1873

индуктивным бесконтактным датчиком, который с помощью нехитрого рычажного механизма воспринимает положение задней подвески. Полученные данные мгновенно обрабатываются, и электродвигатели, управляющие положением фар, получают необходимую команду.

Но кардинально решает проблему идеального светораспределения, защищает встречного водителя от ослепления следующее изобретение. Пока мы спорим, регулировать ли фары, и учимся устанавливать гидроили электрокорректоры, способные опустить луч, если в багажнике мешки с картошкой, разработчики БМВ переложили все эти заботы на кристаллы компьютера. В канун 2001 г. они представили необычную фару, способную в корне изменить обстановку на ночных дорогах.

Суть изобретения в рефлекторе, поверхность которого не назовешь ни

ночном шоссе световую стрелу, предупреждающую водителя о скором начале маневра. И еще одно ценное пре-

имущество системы DMD (Digital Micromirror Devices), ее еще называют

"Пикселлайт": такая фара позволяет ехать с дальним светом, не боясь ослепить встречных водителей – компьютер уберет свет из области выше уровня их фар (рис. 3.14).

Приложение 3.3. Противотуманные фары

Туман – опасное явление природы. Число дней в году с туманами и осадками достигает 200. В тумане дорожные объекты кажутся в 2–3 раза более удаленными и смещенными относительно своего действительного положения.

Светотехнические характеристики автомобильных фар головного света таковы, что в тумане не улучшают, а, наоборот, ухудшают видимость дороги. При включении фар головного света перед глазами водителя образуется молочно-белая пелена, мешающая различать дорогу. Ближний свет дает несколько лучшую видимость, но ненамного. Лучше всего, когда все огни на автомобиле выключены, но тогда резко увеличивается опасность дорожно-

92

транспортного происшествия, которые в тумане часто носят «цепной» характер. Причина всех этих неприятных явлений – рассеяние света на частицах тумана, в результате чего рассеянный ими обратно свет головной фары создает перед глазами водителя плотную светящуюся пелену. Подобные явления возникают при снегопаде, ливневом дожде и т.д.

Г

Ф М1

О

О'

Рис. 3.15. Действие противотуманной фары

Наиболее эффективно для улучшения видимости в этих условиях применять противотуманные фары. Между тем мнения, бытующие у водителей, об их возможностях и действии весьма ограничены и часто ошибочны. Так, действие противотуманных фар часто объясняют их желтым спектром и малой высотой установки, что позволяет фарам светить якобы «под туман». Все это не имеет ничего общего с истиной.

Для того чтобы водитель различал предметы на фоне дороги, необходимо, чтобы они отличались от этого фона яркостью или цветом. Иными словами, всякий объект воспринимается зрением только в том случае, если он по яркости или цвету отличается от фона. При низких освещенностях (когда и работают фары) влияние цвета второстепенно (см. следующую главу). Поэтому важен именно яркостной контраст:

К Воб Вдор ,

Вдор

где Воб, Вдор – яркости соответственно объекта-препятствия и дороги. Он должен быть больше Кпор (порогового контраста).

Туман представляет собой взвешенные в воздухе частицы влаги (аэрозоль) диаметром 1–40 мкм. Яркость светящихся частиц воды вуалирует (накладывается) на яркость дороги и яркость препятствия и снижает контраст объекта и фона, а следовательно, и видимость.

Пусть на рис. 3.15 точки Г – положение головы водителя, Ф – фары, О – наблюдаемый объект-препятствие, линия ГМ2 – линия зрения водителя. Фара Ф посылает свет в телесный угол ω. Яркость объекта О будет рав-

93

наВоб Воб/ ВМ1О , где первое слагаемое – ослабленная пеленой М1О яр-

кость объекта, а второе – яркость светящейся перед объектом участка линии зрения М1О. Яркость дороги Вдор Вдор/ ВМ1М2 , где первое слагаемое

– ослабленная яркость дорожного полотна, а второе – яркость вуалирующей пелены, т.е. участка линии зрения М1М2. Тогда яркостной контраст «дорога-препятствие»

Таким образом, по сравнению с первой формулой числитель уменьшился, знаменатель увеличился. Контраст в условиях тумана снизился.

Подробное рассмотрение причин ухудшения видимости позволяет найти пути исправления положения. Для этого надо уменьшить ВОМ2 и ВМ1М2, например изменением светораспределения фары в вертикальной плоскости (см. рис. 3.15). Фара выше линии ФОО/ должна иметь минимальную силу света (резкая граница света и тени). Достигается специальной конструкцией рассеивателя противотуманной фары. Сам угол рассеяния противотуманной фары должен быть минимален (не более 5о), а направление макси-

мальной силы света должно проходить как можно ближе к верхней светотеневой границе пучка. Это же достигается изменением угла наклона фары (они более наклонны к дороге). Ослабление вуалирования достигается увеличением расстояния между линией глаз водителя и фарой, которое должно быть мак-

симальным. Поэтому противотуманные фары Рис. 3.16. «Противотуманка" расположены так близко к полотну дороги. В

для ВАЗ-2110

этом заключаются основные принципы действия противотуманных фар (рис. 3.16).

Лабораторная работа к главе 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Среди искусственных источников света наиболее распространенными являются электрические лампы накаливания. Они состоят из стеклянного баллона с вакуумом до 10-2 –10-3 Па или заполнены инертным газом до атмосферного давления. Нити накала лампы изготовляются из вольфрама. Отличаясь по конструктивным данным, они имеют световые параметры,

94

в два окна которой попадает свет от источников I0 и Ix , укрепленных на двух направляющих r0 и rx соответственно. Отразившись диффузно от белой матовой пластинки М и пройдя оптическую систему прибора, свет попадает в окуляр В. Наблюдатель видит поле зрения в виде круга, центральная часть которого (в нее попадает свет от источника I0) может быть либо более, либо менее яркой, чем окружающее ее кольцо (куда попадает свет от источника Ix).

B

Рис. 3.18. Схема призменного фотометра

Поле зрения будет иметь одинаковую яркость лишь в том случае, когда освещенность пластинки М источниками I0 и Ix будет одинаковой, т. е. при

Сна линзу объектива, и наблюдатель видит поле

96

части Еx – через левую диафрагму. При выравнивании освещенностей при разной силе источников света I0 и Ix необходимо уменьшить открытое отверстие на пути того светового потока, который создан источником с большей силой света, или наоборот.

Изменение величин диафрагм а и b осуществляется вращением барабанов A и В, имеющих шкалы (черного цвета), показания N которых пропорциональны площади открытого отверстия:

N ~ S. (3.5)

При равной освещенности обеих половин поля зрения световые потоки через диафрагмы равны, и справедливо равенство

где N0 и Nx – показания соответствующих шкал барабанов А и В.

Приборы и принадлежности: электролампы I0, Ix; вольтметры V0, Vx; реостаты R0, Rx, амперметр А, источники тока, фотометр Ф.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1.Замкнуть цепь эталонной лампы I0 и, плавно перемещая ползунок реостата, добиться, чтобы вольтметр показывал то напряжение, на которое рассчитана лампа (номинальное напряжение).

2.Замкнуть цепь исследуемой лампы Ix и, плавно перемещая ползунок реостата, установить номинальное напряжение на исследуемой лампе. Зафиксировать напряжение U и ток i в цепи лампы Ix и записать в табл. 3.6.

3.Определить силу света исследуемой лампы.

Измерение силы света призменным фотометром:

а) изменяя расположение ламп I0 и Ix по отношению к головке фотометра, добиться равномерной освещенности поля зрения. Измерить расстояния r0 и rx, занести показания в табл. 3.6;

б) повернуть головку фотометра на 180°, добиться равномерной осве-

щенности поля зрения и вновь измерить расстояния r01и rx1. Найти средние значения

в) найти силу света источника Ix по формуле (3.4), записать результат в табл. 3.6.

Измерение силы света горизонтальным фотометром:

а) вращением барабанов А и В добиться равномерного освещения поля зрения, снять показания шкал барабанов N0 и Nx , занести данные в табл. 3.7;

97

б) найти силу света исследуемого источника Ix по формуле (3.7).

Таблица 3.6

4.Уменьшая напряжение в цепи исследуемой лампы каждый раз на 1–2 В, произвести измерения напряжения, силы тока и силы света источника. Данные занести в табл. 3.7.

5.Для всех значений напряжений и токов подсчитать потребляемую лампой мощность P U i .

6.Считая источник точечным 4 , подсчитать световой поток по

формуле (3.1) для всех значений напряжения.

7.По формуле (3.2) подсчитать световую отдачу лампы.

8.Построить графики Ix f P и f U , дать анализ полученных

зависимостей.

9. Выразить для номинального напряжения значение светового потока в ваттах (полагать, что 1 Вт соответствует 683 лм). Определить, какую долю потребляемой мощности Р составляет излучаемая мощность.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Как устроена лампа накаливания и какими параметрами она характеризуется?

2.Дать определение силы света и светового потока.

3.Как читаются законы освещенности?

4.Как устроены призменный и горизонтальный фотометры?

5.Как изменяются параметры лампы при отклонении напряжения относительно номинального?

98

Глава 4. Цвет и его оптические характеристики

4.1. Спектральные кривые отражения и пропускания. Цвета предметов. Цвета света

Как известно из волновой теории, цвет оптического излучения (света) обусловлен разницей частот или длин волн спектра видимого диапазона. Так же, как электромагнитные волны в зависимости от частоты делятся на радиоволны, ИК, УФ-излучения, рентгеновское излучение и т. д., видимый диапазон, в свою очередь, состоит из волн от красных до фиолетовых при изменении их λ от 770 до 380 нм (см. рис.2.3).

Спектр солнечного света – типичный спектр нагретого тела. Здесь переход одного цвета к другому происходит непрерывно, поэтому такой спектр называют непрерывным (другой пример – лампа накаливания). Спектр видимого света лежит в пределах от 380 до 770 нм, иногда приводят более узкий диапазон – от 400 до 750 нм.

Весь спектр можно разделить по цветовым оттенкам на две части: 1) теплые (левая половина табл. 4.1), связанные с ощущением нагретого тела; 2) холодные (правая половина таблицы), цвета льда, металла, воды.

Другой тип источников света, как известно из предыдущей главы, – линейчатые. Это ртутная лампа, водородная, натриевая лампы. В табл. 4.2 приведены характеристики спектральных линий, излучаемых ртутной лампой. На рис. 4.1 представлены спектральные кривые (зависимости какойлибо энергетической характеристики излучения, в данном случае светового потока Фν от длины волны или частоты) для ртутной лампы, Солнца (кривая 1) и лампы накаливания (кривая 2).

99

Рис. 4.1. Спектральные кривые излучения

4.2. Цвета предметов

Пусть на какое-либо тело падает световой поток Фν белого света. Часть этого потока отразится от поверхности тела, часть поглотится, часть же будет им пропущена, если тело прозрачное. По закону сохранения энергии

Ф = Фа + Фr + Фt,

где Фа – поглощенный световой поток; Фr – отраженный; Фt – прошедший. Разделим левую и правую части уравнения на Ф:

где a, r, t – коэффициенты поглощения, отражения и пропускания, которые могут выражаться также в процентах.

S S

Следует различать направленное (зеркальное) и диффузное (рассеянное) отражение и пропускание. При зеркальном отражении телесный угол

100

светового потока не изменяется, при диффузном – происходит его увеличение (ламбертовские поверхности, см. выше, рис. 4.2). Аналогично происходит направленное и диффузное пропускание (рис. 4.3).

S S

Рис. 4.3. Зеркальное и диффузное пропускание

Речь пока шла об общих или суммарных (интегральных) коэффициентах отражения, поглощения, пропускания во всем видимом диапазоне. Если же мы будем освещать тело монохроматическим светом с определенной длиной волны, то мы можем измерить спектральные коэффициенты aλ, rλ, tλ. Зависимости этих коэффициентов от длины волны носят названия спектральных кривых отражения, пропускания, поглощения и характеризуют способность тела или среды отражать или пропускать свет разных длин волн.

На рис. 4.4 представлены спектральные кривые отражения белого снега (кривая 1), желтой бумаги 2, кривые пропускания зеленого 3, красного 4 и синего 5 светофильтров. Если тело отражает или пропускает так, что коэффициенты одинаковы для всех λ, то говорят, что оно неизбирательно отражает или пропускает. Цвета, получаемые в результате этого, – ахроматиче-

от их способности отражать или пропускать па-

101