9. Оптика
9.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Оптика»
Фотометрия — раздел физической оптики, в котором исследуются энергетические характеристики света при его испускании источником света, распространении и взаимодействии с телами. Фотометрия охватывает как экспериментальные методы и средства измерений фотометрических величин, так и относящиеся к этим величинам теоретические положения и расчеты.
Существует условное разделение энергетических параметров оптического излучения и характеристик, характеризующих физиологические действия света.
Таблица 13.
Фотометрические величины
Энергетические величины (характеризуют энергетические параметры оптического излучения) |
Световые величины (характеризуют физиологические действия света) |
1 |
2 |
Поток излучения – величина, равная отношению энергии излучения ко времени, за которое излучение произошло:
|
Световой поток Ф – энергия электромагнитного излучения через произвольную площадь в единицу времени, лежащего в видимом диапазоне (λ=0,36 – 0,76 мкм); поток лучистой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению, характеризует мощность светового излучения:
1люмен (лм) |
продолжение таблицы 13 |
|||||
Энергетические величины (характеризуют энергетические параметры оптического излучения) |
Световые величины (характеризуют физиологические действия света) |
||||
1 |
2 |
||||
Энергетическая освещенность (облученность) характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности:
|
Освещенность (поверхностная плотность светового потока) – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности:
1 люкс (лк) – освещенность поверхности площадью 1 кв. м при световом потоке падающего на него излучения равном 1 люмену. |
||||
Энергетическая сила света (сила излучения) - величина, равная отношению потока излучения источника к телесному углу, в пределах которого это излучение распространяется:
|
Сила света I (пространственная плотность светового потока в заданном направлении) – величина, равная отношению светового потока к величине телесного угла (стерадиана), в котором он излучается. Единицей силы света является кандела (кд)
Телесный угол – часть пространства, ограниченная конусом с вершиной в центре сферы, опирающимся на поверхность S. Телесный угол определяется отношением площади S, которую конус вырезает на поверхности сферы, к квадрату радиуса R этой сферы
|
||||
Энергетическая яркость (лучистость) – величина, равная отношению энергетической силы света элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:
|
Яркость (поверхностная плотность силы света в данном направлении, определяется силой света, излучаемой с единицы площади поверхности в заданном направлении) – величина, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:
|
||||
Коэффициент отражения поверхности – отношение величины отраженного светового потока к падающему:
|
|
.Световая отдача – отношение светового потока источника света к потребляемой мощности.
|
|
,
Для оценки условий зрительной работы учитывают качественные характеристики: фон, контраст объекта с фоном, видимость объекта. К качественным показателям освещения относятся также: коэффициент пульсации, показатели ослепленности, спектральный состав света и некоторые другие.
Физиологическими характеристиками зрения являются:
острота зрения (предельная способность глаза различать мелкие детали предметов);
устойчивость ясного видения (различие предметов в течение длительного времени);
контрастная чувствительность (разные по яркости);
скорость зрительного восприятия (временной фактор);
адаптация зрения;
аккомодация (различие предметов при изменении расстояния).
Из основных функций органов зрения выделяют: светоощущение; цветоощущение; центральное или предметное зрение; периферическое зрение; стереоскопическое зрение.
Светоощущение – способность воспринимать свет в диапазоне солнечного излучения и приспосабливаться к восприятию зрительных образов при различных уровнях освещения. Процесс светоощущения начинается в палочках и колбочках. Под влиянием энергии светового излучения в палочках и колбочках распадаются специальные вещества, называемые зрительным пурпуром.
Цветоощущение позволяет воспринимать более двух тысяч оттенков цвета в зависимости от длины волны светового излучения. Сетчатка имеет три компонента, настроенные на восприятие трех основных цветов спектра: красный, синий и зеленый. При недостаточном восприятии одного, двух или трех компонентов возникают:
Центральное или предметное зрение - способность различать величину и форму предметов окружающей среды. Предметное зрение определяется способностью раздельно воспринимать точки. Каждая точка воспринимается раздельно, если ее изображение каждой проецируется на две колбочки, между которыми находится еще хотя бы одна колбочка. Размер колбочки и определяет остроту зрения. Считается, что минимальный угол зрения, определяемый размером колбочки, составляет 1 минуту. Исследуют остроту зрения при помощи всем известных таблиц Головина-Сивцева.
Периферическое зрение - восприятие части пространства вокруг фиксированной точки. При фиксации взора на какой-либо точке, точка воспринимается центральной ямкой сетчатки, а пространство, окружающее ее, воспринимается оставшейся частью сетчатки. Пространство, которое воспринимается одним глазом, называется полем зрения. Периферическое зрение имеет большое значение для ориентации в окружающей среде. При различных заболеваниях глаз, поля зрения могут сужаться, или выпадают их определенные участки.
Стереоскопическое зрение - способность воспринимать расстояния между предметами окружающей среды, объем предметов, возможность наблюдать предметы в движении. Стереоскопическое зрение становится возможным, если человек воспринимает предметы двумя глазами. При нарушениях стереоскопического зрения затрудняется ориентировка в окружающей среде.
Вредное воздействие на глаза человека оказывают следующие факторы:
недостаточное освещение рабочей зоны;
отсутствие/недостаток естественного света;
повышенная яркость;
перенапряжение анализаторов;
УФИ (ультрафиолетовые излучения);
мерцание;
блики и отраженный свет;
запыленность, загазованность воздушной среды;
физические и нервные перегрузки;
механические повреждения;
попадание вредных веществ, ядов с пищей и водой в пищевод.
Свет – электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна (скорость распространения в вакууме которой постоянна), либо как поток фотонов (частиц, обладающих определённой энергией и нулевой массой покоя). Свет (видимое излучение) - это энергия, материя особого вида; свет представляет собой излучение, непосредственно вызывающее зрительное ощущение.
К природному (естественному) источнику света относится Солнце, генерирующее электромагнитные волны от 0,1 до 100 000 нм, распространяющиеся в космическом пространстве со скоростью 300 000 км/с (скоростью света); солнечный спектр представлен таблицей. Солнечное излучение, падающее на некоторую горизонтальную поверхность, можно представить в виде трех составляющих: прямого излучения (исходящего непосредственно от Солнца), рассеянного (от небесного свода) и отраженного (от поверхности предметов).