Виды отражения и пропускания

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 равен отношению светового потока 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:

1) направленное (зеркальное) отражение и пропускание (рис. 13).

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.

Яркость L_a = I_a /S₁cos a не будет зависеть от угла α, еслисила света по различным направлениям подчиняется закону косинуса:

I_a = I₀ cos a.

Тогда L_a = I₀/S₁ – 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;

3) направленно-рассеянное отражение (пропускание) (рис.15).

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 = ô L_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 = ô L_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/м²) или слишком велика (более 700 кд/м²). В зоне наилучшей видимости (яркость фона от 7 до 700 кд/м²) 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/м².

Формулу определения контраста объекта с фоном можно преобразовать, используя понятие пороговой разности яркости:

К = ô L_об – L_ф ô /L_ф = u DL_порог/L_ф = u К_порог,

где u – 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/м² к малым яркостям (доли кд/м²).

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) [8], 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.

Спектральные цвета удобно изображать в виде цветового круга (рис. 20). На нём цвета располагаются в общеизвестном порядке: красный (770…620 нм) – оранжевый (620…585 нм) – жёлтый (585…575 нм) – жёлто-зелёный (575…550 нм) – зелёный (550…510 нм) – голубой (510…480 нм) – синий (480…450 нм) – фиолетовый (450…380 нм). Перечисленные цвета являются «базовыми», причём первые четыре из них часто называют тёплыми, а остальные – холодными. Для того чтобы круг замкнулся, в промежуток между красным и фиолетовым добавлены так называемые пурпурные цвета – малиновый, вишнёвый, сиреневый и другие (они при разложении призмой не образуются).

Два цвета, расположенные напротив друг друга по диаметру цветового круга, называют дополнительными. При их оптическом смешении в равных пропорциях получится ахроматический (в частности, белый) свет.

Если смешивать в разных пропорциях любые два цветовых тона, можно получить любой другой цветовой тон, расположенный между ними на цветовом круге (правда, чистота цвета при этом падает).

Поскольку в спектре отсутствуют пурпурные цвета, их невозможно охарактеризовать цветовым тоном. По этой причине в качестве характеристики используют длину волны дополнительного цвета, добавляя к ней штрих, например 530'.

Глаз человека различает примерно 200 спектральных и чистых пурпурных цветов. Каждый из них при разбавлении белым даёт бесчисленное множество цветов, но мы можем различать ограниченное их число. Причём это число различно для разных длин волн: от четырёх – для жёлтого до 25 – для красного цвета.

Как правило, для получения любого цветового тона, используют сложение трёх цветов. Как показывают исследования, цвет любого излучения может быть получен смешением трех взаимно независимых разноцветных излучений (т.е. таких, которые не могут быть получены как результат смеси двух других), чаще всего, красного, зеленого и синего. При смешении красок результат зависит так же и от возникающих химических реакций. Поэтому в полиграфии в качестве базовых цветов обычно используют красный, жёлтый и синий.

При восприятии цвета человеком происходят процессы аналогичные оптическому смешению излучений. Сине-, красно- и зелёночувствительные колбочки сетчатки по-разному реагируют на излучения различной длины волны, т.е. имеют смещённые относительно друг друга кривые спектральной чувствительности (рис. 21).

Монохроматические излучения в начале видимой области вызывают раздражение только синечувствительных нейронов, вызывая ощущение синего цвета, аналогичные излучения в конце видимой области раздражают лишь красночувствительные колбочки. Большинство других монохроматических излучений вызывают раздражение рецепторов сразу двух или всех трёх типов, и восприятие цвета определяется сложением разных по мощности сигналов, поступающих от них. Если сигналы, поступающие от всех трёх типов нейронов одинаковы, возникает ощу­ще­ние белого или других ахроматических цветов вплоть до чёрного (светлота определяется мощностью излучения). Аналогичное явление происходит и при сплошных спектрах излучения. Чем больше перевес в раздражении центров одного или двух типов, тем сильнее ощущается цветовой тон, отличие его от ахроматического. Всё многообразие воспринимаемых человеком цветов определяется различными ком­би­на­ци­ями раздражений трёх групп колбочек.

Цвет можно задавать численно. Для этого его разлагают по координатам x, y, z. Количественное и качественное соответствие цвета и трех его компонентов определяется цветовым уравнением

Ц = x΄X+y΄Y+z΄Z,

где X, Y, Z – основные цвета системы, установленные МКО в 1931 г.;

x΄, y΄, z΄ – координаты цвета, определяющие количество единиц основного цвета в смеси.

Цветовое уравнение следует понимать следующим образом: для получения цвета Ц необходимо смешать базовые цвета X, Y, Z, взяв их в неодинаковых пропорциях – x΄ единиц цвета X, y΄ единиц цвета Y, z΄ единиц цвета Z. Координаты цвета можно задать в относительных единицах – x, y, z, называемых координатами цветности:

x = x΄/(x΄ + y΄ + z΄); y = y΄/(x΄ + y΄ + z΄); z = z΄/(x΄ + y΄ + z΄).

Так как сумма координат цветности равна единице, то для задания цвета достаточно знать всего две независимые координаты – x и y.

Для наглядной численной характеристики цвета служит цветовой график (рис. 22), образующий причудливую фигуру, называемую локусом.

Центр графика соответствует белому цвету. Линии, окаймляющие график, являются линиями спектральных цветов (с чистотой 100 %), для которых указаны длины волн в нанометрах. Вдоль линии чистых пурпурных цветов указаны значения дополнительных длин волн. На линиях, соединяющих белый цвет со спектральными, располагаются цвета, полученные смешением спектральных с белым. Внутри графика проведены кривые равной чистоты цвета (10, 20, 30 и далее до 100 %).

Каждому цвету на графике соответствует одна единственная точка, определяемая двумя его координатами цветности – x и y. Отложив на графике эти две координаты, можно получить точку, полностью характеризующую цветность: линия, соединяющая эту точку с центром, на линии спектральных цветов указывает цветовой тон, а внутренние линии – чистоту цвета.

На восприятии цвета сказывается наличие дневной и сумеречной кривых спектральной чувствительности. С уменьшением освещенности на зрительные ощущения все больше влияют палочки, перемещая максимум кривой в область более коротких волн (см. рис. 6). Это подтверждает явление, описанное чешским художником Пуркинье.

Если посмотреть на растущие маки при ярком солнечном свете, то бросаются в глаза яркие желто-оранжевые цветы, тогда как тёмная зелень почти незаметна. Посмотрев на то же растение в сумерках, мы увидим сочную зелень мака, тогда как его цветы покажутся бледными и невзрачными. Объяснением является то, что кривая спектральной чувствительности сместилась из области оранжевых волн в область зелёных.

Характерной особенностью зрения является наличие последовательного и одновременного цветового контраста.

Последовательный цветовой контраст заключается в следующем: если наблюдатель некоторое время смотрит на высвеченное на белом экране яркое зеленое пятно, которое затем гаснет, то он некоторое время будет видеть на месте зеленого пятна пурпурное (дополнительное для зелёного в цветовом круге).

Одновременный цветовой контраст заключается в способности глаза человека смешивать близ расположенные цветные объекты, создавая в восприятии наблюдателя новый цвет. Этим пользовались художники-пуантилисты (Ж. Сёра, П. Синьяк и др.), которые наносили краску на холст отдельными близко расположенными точками разного цвета, создавая иллюзию нового цвета.

Световые измерения (фотоме́трия)

Световые измерения могут осуществляться зрительными и физическими методами. В первом случае глаз человека исполняет роль своеобразного измерительного прибора, во втором – его функции берут на себя физические приборы: фотоэлементы, термопары и т.п.

Зрительная фотометрия основывается на способности глаз с достаточно высокой степенью точности оценивать равенство яркостей двух оптически смежных и близких по цветности полей сравнения. Такими полями чаще всего являются две смежные грани призмы, которая служит основой, так называемой фотометрической головки – сложной системы, отражающей и преломляющей световые лучи (рис. 23).

Фотометрическая головка – основная часть измерительного устройства фотометра. Другими частями являются эталонный (сила света которого I_ЭТ известна) и испытываемый источники света (ИС), а также конструктивные элементы, обеспечивающие их строгую ориентацию относительно головки и перемещение испытываемого ИС.

При проведении измерений наблюдатель перемещает испытываемый ИС вдоль оси, добиваясь равенства яркостей смежных граней призмы из диффузно рассеивающего материала. Когда ребро призмы для наблюдателя исчезнет, измеряется расстояние l _ИС и делается перерасчёт силы света, основанный на том, что равенству яркостей соответствует и равенство освещённостей Е граней: Е_ЭТ = Е_ИС.

Отсюда I_ЭТ/ l _ЭТ² = I_ИС/ l _ИС²,

и в итоге I_ИС = I_ЭТ l _ИС²/ l _ЭТ².

Основными преимуществами физической фотометрии являются:

- быстрота измерений;

- непосредственное получение значения измеряемой величины.

Для физических методов измерения необходим физический приёмник, кривая спектральной чувствительности которого была бы близка к аналогичной кривой глаза человека. Этому требованию наилучшим образом соответствует селеновый фотоэлемент, который и используется в большинстве фотометрических приборов. Достоинством его является и то, что он не требует внешнего источника питания.

Измерение освещённости. Необходимость в измерениях освещенности возникает на предприятиях (для оценки достаточности освещения рабочих мест), в помещениях общественных и административных зданий, на открытых пространствах, а также в лабораторной обстановке.

Для измерения освещенности применяется специальный фотометрический прибор – люксметр. Простейший фотоэлектрический люксметр представляет собой селеновый фотоэлемент, в цепь которого включен стрелочный гальванометр.

Измерение силы света производится при помощи фотометра, но часто функции глаза выполняет люксметр.

Измерение светового потока осуществляется при помощи шаровых фотометров. Этот прибор представляет собой полый шар диаметром 0,5…2,5 м, окрашенный изнутри белой диффузно отражающей краской. Шар выполняется разъёмным для того, чтобы можно было разместить внутри ИС, световой поток которого надлежит измерить. После включения ИС в сеть его световой поток многократно отражается внутри шара, и освещённость в нем выравнивается. Через небольшое окошечко люксметром замеряется освещённость внутри и сравнивается со значением освещённости, создаваемой эталонным ИС с известным световым потоком. После перерасчёта находится световой поток исследуемого источника.