражения
1. Направленное, или зеркальное, отражение получается от хорошо обработанных полированных поверхностей. Направленное отражение характеризуется тем, что телесный угол, в котором заключены падающий и отраженный световой потоки, сохраняется одним и тем же.
2. Направленно-рассеянным отражением называется такое рассеянное отражение при котором телесный угол, в котором концентрируется отраженный поток, больше телесного угла падающего потока. При этом направление оси телесного угла отраженного потока соответствует закону зеркального отражения. Материалы, обладающие таким отражением, называются полуматовыми; такое отражение свойственно неполированному металлу.
3. Полное рассеянное (диффузное) отражение получается от тел, обладающих способностью отражать свет во все стороны (телесный угол отраженного потока 2π), независимо от направления падающего на него светового потока. Такие тела (поверхности) называют диффузными и при наблюдении кажутся одинаково яркими со всех направлений. Примером таких поверхностей служат матовые отражающие поверхности, молочные, рассеивающие стекла.
4. Смешанное отражение характеризуется наличием направленного и рассеянного отражения одновременно.
При посадке самолета на освещенную полосу пилот видит поверхность полосы благодаря отраженному от нее световому потоку. Способность покрытий отражать свет оценивается коэффициентом яркости . Этот коэффициент равен отношению истинной яркости в заданном направлении к яркости совершенно рассеивающей поверхности в случае, когда на указанные поверхности падает один и тот же световой поток. Максимальные значения коэффициентов яркости сухих покровов при наблюдении по направлению падающих лучей получаются в 2-3 раза больше, чем в противоположном направлении. Коэффициент яркости тем больше, чем светлее полоса и чем больше ее шероховатость. Значения коэффициента яркости для мокрых покровов будет больше в направлении обратном направлению падения света. В этом случае появляется большая составляющая зеркального отражения. Чем меньше угол падения световых лучей к поверхности покровов, тем больше коэффициент яркости, причем с уменьшением углов падения света к поверхности покровов значение коэффициента яркости резко возрастает.
Прохождение света через прозрачное тело (среду), по аналогии с рассеиванием, характеризуется четырьмя возможными видами пропускания, представленными на рис.2.5
Отношение светового потока F τ , прошедшего через тело или среду, к падающему световому потоку F на это тело или среду называется коэффициентом пропускания (τ):
τ = 
где: 𝝀 1 , 𝝀 2 соответственно минимальная и максимальная длина волны падающего светового потока;
Спектральный коэффициент пропускания, который представляет собой относительную величину пропускания какой-либо среды для монохроматического потока с длиной волны 𝝀.
Для различных длин волн коэффициенты пропускания и, аналогично, отражения в общем случае неодинаковы. Белые поверхности и бесцветные прозрачные среды обладают способностью отражать или пропускать падающие на них излучения одинаково для всех длин волн. В тоже время существуют поверхности и тела, которые по-разному отражают или пропускают различные волны, такие тела называют цветными. Если на это тело падает белый свет, то отраженный или прошедший через него свет будет не белый, а цветной. Такие материалы или среды характеризуются спектральными кривыми пропускания или отражения.
Среди таких материалов широкое распространение в авиации получили светофильтры, которые обычно представляют собой пластинки или соответствующие колпаки, изготовленные из цветного стекла. Характеристики светофильтра обязательно рассматриваются совместно со спектральной характеристикой источника света. Светофильтр выделяет ту часть спектра излучения, которая лежит в полосе пропускания фильтра. На рис.2.6 в качестве примера приведен расчет светового потока после прохождения фильтра.
На рисунке показаны: кривая 1 представляет излучение источника света в зависимости от длины волны; кривая 2- спектральное пропускание светофильтра. Кривая 3- световой поток источника, воспринимаемый глазом, она построена путем умножения кривой 1 на кривую относительной видности. Светофильтр будет пропускать только часть светового потока кривой 3 в соответствии со своей характеристикой 2. Этой части будет соответствовать кривая 4, которая получена умножением кривой 3 на кривую 2. Штриховка области ограниченной кривой 4 соответствует световому потоку, прошедшему через фильтр.
Пороговая освещенность
Световой сигнал создает определенную освещенность на зрачке наблюдателя. Минимальная величина освещенности, ниже которой человеческий глаз не реагирует на свет, называется пороговой освещенностью. Пороговая освещенность зависит от цвета излучения сигнала, яркости фона, на котором наблюдается сигнал, индивидуальных особенностей глаза наблюдателя. Величина пороговой освещенности даже у одного и того же наблюдателя различается в зависимости от его психологического состояния, времени в течение которого наблюдается сигнал и других причин. Для исключения разброса характеристик зрения отдельных наблюдателей вводится коэффициент запаса. К факторам влияющим на выбор коэффициента запаса относят также:
а) неизвестность направления, в котором следует наблюдать сигналы;
б) наблюдение сигналов через стекла машин;
в) шум двигателей, вибрация, кислородное голодание и другие причины.
Очень сильное влияние на величину пороговой освещенности оказывает яркость фона на котором регистрируется световой сигнал. Наименьшая пороговая освещенность получается при наблюдении светового сигнала на совершенно темном фоне, соответствующим яркости порядка 10 -6 нит. Эта величина носит название абсолютного порога. Освещенность зрачка при этом 0,85 лк, с учетом коэффициента запаса расчетная пороговая освещенность – 8,5 лк. По мере увеличения яркости фона величина пороговой освещенности увеличивается, а дальность видимости сигналов уменьшается.
Расчет дальности видимости световых сигналов ведется для наиболее неблагоприятных условий. К такому случаю относят наблюдение в ясную лунную ночь на фоне снежного покрова. Яркость фона в этом случае составит 5 нт, освещенность - 5 лк. Расчетная пороговая освещенность для яркости фона 5 нт составляет 2 лк, т.е. имеет коэффициент запаса равный четырем.
Различают световой и цветовой пороги освещенности. Цветовой порог это минимальная освещенность глаза при котором он уверенно начинает воспринимать цвет сигнала. Под световым порогом цветного источника света понимается та минимальная освещенность на глазу наблюдателя, при которой только начинается наблюдаться световой сигнал без различия цвета сигнала. Уровень освещенности для цветового порога заметно выше чем для светового. Минимальным цветовым порогом обладает красный цвет, что явилось одной из причин применения красных светофильтров в заградительных огнях, обозначающих летные препятствия.
На рис. 2.7 показаны зависимости пороговых освещенностей (Е пор) от яркости фона (L ф): 1-абсолютный световой порог; 2- расчетный световой порог; 3- расчетный порог для красного огня; 4 -расчетный порог для зеленого огня; 5- расчетный порог для желтого огня. На рисунке также указаны яркости фона для различных состояний окружающего покрова.
ФОТР/Ф + ФПОГЛ/Ф + ФПРОП/Ф.
Световые свойства тел
Световой поток, падающий на тело, этим телом частично отражается, частично поглощается, преобразуясь в другие виды энергии, и частично пропускается (в случае просвечивающего тела). Количественно отражение, поглощение и пропускание светового потока телом оцениваются соответствующими коэффициентами.
Коэффициент отражения ρ Ф ρ , отраженного телом, к световому потоку Ф , падающему на него:
ρ = Ф ρ /Ф .
Коэффициент поглощения α равен отношению светового потока Ф α , поглощенного телом, к световому потоку Ф , падающему на него:
α = Ф α /Ф .
Коэффициент пропускания τ равен отношению светового потока Ф τ , прошедшего сквозь тело, к световому потоку Ф , падающему на него:
τ = Ф τ /Ф .
Ф = Ф ОТР + Ф ПОГЛ + Ф ПРОП.
Разделив все члены этого уравнения на Ф , получим:
r + a + t = 1.
Все эти коэффициенты являются функциями длины волны. Так, разные длины волн тело будет отражать в разной степени. Для характеристики этого свойства используется спектральный коэффициент отражения r λ .
По характеру распределения отраженного или пропущенного световых потоков в пространстве принято различать:
Направленное отражение подчиняется известным законам физики:
Отраженный луч находится в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения;
Угол отражения равен углу падения.
Зеркальным отражением обладают тела, имеющие такую чистоту обработки поверхности, что размеры шероховатостей на ней меньше длины волны падающего излучения;
2) рассеянное (диффузное) отражение (пропускание) (рис. 14).
Поверхность с таким отражением (пропусканием) кажется равно яркой во всех направлениях. Телесный угол, в котором распространяется световой поток, равен 2π.
ЯркостьL a = I a /S 1 cos a не будет зависеть от углаα, еслисила света по различным направлениям подчиняется закону косинуса:
I a = I 0 cos a .
ТогдаL a = I 0 /S 1 – постоянна. КСС представляет собой окружность, а фотометрическое тело – шар, лежащий на плоскости.
Светильники, обладающие диффузным отражением, называют косинусными.
Рассеянным отражением обладают тела, имеющие такие размеры шероховатостей на поверхности, которые значительно больше длины волны падающего излучения. К ним относятся уголь, чистый снег, неглазурованный фарфор, гипс, клеевая краска;
В природе нет тел, обладающих идеальными (зеркальным или рассеянным) отражениями. Реальные тела лишь в большей или меньшей степени приближаются к ним, обладая направленно-рассеянным отражением (пропусканием). При направленно-рассеянном отражении (травленые металлические поверхности, эмали, лакированные покрытия) световой поток отражается преимущественно в направлениях, примыкающих к направлению зеркального отражения. В случае направленно-рассеянного пропускания (матированные стекла) прошедший через тело световой поток распространяется преимущественно в направлениях, близких к направлению падающего света.
Условия видимости объектов
То, как человек различает объекты, зависит от основных зрительных функций глаза. Различают три основные зрительные функции .
1. Контрастная чувствительность глаза – способность глаза человека различать объекты, имеющие разную яркость.
Эта зрительная функция определяется значениями пороговой разности яркостей и коэффициентом видимости. Рассмотрим их подробнее.
Важнейшим фактором, влияющим на способность человека различать объекты, является контраст K объекта с фоном :
K = ôL об – L ф ô/L ф = DL/L ф,
где L об – яркость объекта;
L ф – яркость фона, на котором расположен объект.
Пороговая разность яркости – та минимальная разность яркости DL порог объекта и фона, которую способен различить глаз человека:
DL порОг = ôL об -L ф ô min = DL min .
Пороговый контраст (яркостный порог) – минимальный контраст, который способен различить глаз:
К порОг = DL порог /L ф .
Пороговый контраст не является постоянной величиной – он зависит от яркости фона (рис. 16) и увеличивается, если она мала (до 7 кд/м 2) или слишком велика (более 700 кд/м 2). В зоне наилучшей видимости (яркость фона от 7 до 700 кд/м 2) пороговый контраст не превышает 0,02.
Косвенным доказательством этого факта является то, что читать текст на белой бумаге значительно легче, чем на серой.
В абсолютной темноте человек способен различать объекты с яркостью 10 –6 кд/м 2 .
Формулу определения контраста объекта с фоном можно преобразовать, используя понятие пороговой разности яркости:
К = ôL об – L ф ô/L ф = u DL порог /L ф = u К порог ,
гдеu – количество пороговых разностей яркостей, укладывающихся между L об и L ф.
Коэффициент видимости u – отношение реального контраста к пороговому – показывает, сколько ступеней DL порог лежит между яркостями объекта и фона:
u = К/К ПОРОГ .
Чем больше u , тем лучше наблюдатель различает объект.
Блескостью называется свойство ярких тел резко увеличивать пороговую разность яркости при попадании их в поле зрения наблюдателя. Принято различать прямую и отражённую блескость.
Ослеплённость – это состояние глаза под воздействием блескости.
2 . Острота зрения характеризует способность глаза различать близко расположенные объекты как раздельные.
Разрешающая способность
глаза (величина обратная остроте) – отношение расстояния между двумя близко расположенными объектами, которые способен различать глаз, к расстоянию от них до глаза. У человека с нормальным зрением разрешающая способность глаз равна примерно 1/3500, что соответствует угловому размеру пространства между объектами примерно в одну минуту. При хорошем освещении человек может отличать объекты с угловыми размерами до 0,7…0,8 минут. Пороговый контраст тоже зависит от угловых размеров объекта, уменьшаясь при их увеличении.
Острота зрения существенно зависит от яркости фона и контраста объекта с фоном (рис. 17), увеличиваясь с их ростом. Особенно заметное снижение остроты зрения наблюдается при переходе от яркостей фона 500 – 700 кд/м 2 к малым яркостям (доли кд/м 2).
3. Быстрота (скорость) различения объекта зависит от его освещенности. Она во многом определяет производительность труда. Это подтверждено проводившимися опытами по определению скорости чтения текста. Скорость чтения текста с листа бумаги при изменении освещенности от 20 до 100 лк увеличивается на 20 %; от 100 до 200 лк – еще на 9 %, и будет продолжать понемногу расти при росте освещенности до 1000 лк. Этот процесс сопровождается также уменьшением утомляемости зрения.
Скорость зрительного восприятия численно характеризуют значениями, обратными минимальным длительностям различения рассматриваемого объекта (рис. 18).
Подводя итог, следует подчеркнуть, что главными условиями, обеспечивающими близкое к оптимальному различение объектов, являются обеспечение оптимальной освещённости, создание высокого контраста объекта с фоном, желательно наибольшая светлота фона, увеличение угловых размеров объектов.
Цветовые свойства тел и восприятие цвета
Большинство реальных объектов является селективными отражателями, они по-разному отражают разные длины волн, т.е. их коэффициент отражения r(λ) является функцией длины волны, и его можно назвать спектральным коэффициентом отражения.
Восприятие цвета поверхности зависит от двух факторов:
‑ спектрального состава падающего на объект потока излучения;
‑ спектрального коэффициента отражения объекта.
Это можно наглядно проиллюстрировать конкретным примером (рис. 19) , в котором все графики построены в относительных единицах по отношению к их значениям при длине волны 555 нм. Перемножая ординаты двух кривых – спектрального коэффициента отражения поверхности (кривая 1) и относительной спектральной плотности потока излучения падающего дневного света (кривая 2) можно получить кривую 3 относительной спектральной плотности светового потока отражённого дневного света. Максимум отражённого излучения при этом лежит в голубой части спектра. Если на поверхность падает поток излучения лампы накаливания (кривая 4), то спектральный состав отражённого потока (кривая 5) будет отличаться от того состава отраженного света, который получается при освещении поверхности естественным дневным светом. Максимум отражённого излучения переместился в зелёную область спектра.
При изменении спектрального состава падающего излучения и при изменении отражающих свойств поверхности восприятие цвета будет разным
, так как разными будут кривые, характеризующие отраженный данным объектом поток. При освещении лампой накаливания будет наблюдаться следующее изменение цветов по сравнению с естественным (дневным) светом: оранжевые цвета краснеют, голубые – зеленеют, синие и фиолетовые несколько краснеют и значительно темнеют.
Цветопередача – понятие, характеризующее восприятие цветных объектов человеком при освещении этих объектов различными источниками света, спектральный состав излучения которых не совпадает со спектром излучения эталонного источника.
Цветопередача тем лучше, чем ближе восприятие цвета объекта к восприятию, обеспечиваемому освещением его эталонным (опорным) источником света.
Индекс цветопередачи R – количественная характеристика, устанавливающая соответствие между цветопередачами, обеспечиваемыми реальным и эталонным источниками света. Международное обозначение индекса цветопередачи – CRI (Color Rendering Index).
Для ЛН в качестве эталонного источника используется абсолютно чёрное тело (АЧТ), а для разрядных ламп – так называемый эталонный источник D65 (аналог облачного неба). Индекс цветопередачи может принимать значения от 1 (наихудшая цветопередача) до 100 (наилучшая).
Определяется индекс цветопередачи путём сопоставления цвета восьми эталонных образцов (красного, синего, жёлтого, зелёного, цвета кожи человека, цвета листвы и т.д.). Для каждого из этих цветов находятся частные индексы, а их арифметическое усреднение даёт индекс общий .
Максимальный индекс цветопередачи равный 100 – у эталонного источника. Если R ≥ 85, то считается, что цветопередача высокая, если менее 70 – низкая.
В технических каталогах на производимые источники света (ИС) часто указывается группа цветопередачи : группе 1А соответствует R = 90…100, группе 1В – от 80 до 89, группе 2А – от 70…79, группе 2В – от 60 до 69, наконец группе 3 соответствуют индексы цветопередачи от 40 до 59.
Все излучения можно разделить на 2 группы:
1) хроматические – имеют цветовой оттенок;
2) ахроматические (серые) – цветового оттенка не имеют, крайними в ряду ахроматических излучений являются белый и черный.
Ахроматические цвета в спектре отсутствуют. Они присущи телам, неизбирательно отражающим падающие излучения. Их можно получить при смешивании в разных пропорциях белого и чёрного. Эти цвета нельзя характеризовать какой-либо длиной волны – они отличаются друг от друга только количественно, т.е. яркостью. Тела, которые не излучают и не отражают свет, выглядят чёрными (чёрная бархатная бумага). Из бесконечного числа серых цветов (от белого до чёрного) глаз способен различать примерно триста.
Для характеристики хроматических излучений используются одна количественная (яркость) и две качественные характеристики:
1) цветовой тон – характеризуется длиной волны хроматического излучения, к которому необходимо добавить белый свет, чтобы получить данный цвет излучения.
2) чистота (насыщенность) цвета характеризует степень разбавления хроматического излучения белым светом.
Спектральные цвета, получающиеся при разложении света призмой, имеют чистоту 100 %, ахроматические – 0 %. Например, излучение ртутной лампы высокого давления имеет цветовой тон 489 нм и чистоту цвета 28 %, т.е. для получения цвета, совпадающего с цветом излучения этой лампы, надо смешать 28 % излучения длиной волны 489 нм и 72 % белого.
Сочетание цветового тона и чистоты цвета называется цветностью.
Для полной характеристики цвета надо знать не только цветность, но и яркость . Так, розовый цвет при малой яркости представляется как бордо, жёлтый – как коричневый, голубой – как синий.
1.1. Лучистая энергия , лучистый поток , световой поток
1.2. Пространственная и поверхностная плотность светового потока
1.3. Яркость . Световые свойства тел
Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, способны излучать в окружающее пространство лучистую энергию, которая распространяется в виде электромагнитных колебаний с различной длиной волны. Частота этих колебаний зависит от длины волны излучения. Под длиной волны излучения понимается расстояние, которое проходит волна за время полного периода колебания:
λ = с / f , (1)
где λ - длина волны, м;
с - скорость света, равная 3×10 8 м/с;
f - частота электромагнитных колебаний, Гц.
Обычно длины волн излучения измеряются в нанометрах: 1 нм=10 -9 м=10 -6 мм. Мощностью лучистой энергии или лучистым потоком называется количество энергии, излучаемой в единицу времени. Единицей измерения лучистого потока является 1 Вт. Из всей лучистой энергии, существующей в природе, человеческий глаз воспринимает как световое ощущение только незначительную часть с длинами волн от 380 до 760 нм. За пределами этих длин волн лучистая энергия для человека невидима. Каждой длине волны в пределах 380-760 нм соответствует определенная цветность излучения. Переход одного цвета к другому происходит постепенно.
Часть лучистой энергии, воспринимаемую человеческим глазом как световое ощущение, называют световой энергией, а мощность ее излучения -световым потоком Ф. Световой поток, так же как и лучистый поток, может быть измерен в ваттах. Однако, на практике за единицу измерения светового потока принят люмен (лм).
Примерное представление о величине люмена дает следующий пример: лампа накаливания мощностью 15 Вт напряжением 220 В имеет световой поток в 105 лм.
1.2. Пространственная и поверхностная
плотность светового потока
Источники света, которые можно представить в виде светящейся точки, излучают световую энергию равномерно во всех направлениях. Применяемые для освещения помещений светильники распределяют световую энергию в разных направлениях неодинаково, вследствие чего она имеет различную плотность. Пространственная плотность световой энергии называется силой света.
При неравномерном излучении источником света световой энергии сила света I численно определяется как отношение бесконечно малого светового потока dФ , равномерно распределенного в пределах бесконечно малого телесного угла d w с вершиной у источника света, к величине этого телесного угла:
I = dФ / d w . (2)
При равномерном распределении световой энергии в пределах телесного угла, имеющего конечные размеры, сила света в направлении оси угла определяется по формуле
I =Ф /w . (3
Под телесным или пространственным углом понимается часть пространства, ограниченная конической поверхностью. Величина телесного угла определяется как отношение площади участка сферы S , на которую телесный угол опирается, к квадрату радиуса R сферы
w = S / R 2 . (4)
Единицей пространственного угла является стерадиан (ср). Величина телесного угла в 1 ср представляет собой телесный угол, который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса данной сферы:
w = S / R 2 = R 2 / R 2 = 1 ср. (5)
За единицу измерения силы света принята кандела (кд), 1 кд представляет силу света точечного источника, излучающего равномерно световую энергию мощностью 1 лм, внутри телесного угла в 1 ср.
Световая энергия, падая на любую поверхность, освещает ее. Для количественной оценки плотности светового потока на освещаемой поверхности пользуются понятием освещенности. В случае неравномерного освещения поверхности освещенность Е определяется выражением
Е = dФ / dS , (6)
где dФ - бесконечно малая величина светового потока, равномерно распределяющегося в пределах бесконечно малого участка dS освещаемой поверхности. Средняя освещенность при неравномерном распределении светового потока по освещаемой поверхности
Еср =Ф / S . (7)
Единица освещенности носит название люкс (лк). Освещенность, равная 1 лк, будет иметь место, если на освещаемую поверхность в 1 м 2 будет падать равномерно распределенная световая энергия мощностью в
1 лк=1лм/1м 2 . (8)
Освещенность в какой-либо точке освещаемой поверхности может быть определена по силе света, соотношение между освещенностью поверхности и силой света точечного источника может быть определено по рис. 1.
Пусть сила света источника, находящегося в точке О , в направлении
элемента поверхности dS равна I a . Расстояние между источником света и элементом dS равно l , угол между нормалью к поверхности dS и направлением силы света обозначен a . Величина телесного угла d w согласно (4) определяется выражением
где dS × cos a -площадь участка сферы, на которую телесный угол опирается.
Рис. 1. Поясняющая схема к определению освещенности
Световой поток, падающий на элемент dS , выразим из соотношения (2)
d Ф= I α d ω = (9)
Освещенность элемента dS при этом будет равна
Е = = (10)
т.е. освещенность данной точки поверхности, расположенной под углом a к падающему световому потоку, прямо пропорциональна силе света, направленного к ней, и косинусу угла между падающим лучом и нормалью к освещаемой поверхности и обратно пропорциональна квадрату расстояния освещенной точки от источника света.
Если свет падает перпендикулярно освещаемой поверхности, то освещенность можно определить как
Е = I / l 2 . (11)
1.3. Яркость . Световые свойства тел
Свет от источника, падая на поверхность какого-либо предмета, частично ею отражается. В глаз наблюдателя попадает лишь часть отраженного от поверхности предмета светового потока, которая вызывает зрительное восприятие. Чем большая часть отражаемого светового потока попадает в глаз наблюдателя, тем сильнее будет зрительное ощущение этого предмета. Поверхности предметов, имеющие различные окраски и отражающие свойства, при равной освещенности воспринимаются глазом наблюдателя по-разному.
Освещенный предмет будет тем лучше виден, чем большую силу света будет иметь отраженный поток в направлении глаз наблюдателя. Условия видения количественно характеризуются величиной яркости.
Яркостью освещаемой поверхности (L ) в каком-либо направлении называется отношение силы света, излучаемой поверхностью в данном направлении, к площади проекции освещаемой поверхности на плоскость, перпендикулярную к тому же направлению.
Рис. 2. Поясняющая схема к определению яркости поверхности
Если рассматривать освещенную поверхность под углом a , ограниченным нормалью к этой поверхности и линией зрения (рис.2), то будет видна часть этой поверхности, т.е. площадь ее проекции на плоскость, перпендикулярную к линии зрения S α = S × cos α. Для равномерно освещенной поверхности яркость в любом направлении будет равна
Если лучи от плоской освещаемой поверхности, направленные к глазу человека, перпендикулярны к этой поверхности, то яркость освещаемой поверхности определится выражением
L = I / S . (13)
Понятие яркости применимо не только к освещаемым поверхностям, но и к
источникам света. Единицей измерения яркости служит кд/м 2 . Тела, в зависимости от их физических свойств и состояния поверхностей обладают способностью отражать, пропускать и поглощать свет. Для суждения о светотехнических качествах тел служат коэффициенты отражения r , поглощения a и пропускания t , которые показывают, какая часть от общей падающей на поверхность световой энергии соответственно отражается,
пропускается и поглощается.
Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания соответственно
где Ф p ,Ф α ,Ф r -отраженный, поглощенный и пропущенный световые потоки;
Ф пад. - падающий на поверхность световой поток.
Падающий световой поток Фпад . всегда равен сумме трех составляющих потоков:
а коэффициенты связаны зависимостью
p +α +t = 1. (16)
Все тела по характеру распределения в пространстве отраженного и пропущенного световых потоков можно разделить на три группы. К первой группе относятся тела с направленным отражением (зеркальные поверхности) или пропусканием (оконное стекло), ко второй группе относятся тела с рассеянным (диффузным) отражением (гипс, мел) или пропусканием (молочное или матовое стекло). К третьей группе относятся тела со смешанным отражением и пропусканием. Зная световые свойства тел, можно выбрать
наиболее рациональный материал для изготовления светильников, отделки стен
и потолков.
В природе нет ни одного материала, у которого хотя бы один из трех коэффициентов был равен 1. Наибольшее диффузное отражение имеют свежевыпавший снег (p ≈ 1) и химически чистые сернокислый барий и окись магния (p ≈ 0, 96). Наиболее зеркальное отражение у чистого полированного серебра (p ≈0, 92) и у специально обработанного алюминия (p ≈ 0, 95).
Величина коэффициента пропускания указывается в справочниках для толщины материала в 1 см. К наиболее прозрачным материалам можно отнести особо чистый кварц и некоторые марки органического стекла, у которых p = 0, 99 см.
Вещество с коэффициентом поглощения, равным 1, называется «абсолютно черным телом».
Энергетические величины являются исчерпывающими с энергетической точки зрения, но они не позволяют количественно оценить визуальное восприятие излучения. Восприятие глазом излучения видимого диапазона определяется не только мощностью воспринимаемого излучения, но также зависит от его спектрального состава (так как глаз - селективный приемник излучения). Световые характеристики описывают, как энергию излучения воспринимает зрительная система глаза с учетом спектрального состава света.
2.2.1. Световые величины
Световые величины обозначаются аналогично энергетическим величинам, но без индекса.
У световых величин нет никакой спектральной плотности, так как глаз не может провести спектральный анализ.
Сила света:Если в энергетических величинах исходная единица - это энергия, то в световых величинах исходная единица - это сила света (так сложилось исторически). Сила света определяется аналогично энергетической силе света:
| (2.2.1) |
Сила излучения эталона (эталонный излучатель или черное тело) при температуре затвердевания платины () площадью .
Абсолютно черное тело - это тело, которое полностью поглощает падающую на него энергию. Модель абсолютно черного тела представляет собой полое тело, внутренняя поверхность которого выкрашена в черный цвет. Через небольшое отверстие поток излучения поступает внутрь тела, где в результате многократного отражения полностью поглощается (рис.2.2.1).Рис.2.2.1. Абсолютно черное тело.
Поток излучения:
Это поток, который излучается источником с силой света в телесном угле :
.
Освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает поток в .
Светимость:За единицу светимости принимают светимость такой поверхности, которая излучает с световой поток, равный .
Яркость:За единицу яркости принята яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света с .
2.2.2. Связь световых и энергетических величин
Связь световых и энергетических величин связь устанавливается через зрительное восприятие, которое хорошо изучено экспериментально. Функция видности - это относительная спектральная кривая эффективности монохроматического излучения. Она показывает, как глаз воспринимает излучение различного спектрального состава. - величина, обратно пропорциональная монохроматическим мощностям, дающим одинаковое зрительное ощущение, причем воздействие потока излучения с длиной волны условно принимается за единицу. Функция видности глаза максимальна в области желто-зеленого цвета (550-570 нм) и спадает до нуля для красных и фиолетовых лучей (рис.2.2.2).
Рис.2.2.2. Функция видности глаза.
Определить некую световую величину (поток, сила света, яркость, и т.д.), по спектральной плотности соответствующей ей энергетической величины можно по общей формуле:
| (2.2.4) |
где - функция видности глаза, 680 - экспериментально установленный коэффициент (поток излучения мощностью с длиной волны соответствует светового потока).
Например, сила света:
(2.2.5)
яркость:
(2.2.6)
| сила света | ||
| яркость | ||
| освещенность |
Сопоставление энергетических и световых единиц:
| Энергетические | Световые | ||
| Наименование и обозначение | Единицы измерения | Наименование и обозначение | Единицы измерения |
| поток излучения | световой поток | ||
| энергетическая сила света | сила света | ||
| энергетическая освещенность | освещенность | ||
| энергетическая светимость | светимость | ||
| энергетическая яркость | яркость | ||
2.2.3. Практические световые величины и их примеры
Световая экспозиция
Световая экспозиция - это величина энергии, приходящейся на единицу площади за некоторое время (освещенность, накопленная за время от до ):
| (2.2.7) |
Если освещенность постоянна, то экспозиция определяется выражением:
Блеск
Для протяженного источника характеристика, воспринимаемая глазом - яркость. Для точечного источника характеристика, воспринимаемая глазом - блеск (чем больше блеск, тем больше кажется яркость). Блеск - это величина, применяемая при визуальном наблюдении точечного источника света.
Блеск - это освещенность, создаваемая точечным источником в плоскости зрачка наблюдателя, .Видимый блеск небесных тел оценивается в звездных величинах . Шкала звездных величин устанавливается следующим экспериментальным соотношением:
Чем меньше звездная величина, тем больше блеск. Например:
- освещенность рабочего места,
- освещенность от полной луны,
- порог блеска (примерно 8-ая звездная величина).
