Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна»
Высшая школа печати и медиатехнологий
М. А. Канатенко
ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ
Учебное пособие
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки:
29.03.03 Технология полиграфического и упаковочного производства,
15.03.02 Технологические машины и оборудование,
09.03.01 Информатика и вычислительная техника,
09.03.02 Информационные системы и технологии
Санкт-Петербург
Санкт-Петербургский государственный университет
промышленных технологий и дизайна
2019
УДК 655
ББК 37.8
Учебное издание рекомендовано к публикации на заседании кафедры
Технологии полиграфического производства
протокол № 3 от 20.11.2018 г.
Утверждено Редакционно-издательским советом СПбГУПТД
Канатенко, М. А.
Основы светотехники : учеб. пособие / М. А. Канатенко. –
СПб. : СПбГУПТД, 2019. – 136 с.
Учебное издание соответствует содержанию дисциплины «Основы
светотехники» для направлений подготовки: 29.03.03 Технология полиграфического и упаковочного производства, 15.03.02 Технологические
машины и оборудование, 09.03.01 Информатика и вычислительная
техника, 09.03.02 Информационные системы и технологии.
УДК 655
ББК 37.8
Учебное издание зарегистрировано
СПбГУПТД ВШПМ
№ 292 от 14.12.2018 г.
© СПбГУПТД, 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Тема 1. Характеристики и свойства оптического излучения
1.1. Излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Основные величины фотометрии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Тема 2. Источники оптического излучения
2.1. Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Люминесценция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3. Естественные источники излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4. Лазеры и лазерное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Тема 3. Приемники оптического излучения
3.1. Типы приемников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2. Основные характеристики приемников излучения . . . . . . . . . . 48
3.3. Физические приемники оптического излучения . . . . . . . . . . . . 50
3.4. Глаз человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Тема 4. Оптические свойства тел и сред
4.1. Коэффициенты модификации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2. Направленные и диффузные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3. Преобразование и управление оптическим излучением . . . . . . 88
Тема 5. Основы учения о цвете
5.1. Образование цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2. Визуальный колориметр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
5.3. Законы цветосинтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.4. Субъективные характеристики цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.5. Синтез цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Тема 6. Измерение цвета
6.1. Измерение цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2. Цвет – вектор. Графическое изображение колориметрических
систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
6.3. Система XYZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.4. Расчет цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
6.5. Стандартные излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Тема 7. Равноконтрастные цветовые пространства.
Системы спецификации цветов
7.1. Пороги цветоразличения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.2. Равноконтрастные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.3. Сравнение цветовых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.4. Системы спецификации цветов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.5. Приборы для измерения цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
ВВЕДЕНИЕ
Учебное издание «Основы светотехники» предназначено для студентов-бакалавров направлений подготовки: 29.03.03 Технология полиграфического и упаковочного производства, 15.03.02 Технологические
машины и оборудование, 09.03.01 Информатика и вычислительная техника, 09.03.02 Информационные системы и технологии. В учебном издании даются базовые сведения, необходимые для профессиональной
деятельности в области теории цвета, обработки текстовой и изобразительной информации.
Курс лекций «Основы светотехники» включает две части: «Основы
фотометрии» и «Основы колориметрии», которые разбиты на семь тем.
4
Тема 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА
ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Оптическое излучение. Поток излучения. Источники
излучения. Основные величины фотометрии. Закон
Ламберта. Косинусный излучатель. Световые величины
1.1. Излучение
Излучение – процесс испускания и распространения энергии
в виде волн или частиц. Понятие, одинаково применимое к различным
областям электромагнитных полей (гамма-излучение, рентгеновское,
оптическое, радиоизлучение), характеризует перенос электромагнитной
энергии посредством электромагнитных волн или фотонов.
Проявление излучением одновременно корпускулярных и волновых
свойств называется корпускулярно-волновым дуализмом. На базе изучения этих свойств существуют корпускулярная (квантовая) и волновая
(электромагнитная) теории света. Эти теории нельзя противопоставлять
друг другу, и лишь в своей совокупности они позволяют объяснить все
известные оптические явления.
Например, явления дифракции и интерференции света объясняются волновыми представлениями, в то время как фотоэффект или
химические превращения в веществе под воздействием излучения
объясняются корпускулярными свойствами. Некоторые явления,
например давление света, можно объяснить в рамках как той, так
и другой теории.
Скорость движения фотона или электромагнитной волны в вакууме
является фундаментальной константой и равна скорости света:
c = 2,998·108 м/с.
Если волна распространяется не в вакууме, а в среде с диэлектрической () и магнитной () проницаемостью, то ее скорость (фазовая
скорость) будет:
где
лучения рассматривается как поток элементарных частиц – фотонов,
n
– показатель преломления среды.
При корпускулярной трактовке процесс электромагнитного из-
v
c
, или cvn
,
5
1.1. Излучение
энергия которых согласно квантовой теории М. Планка определяется
как
где h – постоянная Планка (квант действия), равная 6,625 · 10
E = h,
–34
Дж · с,
– частота излучения.
Непрерывный спектр электромагнитных излучений простирается
от коротких гамма-излучений с длиной волны ( менее 10–4 мкм до
длинноволновых – с длиной волны более 1000 мкм, принадлежащих
диапазону радиоволн.
Длина волны – основной параметр, характеризующий электромагнитное излучение в технике и экспериментальной физике.
Для измерений используются следующие единицы (производные
от метра):
микрон или микрометр (мкм, μ, μm), 1 мкм = 10
нанометр (нм, nm), 1 нм = 10
ангстрем (A), 1 A = 10
Ангстрем – внесистемная единица измерения, названная в честь
Андерса Ангстрема, применившего (1868 г.) в качестве единицы для выражения длин волн спектральных линий величину
0,0001 мкм. Широко применяется в оптике и спектроскопии.
Кроме длины волны, для характеристики излучения часто используют частоту : = с/
мерения – герц (Гц, Hz). Имеет употребление еще волновое
число – число длин волн, укладывающихся в единице длины:
.
n = 1/
–10
(с – скорость света). Единица из-
м.
–9
м;
–6
м;
По мере продвижения по шкале электромагнитных волн свойства излучений претерпевают значительные качественные изменения,
определяемые энергией фотона. Эти свойства определяются общей
закономерностью: по мере перехода от более длинных волн к более коротким волновые свойства проявляются слабее, а квантовые, в которых
решающее значение имеет величина кванта энергии, – сильнее.
1.1.1. Оптическое излучение. Оптическое излучение объединено единством принципов возбуждения и преобразования, диапазон
длин волн которого принято считать, примерно, от 10 нм до 1 мм или
от 0,01 до 1000 мкм.
Оптическая область спектра делится на три диапазона, что связано
со свойствами органа зрения человека воспринимать лишь узкую область спектра – видимую, а также по энергии, переносимой фотонами
(электромагнитными волнами).
6
1.1.1. Оптическое излучение
Наименьшие значения соответствуют ИК-диапазону (инфракрасный – диапазон со стороны «красной части» – большие длины волн),
наибольшие значения соответствуют УФ-диапазону (ультрафиолет – диапазон со стороны «фиолетовой части» – малые длины волн) (илл. 1.1,
цветная вкл.).
Ультрафиолетовая область
(УФ, UV)
Видимая область (Visible) длины волн от 0,38 до 0,78 мкм
Инфракрасная область
(ИК, IR)
УФ- и ИК-диапазоны в свою очередь разбиты на поддиапазоны в
зависимости от воздействия этих длин волн () на материальные
или биологические объекты:
УФ-А 315–400 нм
УФ-В 280–315 нм
УФ-С 100–280 нм
Ближнее ИК 0,78–3 мкм
Среднее ИК 3–30 мкм
Дальнее ИК 30–1000 мкм
длины волн от 0,01 до 0,38 мкм
(10–380 нм)
(380–780 нм)
длины волн от 0,78 до 1000 мкм
(780–1 000000 нм)
Электромагнитное оптическое излучение, которое воспринимает
человеческий глаз, называется светом или световым излучением. Такая
реакция характеризуется чувствительностью нашего органа зрения к
оптическому излучению длин волн в диапазоне, примерно, от 380 нм
до 780 нм. Такой диапазон называется видимым.
Энергия оптического излучения измеряется в Джоулях [Дж].
1 Дж энергии соответствует примерно 0,102 кГм – механическому моменту силы или 0,239 кал – эквиваленту тепловой энергии
(такая энергия обеспечивает нагрев 1 г алюминия на 1 °С).
Энергию фотонов в атомной физике и спектроскопии обычно
измеряют в атомных величинах в целях устранения громоздких
величин. Например, энергия фотонов измеряется в электронвольтах (эВ, eV) – энергия, которую приобретает электрон, двигаясь в электрическом поле напряженностью 1 В.
1 эВ = 1,6 · 10
Для перехода от значений длины волны к значениям энергии фотонов удобно пользоваться следующей формулой:
Е(эВ) = 1240/(А), где – длина волны.
–19
Дж.
7
1.1. Излучение
1.1.2. Поток излучения. Поток излучения (или лучистый
поток) – основная характеристика излучения. Определяется как мощность излучения, т. е. количеством энергии, переносимой излучением
в единицу времени. Единица измерения
– Дж/сек или Вт:
Ф
dQ
. [1.1]
dt
Поток излучения характеризуется распределением по спектру, во
времени и в пространстве.
Если энергия переносится излучением одной длины волны (монохроматическое излучение), то такой поток называется монохроматическим
потоком излучения (Ф.
Если энергия, переносится всей совокупностью длин волн, входящих
в состав данного излучения, то такой поток называется интегральным
потоком (Ф).
Для полной характеристики потока излучения необходимо указать
распределение энергии разных длин волн в данном потоке. Если выделить бесконечно малый интервал длин волн d, то величина потока
излучения, приходящегося на этот интервал длин волн, будет пропорциональна этому интервалу:
Фdfd
, [1.2]
где f – спектральная плотность потока, величина, характеризующая
распределение потока по длинам волн (функция распределения), и:
Ф fd
. [1.3]
0
Поток, относящийся к конечному интервалу длин волн
– , определяется выражением
2
Ф fd
1
. [1.4]
1.1.3. Источники излучения. Источниками излучения называются физические тела, испускающие поток излучения. По характеру спектрального распределения испускаемого потока излучения,
источники могут быть:
с линейчатым спектром,
•
с полосовым спектром,
•
со сплошным спектром.
•
1. Источники с линейчатым спектром излучают энергию в пределах
узких участков спектра – линий (рис. 1.2).
8
1.1.3. Источники излучения
Рис. 1.2. Типичный вид линейчатого спектра
Интегральный поток излучения источника с линейчатым спектром
представляется в виде суммы монохроматических потоков отдельных
линий: Ф = Ф + Ф + ... + Фn.
Спектральные линии излучаются, как правило, изолированными
возбужденными атомами или ионами вещества, находящегося в газообразном или плазменном состоянии.
2. Источники с полосовым спектром излучают энергию в пределах
достаточно широких участков спектра – полос (рис. 1.3). Полосовые
спектры, как правило, есть результат слияния в полосы очень близко
расположенных спектральных линий.
Полосовые спектры излучаются обычно возбужденными молекулами, находящимися в газообразном состоянии. Полосовыми спектрами
обладают также люминесцентные излучатели, использующие свечение
твердых люминофоров.
Рис. 1.3. Полосовой спектр
9
1.2. Основные величины фотометрии
Рис. 1.4. Сплошной спектр
3. Источники со сплошным спектром – это источники тепло-
вого излучения и излучения люминесценции жидких и твердых тел
(рис. 1.4).
Для временных характеристик потока излучения вводят понятия:
стационарный, нестационарный и импульсный поток.
Стационарный поток – это процесс излучения, неизменный в
течение времени измерений или наблюдений.
Нестационарный поток – процесс излучения, изменяющийся в
течение времени измерений или наблюдений.
Импульсный поток – это нестационарный поток излучения, который
в течение времени измерений или наблюдений возрастает от нулевого
значения и уменьшается до нулевого значения.
1.2. Основные величины фотометрии
1.2.1. Освещенность и светимость. Одной из важнейших характе-
ристик потока излучения является распределение потока излучения по
объему пространства и на поверхности тел.
Рассмотрим два случая: поток dФ излучается площадкой dS и поток
dФ падает на площадку dS (рис. 1.5).
Рис. 1.5. К определению поверхностной плотности потока
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]