1. Световой поток
Световой поток - мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучистую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, излучающейся в единицу времени называется потоком излучения или лучистым потоком. Измеряется поток излучения в ваттах. Световой поток обозначается Фе.
где: Qе - энергия излучения.
Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.
В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения во времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, дающую изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, излучаемых источником в единицу времени, очень велико.
По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейчатым, полосатым и сплошным спектрами. Поток излучения источника с линейчатым спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:
где: Фλ - монохроматический поток излучения; Фе - поток излучения.
У источников с полосатым спектром, излучение происходит в пределах достаточно широких участков спектра - полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосатым спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения
где: λ - длина волны.
Спектральная плотность потока излучения - это характеристика распределения лучистого потока по спектру и равняется отношению элементарного потока ΔФeλ соответствующего бесконечно малому участку, к ширине этого участка:
Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.
В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия потока излучения, вводится понятие светового потока. Световой поток
- это поток излучения, оценивающийся его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО.
В светотехнике используется и такое определение светового потока: световой поток - это мощность световой энергии. Единица светового потока - люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.
Таблица 1. Типичные световые величины источников света:
| Типы ламп | Электрическая энергия, Вт | Световой поток, лм | Световая отдача лм/вт |
| 100 Вт | 1360 лм | 13,6 лм/Вт | |
| Люминесцентная лампа | 58 Вт | 5400 лм | 93 лм/Вт |
| Натриевая лампа высокого давления | 100 Вт | 10000 лм | 100 лм/Вт |
| Натриевая лампа низкого давления | 180 Вт | 33000 лм | 183 лм/Вт |
| Ртутная лампа высокого давления | 1000 Вт | 58000 лм | 58 лм/Вт |
| Металлогалогенная лампа | 2000 Вт | 190000 лм | 95 лм/Вт |
Световой поток Ф, падая на тело, распределяется на три составные части: отраженную телом Фρ , поглощенную Фα и пропущенную Фτ . При используют коэффициенты: отражения ρ = Фρ /Ф; поглощения α =Фα /Ф; пропускания τ =Фτ /Ф.
Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей
| Материалы или поверхности | Коэффициенты | Характер отражения и пропускания | ||
| отражения ρ | поглащения α | пропускания τ | ||
| Мел | 0,85 | 0,15 | - | Диффузное |
| Эмаль силикатная | 0,8 | 0,2 | - | Диффузное |
| Алюминий зеркальный | 0,85 | 0,15 | - | Направленное |
| Зеркало стеклянное | 0,8 | 0,2 | - | Направленное |
| Стекло матированное | 0,1 | 0,5 | 0,4 | Направленно-рассеянное |
| Стекло молочное органическое | 0,22 | 0,15 | 0,63 | Направленно-рассеянное |
| Стекло опаловое силикатное | 0,3 | 0,1 | 0,6 | Диффузное |
| Стекло молочное силикатное | 0,45 | 0,15 | 0,4 | Диффузное |
2. Сила света
Распределение излучения реального источника в окружающем пространстве не равномерно. Поэтому световой поток не будет исчерпывающей характеристикой источника, если одновременно не определяется распределение излучения по разным направлениям окружающего пространства.
Для характеристики распределения светового потока пользуются понятием пространственной плотности светового потока в разных направлениях окружающего пространства. Пространственную плотность светового потока, определяющуюся отношением светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника, в пределах которого равномерно распределен этот поток, называют силой света:
где: Ф - световой поток; ω - телесный угол.
Единицей силы света является кандела. 1 кд.
Это сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела, площадью 1:600000 м2 при температуре затвердевания платины.
Единица силы света - кандела, кд является одной из основных величин в системе СИ и соответствует световому потоку 1 лм, равномерно распределенному внутри телесного угла 1 стерадиан (ср.). Телесный угол - часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Телесный угол
ω
измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего.
3. Освещенность
Освещенность - это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Она обозначается буквой Е и измеряется в люксах (лк).
Единица освещенности люкс, лк имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м2).
Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:
Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.
Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:
Лето, день под безоблачным небом - 100 000 люкс
Уличное освещение - 5-30 люкс
Полная луна в ясную ночь - 0,25 люкс
4. Отношение между силой света (I) и освещенностью (Е).
Закон обратных квадратов
Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:
Для примера: если источник света излучает свет силой 1200 кд в направлении, перпендикулярном к поверхности, на расстоянии 3-х метров от этой поверхности, то освещенность (Ер) в точке, где свет достигает поверхности, будет 1200/32 = 133 лк. Если поверхность находится на расстоянии 6м от источника света, освещенность будет 1200/62= 33 лк. Это отношение называется "закон обратных квадратов"
.
Освещенность в определенной точке на поверхности, не перпендикулярной направлению распространения света, равняется силе света в направлении точки измерения, разделенной на квадрат расстояния между источником света и точкой на плоскости умноженной на косинус угла γ (γ - угол, образованный направлением падения света и перпендикуляром к этой плоскости).
Следовательно:
Это закон косинуса (рисунок 1.).
Рис. 1. К закону косинуса
Для расчета горизонтальной освещенности целесообразно изменить последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света к поверхности.
На рисунке 2:
Тогда:
Получаем:
По данной формуле рассчитывается горизонтальная освещенность в точке измерения.
Рис. 2. Горизонтальная освещенность
6. Вертикальная освещенность
Освещение той же точки Р в вертикальной плоскости, ориентированной к источнику света, можно представить как функцию высоты (h) источника света и угла падения (γ) силы света (I) (рисунок 3).
светимостью :
Для поверхностей конечных размеров:
Светимость - это плотность светового потока, испускаемого светящейся поверхностью. Единицей светимости служит люмен на метр квадратный светящейся поверхности, что отвечает поверхности площадью 1 м2, которая равномерно излучает световой поток 1 лм. В случае общего излучения вводится понятие энергетической светимости излучающего тела (Me).
Единица энергетической светимости - Вт/м2.
Светимость в этом случае можно выразить через спектральную плотность энергетической светимости излучающего тела Meλ(λ)
Для сравнительной оценки приводим энергетические светимости к светимости некоторых поверхностей:
Поверхность солнца - Ме=6 107 Вт/м2;
Нить лампы накаливания - Ме=2 105 Вт/м2;
Поверхность солнца в зените - М=3,1 109 лм/м2;
Колба люминесцентной лампы - М=22 103 лм/м2.
Это сила света, излучаемая единицей площади поверхности в определенном направлении. Единица измерения яркости - кандела на метр квадратный (кд/м2).
Поверхность сама по себе может излучать свет, как поверхность лампы, или отражать свет, который поступает из другого источника, например поверхность дороги.
Поверхности с разными свойствами отражения при одинаковой освещенности будут иметь разную степень яркости.
Яркость, излучаемая поверхностью dA под углом Ф к проекции этой поверхности, равняется отношению силы света, излучаемого в данном направлении, к проекции излучающей поверхности (рис. 4).
Рис. 4. Яркость
Как сила света, так и проекция излучающей поверхности, не зависят от расстояния. Следовательно, яркость также не зависит от расстояния.
Несколько практических примеров:
Яркость поверхности солнца - 2000000000 кд/м2
Яркость люминесцентных ламп - от 5000 до 15000 кд/м2
Яркость поверхности полной луны - 2500 кд/м2
Искусственное освещение дорог - 30 люкс 2 кд/м2
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Подобные документы
Установки электрического освещения в помещениях. Принцип действия и недостатки источников света. Ламы накаливания, люминесцентные лампы низкого и высокого давления, галогенные лампы, светодиодные лампы. Обслуживание осветительных электроустановок.
курсовая работа , добавлен 03.01.2013
Классификация и основные параметры электрических источников света. Лампы накаливания. Люминесцентные лампы низкого и высокого давления. Схемы питания люминесцентных ламп. Основные светотехнические величины. Техника безопасности.
курсовая работа , добавлен 21.09.2006
Путь развития искусственного освещения. Проектирование англичанином Деларю первой лампы накаливания (с платиновой спиралью). Г. Гебель - изобретатель электрической лампы накаливания. Томас Эдисон - запатентовал лампу накаливания с угольной нитью.
презентация , добавлен 12.08.2012
Стандарты измерения интенсивности света. Основные единицы измерения интенсивности света. Телесный угол, световой поток, освещенность в точке поверхности. Вторичная яркость. Основные показатели светимости. Световая энергия. Сущность фотометрического тела.
презентация , добавлен 26.10.2013
Устройство фотометрической головки. Световой поток и мощность источника света. Определение силы света, яркости. Принцип фотометрии. Сравнение освещенности двух поверхностей, создаваемой исследуемыми источниками света.
лабораторная работа , добавлен 07.03.2007
Система электрического освещения – массовый потребитель электрической энергии. Возможность применения электрической дуги для освещения. Первые лампы накаливания: конструкции с нитью накаливания из различных материалов. Сравнение эффективности ламп.
презентация , добавлен 21.11.2011
Исследование основных первичных источников света. Типичные источники излучения. Прямой солнечный свет. Виды ламп накаливания общего и специального назначения. Сущность и основные показатели световой отдачи. Излучение черного тела. Лампы с отражателем.
презентация , добавлен 26.10.2013
Проектирование системы офисного помещения с помощью программного пакета DIALux. Расчет освещения комнаты, его особенности. Мощность светильников, их классификация. План расположения светильников. Общий световой поток. Удельная подсоединенная мощность.
курсовая работа , добавлен 24.05.2014
К световым свойствам материалов относят свойство тел отражать, поглощать и пропускать падающий на них световой поток, изменять спектральный состав падающего на них светового потока при его отражении или пропускании.
Все окружающие нас тела подразделяются на прозрачные и непрозрачные. Прозрачными называют тела и предметы, через которые проходит большая часть световых лучей, например: стекло, воздух, вода. Непрозрачными называют такие тела и предметы, которые не пропускают видимого света. Такие тела отражают и поглощают весь падающий световой поток. Есть тела, которые занимают промежуточное место в этой классификации. Они пропускают свет, но ясно видеть предметы через них нельзя. Такие тела называют просвечивающимися. К ним относятся, например, матовое и молочное стекла, промасленная бумага и др.
Падающий на тело световой поток в общем случае распределяется на три части. Часть светового потока проходит через тело, часть поглощается, а остальная часть отражается. Общее поглощение светового потока характеризуется коэффициентом поглощения, который равен отношению поглощенного телом или средой светового потока к падающему световому потоку на это тело или среду. Коэффициент поглощения реальных тел всегда меньше единицы; только лишь идеально поглощающее тело (так называемое абсолютно черное тело) будет иметь коэффициент поглощения, равный единице.
Способность тела отражать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного и падающего световых потоков. Различают следующие виды отражения
1. Направленное, или зеркальное, отражение получается от хорошо обработанных полированных поверхностей. Направленное отражение характеризуется тем, что телесный угол, в котором заключены падающий и отраженный световой потоки, сохраняется одним и тем же.
2. Направленно-рассеянным отражением называется такое рассеянное отражение при котором телесный угол, в котором концентрируется отраженный поток, больше телесного угла падающего потока. При этом направление оси телесного угла отраженного потока соответствует закону зеркального отражения. Материалы, обладающие таким отражением, называются полуматовыми; такое отражение свойственно неполированному металлу.
3. Полное рассеянное (диффузное) отражение получается от тел, обладающих способностью отражать свет во все стороны (телесный угол отраженного потока 2π), независимо от направления падающего на него светового потока. Такие тела (поверхности) называют диффузными и при наблюдении кажутся одинаково яркими со всех направлений. Примером таких поверхностей служат матовые отражающие поверхности, молочные, рассеивающие стекла.
4. Смешанное отражение характеризуется наличием направленного и рассеянного отражения одновременно.
При посадке самолета на освещенную полосу пилот видит поверхность полосы благодаря отраженному от нее световому потоку. Способность покрытий отражать свет оценивается коэффициентом яркости . Этот коэффициент равен отношению истинной яркости в заданном направлении к яркости совершенно рассеивающей поверхности в случае, когда на указанные поверхности падает один и тот же световой поток. Максимальные значения коэффициентов яркости сухих покровов при наблюдении по направлению падающих лучей получаются в 2-3 раза больше, чем в противоположном направлении. Коэффициент яркости тем больше, чем светлее полоса и чем больше ее шероховатость. Значения коэффициента яркости для мокрых покровов будет больше в направлении обратном направлению падения света. В этом случае появляется большая составляющая зеркального отражения. Чем меньше угол падения световых лучей к поверхности покровов, тем больше коэффициент яркости, причем с уменьшением углов падения света к поверхности покровов значение коэффициента яркости резко возрастает.
Прохождение света через прозрачное тело (среду), по аналогии с рассеиванием, характеризуется четырьмя возможными видами пропускания, представленными на рис.2.5
Отношение светового потока F τ , прошедшего через тело или среду, к падающему световому потоку F на это тело или среду называется коэффициентом пропускания (τ):
τ = 
где: 𝝀 1 , 𝝀 2 соответственно минимальная и максимальная длина волны падающего светового потока;
Спектральный коэффициент пропускания, который представляет собой относительную величину пропускания какой-либо среды для монохроматического потока с длиной волны 𝝀.
Для различных длин волн коэффициенты пропускания и, аналогично, отражения в общем случае неодинаковы. Белые поверхности и бесцветные прозрачные среды обладают способностью отражать или пропускать падающие на них излучения одинаково для всех длин волн. В тоже время существуют поверхности и тела, которые по-разному отражают или пропускают различные волны, такие тела называют цветными. Если на это тело падает белый свет, то отраженный или прошедший через него свет будет не белый, а цветной. Такие материалы или среды характеризуются спектральными кривыми пропускания или отражения.
Среди таких материалов широкое распространение в авиации получили светофильтры, которые обычно представляют собой пластинки или соответствующие колпаки, изготовленные из цветного стекла. Характеристики светофильтра обязательно рассматриваются совместно со спектральной характеристикой источника света. Светофильтр выделяет ту часть спектра излучения, которая лежит в полосе пропускания фильтра. На рис.2.6 в качестве примера приведен расчет светового потока после прохождения фильтра.
На рисунке показаны: кривая 1 представляет излучение источника света в зависимости от длины волны; кривая 2- спектральное пропускание светофильтра. Кривая 3- световой поток источника, воспринимаемый глазом, она построена путем умножения кривой 1 на кривую относительной видности. Светофильтр будет пропускать только часть светового потока кривой 3 в соответствии со своей характеристикой 2. Этой части будет соответствовать кривая 4, которая получена умножением кривой 3 на кривую 2. Штриховка области ограниченной кривой 4 соответствует световому потоку, прошедшему через фильтр.
Пороговая освещенность
Световой сигнал создает определенную освещенность на зрачке наблюдателя. Минимальная величина освещенности, ниже которой человеческий глаз не реагирует на свет, называется пороговой освещенностью. Пороговая освещенность зависит от цвета излучения сигнала, яркости фона, на котором наблюдается сигнал, индивидуальных особенностей глаза наблюдателя. Величина пороговой освещенности даже у одного и того же наблюдателя различается в зависимости от его психологического состояния, времени в течение которого наблюдается сигнал и других причин. Для исключения разброса характеристик зрения отдельных наблюдателей вводится коэффициент запаса. К факторам влияющим на выбор коэффициента запаса относят также:
а) неизвестность направления, в котором следует наблюдать сигналы;
б) наблюдение сигналов через стекла машин;
в) шум двигателей, вибрация, кислородное голодание и другие причины.
Очень сильное влияние на величину пороговой освещенности оказывает яркость фона на котором регистрируется световой сигнал. Наименьшая пороговая освещенность получается при наблюдении светового сигнала на совершенно темном фоне, соответствующим яркости порядка 10 -6 нит. Эта величина носит название абсолютного порога. Освещенность зрачка при этом 0,85 лк, с учетом коэффициента запаса расчетная пороговая освещенность – 8,5 лк. По мере увеличения яркости фона величина пороговой освещенности увеличивается, а дальность видимости сигналов уменьшается.
Расчет дальности видимости световых сигналов ведется для наиболее неблагоприятных условий. К такому случаю относят наблюдение в ясную лунную ночь на фоне снежного покрова. Яркость фона в этом случае составит 5 нт, освещенность - 5 лк. Расчетная пороговая освещенность для яркости фона 5 нт составляет 2 лк, т.е. имеет коэффициент запаса равный четырем.
Различают световой и цветовой пороги освещенности. Цветовой порог это минимальная освещенность глаза при котором он уверенно начинает воспринимать цвет сигнала. Под световым порогом цветного источника света понимается та минимальная освещенность на глазу наблюдателя, при которой только начинается наблюдаться световой сигнал без различия цвета сигнала. Уровень освещенности для цветового порога заметно выше чем для светового. Минимальным цветовым порогом обладает красный цвет, что явилось одной из причин применения красных светофильтров в заградительных огнях, обозначающих летные препятствия.
На рис. 2.7 показаны зависимости пороговых освещенностей (Е пор) от яркости фона (L ф): 1-абсолютный световой порог; 2- расчетный световой порог; 3- расчетный порог для красного огня; 4 -расчетный порог для зеленого огня; 5- расчетный порог для желтого огня. На рисунке также указаны яркости фона для различных состояний окружающего покрова.
С точки зрения гигиены труда основной светотехнической характеристикой является освещенность (Е), которая представляет собой распределение светового потока (Ф) на поверхности площадью (S) и может быть выражена формулой
освещение ночной искусственный световой
Световой поток (Ф) - мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею зрительному ощущению. Измеряется в люменах (лм).
В физиологии зрительного восприятия важное значение придается не падающему потоку, а уровню яркости освещаемых объектов, которая отражается от освещаемой поверхности в направлении глаза. Зрительное восприятие определяется не освещенностью, а яркостью, под которой понимают характеристику светящихся тел, равную отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению. Яркость измеряется в нитах (нт). Яркость освещенных поверхностей зависит от их световых свойств, степени освещенности и угла, под которым поверхность рассматривается.
Сила света - световой поток, распространяющийся внутри телесного угла, равного 1 стерадианту. Единица силы света - кандела (кд).
Световой поток, падающий на поверхность, частично отражается, поглощается или пропускается сквозь освещаемое тело. Поэтому световые свойства освещаемой поверхности характеризуются также следующими коэффициентами:
- 1) коэффициент отражения - отношение отраженного телом светового потока к падающему;
- 2) коэффициент пропускания - отношение светового потока, прошедшего через среду, к падающему;
- 3) коэффициент поглощения - отношение поглощенного телом светового потока к падающему.
Необходимые уровни освещенности нормируются в соответствии со СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение" в зависимости от точности выполняемых производственных операций, световых свойств рабочей поверхности и рассматриваемой детали, системы освещения".
К гигиеническим требованиям, отражающим качество производственного освещения, относятся:
- 1) равномерное распределение яркостей в поле зрения и ограничение теней;
- 2) ограничение прямой и отраженной блесткости;
- 3) ограничение или устранение колебаний светового потока.
Равномерное распределение яркости в поле зрения имеет важное значение для поддержания работоспособности человека. Если в поле зрения постоянно находятся поверхности, значительно отличающиеся по яркости (освещенности), то при переводе взгляда с ярко - на слабоосвещенную поверхность глаз вынужден переадаптироваться. Частая переадаптация ведет к развитию утомления зрения и затрудняет выполнение производственных операций.
Степень неравномерности определяется коэффициентом неравномерности - отношением максимальной освещенности к минимальной. Чем выше точность работ, тем меньше должен быть коэффициент неравномерности.
Чрезмерная слепящая яркость (блесткость) - свойство светящихся поверхностей с повышенной яркостью нарушать условия комфортного зрения, ухудшать контрастную чувствительность или оказывать одновременно оба эти действия.
Светильники - источники света, заключенные в арматуру, - предназначены для правильного распределения светового потока и защиты глаз от чрезмерной яркости источника света. Арматура защищает источник света от механических повреждений, а также дыма, пыли, копоти, влаги, обеспечивает крепление и подключение к источнику питания.
По светораспределению светильники подразделяются на светильники прямого, рассеянного и отраженного света. Светильники прямого света более 80% светового потока направляют в нижнюю полусферу за счет внутренней отражающей эмалевой поверхности. Светильники рассеянного света излучают световой поток в обе полусферы: одни - 40-60% светового потока вниз, другие - 60-80% вверх. Светильники отраженного света более 80% светового потока направляют вверх на потолок, а отражаемый от него свет направляется вниз в рабочую зону.
Для защиты глаз от блесткости светящейся поверхности ламп служит защитный угол светильника - угол, образованный горизонталью от поверхности лампы (края светящейся нити) и линией, проходящей через край арматуры.
Светильники для люминисцентных ламп в основном имеют прямое светораспределение. Мерой защиты от прямой блесткости служат защитный угол, экранирующие решетки, рассеиватели из прозрачной пластмассы или стекла.
С помощью соответствующего размещения светильников в объеме рабочего помещения создается система освещения. Общее освещение может быть равномерным или локализованным. Общее размещение светильников (в прямоугольном или шахматном порядке) для создания рациональной освещенности производят при выполнении однотипных работ по всему помещению, при большой плотности рабочих мест. Общее локализованное освещение предусматривается для обеспечения на ряде рабочих мест освещенности в заданной плоскости (термическая печь, кузнечный молот и др.), когда около каждого из них устанавливается дополнительный светильник (например, кососвет), а также при выполнении на участках цеха различных по характеру работ или при наличии затеняющего оборудования.
Местное освещение предназначено для освещения рабочей поверхности и может быть стационарным и переносным, для него чаще применяются лампы накаливания, так как люминисцентные лампы могут вызвать стробоскопический эффект.
Аварийное освещение устраивается в производственных помещениях и на открытой территории для временного продолжения работ в случае аварийного отключения рабочего освещения (общей сети). Оно должно обеспечивать не менее 5% освещенности от нормируемой при системе общего освещения.
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 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:
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.
ЯркостьL a = I a /S 1 cos a не будет зависеть от углаα, еслисила света по различным направлениям подчиняется закону косинуса:
I a = I 0 cos a .
ТогдаL a = I 0 /S 1 – 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;
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 = ôL 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 = ôL 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/м 2) или слишком велика (более 700 кд/м 2). В зоне наилучшей видимости (яркость фона от 7 до 700 кд/м 2) 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/м 2 .
Формулу определения контраста объекта с фоном можно преобразовать, используя понятие пороговой разности яркости:
К = ôL об – L ф ô/L ф = u DL порог /L ф = u К порог ,
гдеu – 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/м 2 к малым яркостям (доли кд/м 2).
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) , 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.