Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
3.4.1. Строение глаза
Рис. 3.10. Рисунок Мариотта для нахождения слепого пятна. Для обнаружения
слепого пятна необходимо прикрыть левый глаз рукой, а правый сфокусировать
на изображение креста. Затем медленно приближать голову к рисунку. На
некотором расстоянии от рисунка изображение темного круга исчезнет
освещенностях, обладает большой чувствительностью и не различает
цветов. Это зрение называется сумеречным (иногда его называют ноч-
ным) зрением.
В зависимости от величины светового потока глаз изменяет свою
чувствительность, переходя от дневного к сумеречному зрению или
наоборот. Этот процесс называется адаптацией. Однако процесс адаптации связан не только с переходом между двумя аппаратами зрения.
При увеличении освещенности сетчатки автоматически сужается зрачок,
ограничивая тем самым световой поток, попадающий в глаз. Кроме
этого, при увеличении освещенности пигментные клетки прикрывают
все большую часть светочувствительных элементов сетчатки, сначала
палочек (до полной их изоляции), а затем и колбочек.
Процесс адаптации происходит сравнительно медленно. Для достижения наибольшей чувствительности – полной темновой адаптации – требуется пребывание в темноте около часа или более. Световая
адаптация происходит значительно быстрее – за 10–15 минут. В целом
диапазон мощностей, которые способен воспринимать человеческий
глаз, очень велик и может достигать 12 порядков.
В области максимальной чувствительности глаз может реагировать на поток около 4 · 10–10 эрг/с, что соответствует освещенности
на сетчатке около 5 · 10–10 лк, или воспринимать около 100 фотонов
в секунду. Такая величина уже находится на грани уровня шумов и
флуктуационных явлений в физике.
Особенностью глаза как приемника излучения является неспособность производить количественную оценку мощности раздражителя,
но позволяет довольно хорошо устанавливать равенство мощностей
излучения (или освещенностей) при одинаковой цветности сравниваемых источников. То есть глаз – это «ноль прибор». Минимальное
изменение мощности раздражителя W, которое может быть замечено,
пропорционально самой мощности W.
Другими словами, отношение W/W должно быть постоянным.
71
3.4. Глаз человека
Для большинства людей W/W = 1/1000. Выражение W/W на-
зывается контрастом.
Различают количественный (яркость, освещенность при одинаковой цветности) и качественный (различные цветности при одинаковой
яркости) контрасты. На свойствах уравнивания контрастов и построена
вся наука о цвете, поскольку цвет – это нервная реакция зрительного
аппарата человека.
Субъективный аналог яркости или мощности раздражителя W
называется светлотой, W – порогом различения светлоты. Связь изменения светлоты с изменением яркости объекта описывается законом
Вебера – Фехнера. Оказалось, что порогу различения светлоты W соответствует постоянное относительное изменение яркости B/B = const.
dW k
2
порогу различения соответствует
dB
. Проинтегрировав это выраже-
B
В диапазоне яркостей 1–1000 кд/м
контраст около 2 %. Запишем:
ние, получим:
W = k lg B. [3.26]
Таким образом, закон Вебера – Фехнера гласит, что приращение
светлоты пропорционально приращению логарифма яркости.
3.4.2. Спектральная чувствительность. Субъективное ощущение интенсивности воспринимаемого излучения зависит не только от
его мощности, но и от спектрального состава. Из всего многообразия
спектра электромагнитного излучения глаз воспринимает ничтожную
долю: примерно от 380 до 760 нм, проявляя при этом неодинаковую
чувствительность к одинаковым по мощности монохроматическим
излучениям различных длин волн. В результате величина, характеризующая способность потока излучения вызывать зрительное ощущение,
должна учитывать степень чувствительности глаза к излучению разных
длин волн.
Чувствительность глаза к тому или иному монохроматическому
излучению определяется той наименьшей мощностью, которая необходима, чтобы глаз начал воспринимать данное излучение. Ввиду
встречаемых ощутимых отклонений следует рассматривать некую
среднюю чувствительность, определяемую в результате обследования
большого числа наблюдателей. Такая кривая, на которой построена
система световых единиц, опирается на данные, полученные для
большого числа наблюдателей, и принята Международной комиссией по освещению (МКО) как стандартная кривая относитель-
ной спектральной световой эффективности, обозначаемая как V().
72
3.4.3. Световые единицы
Рис. 3.11. Относительная спектральная чувствительность глаза:
––– – стандартная кривая спектральной световой эффективности МКО
для дневного зрения V(); -
для 125 наблюдателей; ----- – кривая спектральной световой эффективности
- – границы разброса индивидуальных кривых
· - ·
МКО для ночного зрения V'()
Она нормирована на значение чувствительности в максимуме
V() = S()/S()
max
.
Относительная чувствительность глаза для различных спектральных
участков зависит от абсолютного значения мощности излучения. Для
больших уровней освещения, когда работает колбочковый аппарат,
эта кривая имеет максимум на длине волны около 555 нм (желтозеленая область) и называется кривой V() дневного зрения.
При уменьшении мощности излучения, когда глаз адаптируется
к сумеречному зрению и включается палочковый аппарат зрения,
кривая сдвигается в коротковолновую область с максимумом на
длине волны около 500 нм и называется кривой V'() сумеречного
(ночного) зрения (рис. 3.11). Этот сдвиг называется эффектом Пуркинье. Кривые V() и V'() стандартизованы МКО и представлены
в виде таблицы значений.
3.4.3. Световые единицы. Учет зрительного ощущения
органа зрения человека через функцию относительной спектральной
световой эффективности V() приводит к введению понятия световых
величин (в отличие от энергетических – без учета свойств приемника
излучения). Эти величины равны произведению энергетических величин на функцию V():
dA = V()dB, [3.27]
где A– световая величина,
dB
– энергетическая величина.
73
3.4. Глаз человека
Например, световой поток F от источника излучения с энергети-
ческим потоком Ф в интервале длин волн 1 – 2:
21
F=
VФd, [3.28]
или интегральный световой поток от источника излучения с энергетическим потоком Ф:
Аналогично вводятся все остальные фотометрические световые
0
. [3.29]
dVF
Ф)(
величины: светимость, освещенность, яркость.
За основную фотометрическую единицу в международной системе
СИ утверждена единица силы света – кандела. В результате все остальные величины выражаются через нее.
Кандела (кд) – единица силы света, определяемая как сила света,
излучаемого в перпендикулярном направлении – 1/600 000 квадратного метра (1,66 мм
ного) тела при температуре затвердевания платины и давлении
101 · 325 Н/м
ция по мерам и весам, 1967 г.).
2
(Па) (760 мм рт. ст.) (13-я генеральная конферен-
2
) поверхности черного (абсолютно чер-
Связь между световым и энергетическим потоками может быть
установлена при учете спектрального состава излучения.
Световой поток должен относиться к тому спектральному составу
излучения, которым обладает абсолютно черное тело при температуре
затвердевания платины (2046,6 К). В этих условиях на 1 лм приходится
0,53 Вт интегрального излучения или 0,0091 Вт излучения, относящегося
к видимой части спектра. Эту связь между люменом и ваттом можно
записать в виде:
Fk
где k – коэффициент пропорциональности, равный 683 лм/Вт.
V(Фd[Вт] [3.30]
лм
0
Определение силы света может быть следующим: кандела – сила
света в выбранном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 · 1012 Гц (555 нм), энергетическая сила
света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Можно сказать, что 683 – есть значение максимальной световой
эффективности (k
Точное значение (k
, установленное ГКМВ.
)max
вместе с функцией V(), определяемой
)max
ГОСТ, позволяет переходить от световой системы единиц к энергетической системе для излучения любой длины волны.
74
Тема 4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕЛ И СРЕД
Коэффициенты модификации. Полное внутреннее
отражение. Дисперсия. Формулы Френеля.
Оптические свойства бумаги. Поглощение света.
Закон Бугера–Ламберта. Двойное лучепреломление.
Электрооптический эффект Керра. Электрооптический
эффект Поккельса. Магнитооптический эффект
Фарадея. Магнитооптический эффект Керра.
Акустооптический эффект. Нелинейные оптические
эффекты.
4.1. Коэффициенты модификации
Поток оптического излучения без возмущения может распространяться только в вакууме. Процесс распространения потока
излучения в любой материальной среде неизбежно сопровождается
частичным его поглощением и рассеиванием в этой среде (рис. 4.1).
Пусть на поверхность слоя вещества падает поток излучения Ф
В результате взаимодействия его с веществом часть потока отразится –
Ф
, часть поглотится в слое Ф
отр
и часть пройдет через слой Фпр.
погл
пад
.
Рис. 4.1. Преобразование средой потока излучения
Из закона сохранения энергии следует, что сумма отраженного,
прошедшего и поглощенного потоков равна падающему:
Ф
пад
= Ф
отр
+ Ф
погл
+ Ф
пр
или
ФФ
Ф
отр пр
1
ФФФ
погл
пад пад пад
75
. [4.1]
4.1. Коэффициенты модификации
Отношение потока отраженного от слоя к падающему называется
коэффициентом отражения и обозначается буквой . Отношение по-
тока поглощенного слоем к падающему называется коэффициентом
поглощения и обозначается буквой Отношение прошедшего через
слой потока к падающему называется коэффициентом пропускания и
обозначается буквой.
В результате:
+ + = 1. [4.2]
Каждый из преобразованных слоем потоков излучения, следовательно, и соответствующих коэффициентов зависит от спектрального
состава падающего излучения, что связано с физико-химическими
свойствами данного вещества. В общем случае следует рассматривать
значения коэффициентов , , для монохроматического излучения с
длиной волны ± . Такие коэффициенты называются спектральны-
ми, обозначаются (), (), () и определяют спектральные свойства
материалов. Поскольку поток излучения любого спектрального состава
всегда можно представить как сумму большого числа монохроматических
составляющих с мощностями dW = W
d , где W – спектральная плот-
ность мощности, то отраженная, пропущенная и поглощенная мощности
для каждой длины волны могут быть представлены произведениями:
()dW = ()Wd, ()dW = ()Wd, ()dW = ()Wd [4.3]
В результате, проинтегрировав по выбранному спектральному диапазону эти выражения и отнеся их к интегралу падающей мощности
излучения, получим значения коэффициентов для соответствующего
спектрального диапазона. Если пределы интегрирования захватывают
весь оптический диапазон, то такие коэффициенты называют инте-
гральными оптическими коэффициентами. Если диапазон интегрирования распространяется на весь спектр источника – то интегральными
энергетическими коэффициентами. В том и другом случае расчет ведется
по формулам:
()eWd
Wd
,
Wd
,
()eWd
Wd
. [4.4]
()eWd
Практически не существует источников, излучающих во всем
оптическом диапазоне электромагнитного спектра, поэтому интегрирование обычно распространяется на излучаемый источником спектр.
Тогда эти коэффициенты называют интегральными, а индекс e у этих
коэффициентов опускают.
76
4.2. Направленные и диффузные процессы
Если в качестве падающего выступает световой поток, то выражения
для соответствующих световых коэффициентов (иногда их называют
визуальными) будут выглядеть следующим образом:
() ()
VWd
VWd
()
,
() ()
VWd
()
VWd
,
VWd
()
, [4.5]
() ()
VWd
где V( – функция относительной спектральной световой эффектив-
ности.
Существуют еще зональные коэффициенты, оценивающие преобразование падающего потока в трех зонах видимого спектра, условно
называемых:
красной (К) = 600–660 нм;
зеленой (З) = 500–570 нм;
синей (С) = 410–440 нм.
В этом случае коэффициенты обозначаются как: i, i, i, где i = К,
З, С. Зональные коэффициенты используются при оценке степени преобразования оптического излучения цветными средами (красками), используемыми при полиграфическом способе воспроизведения цвета.
Оптические интегральные, световые и зональные коэффициенты
совпадают друг с другом и со значениями для любых монохроматических излучений, когда среда обладает неизбирательными свойствами
по длинам волн, т. е. является нейтральной или нейтрально-серой в
случае, если речь идет о видимом диапазоне. Если характеристики
среды зависят от длины волны (окрашенные среды в случае видимого
диапазона), то значения разных типов коэффициентов не совпадают
и зависят от состава падающего излучения.
Некоторые примеры значений коэффициентов для различных
материалов:
Бумага 0,45 0,15 0,4
Мел 0,85 0,15 –
Черный бархат 0,002 0,998 –
Оконное стекло 0,08 0,02 0,9
4.2. Направленные и диффузные процессы
Различные материалы по-разному перераспределяют в пространстве
отраженный от их поверхности и прошедший через слой материала
световой поток.
77
4.2. Направленные и диффузные процессы
Рис. 4.2. Направленное отражение и пропускание
Если размеры неровностей поверхности значительно меньше длины
волны падающего света, то имеет место направленное (зеркальное) от-
ражение и направленное (прозрачные тела) пропускание. В направленных
процессах имеет место сохранение телесных углов пучков лучей 1 =
(рис. 4.2).
Яркость изображения источника света, видимого на зеркально
отражающей поверхности, связана с яркостью источника следующим
выражением: L
изобр
= L
ист
.
При направленном пропускании имеет место преломление пучка
лучей на границе двух сред.
Закон преломления или закон Снеллиуса:
n1 · sin 1 = n2 · sin 2, [4.6]
2
где n1 и n2 – коэффициенты или показатели преломления двух сред,
1 – угол падения,
2 – угол преломления.
Напомним, что коэффициент преломления среды (n) есть отношение скорости распространения света (с) в вакууме к скорости распространения света () в данной среде:
c
. [4.7]
n
Показатель преломления для воздуха принято с достаточной точностью считать равным 1. Для обычных типов прозрачных стекол его
значение варьируется от 1,5 до 1,75.
Диффузные процессы. Если размеры неоднородностей на поверхности тела соизмеримы с длиной волны падающего света, то имеет
место рассеянное (диффузное) отражение. Диффузное отражение может
происходить не только на поверхности, но и во всей толще слоя. При
рассеянном отражении световой поток, падающий в пределах небольшого телесного угла , отражается в пределах телесного угла 2.
78
4.2.1. Полное внутреннее отражение
Рис. 4.3. Диффузные отражение и пропускание
Если световой поток выходит из слоя диффузно рассеивающего ма-
териала, то имеет место рассеянное (диффузное) пропускание (рис. 4.3).
Если интенсивность диффузно рассеянного света постоянна в
пределах телесного угла 2, то имеет место равномерное диффузное
рассеяние.
В качестве диффузно рассеивающих материалов в оптике широко
применяются молочные стекла. Это стекла, в которых в массе стекла во
взвешенном состоянии находятся частицы «глушителя» – прозрачного
вещества с отличающимся от стекла коэффициентом преломления.
Коэффициенты отражения и пропускания при этом не должны зависеть от длины волны. Меняя размер, концентрацию и равномерность распределения частиц глушителя, можно менять рассеивающие
свойства. Разработана следующая группа молочных стекол для работы
на отражение (МС-14, МС-20) и для работы на пропускание (МС-12,
МС-13, МС-23).
4.2.1. Полное внутреннее отражение. Если пучок лучей пре-
терпевает преломление, проходя границу раздела двух сред, когда n2 n1,
то, следуя закону преломления, должно быть 1 2. При этом, следуя
принципу обратимости световых пучков, если рассмотреть прохождение
света наоборот – из среды с показателем n2 в среду с показателем n1,
то будут сохраняться те же самые углы с тем же самым соотношением
1 2.
Если продолжить мысленный эксперимент и начать увеличивать
угол «обратного» падения луча 2 до определенного его значения
пред
то угол 1 примет значение , т. е. не выйдет в среду с коэффициентом
n1. Такой процесс называется полным внутренним отражением (рис. 4.4).
Это происходит в случаях, когда луч света распространяется из
среды с более высоким показателем преломления в среду с меньшим
показателем преломления.
На принципах полного внутреннего отражения работает оптоволоконная техника, позволяющая транспортировать пучки света по
волокну с достаточно малыми значениями потерь мощности пучка.
79
,
4.2. Направленные и диффузные процессы
Рис. 4.4. К объяснению полного внутреннего отражения
Обычно оптоволокно представляет собой композицию из центральной жилы с малым показателем преломления, окруженную оболочкой
из материала с более высоким показателем (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Устройство оптоволокна
Полное внутреннее отражение электромагнитных волн объясняет
рефракцию радиоволн в ионосфере. Известно, что на высоте от 100 до
300 км существует ионосферный слой, от которого отражаются радиоволны с длиной волны 10 м, что обеспечивает возможность дальней
радиосвязи в этом диапазоне.
4.2.2. Дисперсия. Известно, что показатели преломления
сред для однородных излучений различных длин волн различны.
Зависимость показателя преломления от длины волны n = f() называется дисперсией. Величину дисперсии вещества характеризуют
скоростью изменения показателя преломления при изменении длины
волны:
dn
Dd
. [4.8]
На этом основан принцип построения спектральных приборов,
предназначенных для разложения на спектральные составляющие падающего сложного излучения. Для этих целей используют трехгранные
призмы или призменные композиции.
При этом для призмы вводится понятие угловой дисперсии D:
d
D
, [4.9]
d
характеризующей скорость изменения угла отклонения с изменением
длины волны. Угловая дисперсия зависит от преломляющего угла
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]