Свет. Основные светотехнические величины и единицы

 

 

Рис. 5.1. Прямолинейное распространение света

 

Отражение света (О.с.) - явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой воздействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду. При этом, по крайней мере, первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучения. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О.с. от их поверхностей.

Пространственное распределение интенсивности отражённого света определяется отношением размеров неровностей поверхности (границы раздела) к длине волны l падающего излучения. Если неровности малы по сравнению с l, имеет место правильное, или зеркальное, О.с. Когда размеры неровностей соизмеримы с l или превышают её (шероховатые поверхности, матовые поверхности) и расположение неровностей беспорядочно, О.с. диффузно. Возможно также смешанное О.с., при котором часть падающего излучения отражается зеркально, а часть – диффузно. Если же неровности с размерами =l и более расположены регулярно, распределение отражённого света имеет особый характер, близкий к наблюдаемому при О.с. от дифракционной решётки. О.с. тесно связано с явлениями преломления света (при полной или неполной прозрачности отражающей среды) и поглощения света (при её неполной прозрачности или непрозрачности).

Зеркальное О.с. отличает определенная связь положений падающего и отражённого лучей:

1. Отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности.
2. Угол отражения i` равен углу падения i (см. рис. 5.2).

Интенсивность отражённого  света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от α и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 второй и первой сред (о преломлении света см. ниже).

 

 

Рис. 5.2. Зеркальное отражение света: N – нормаль к отражающей поверхности

(границе раздела); i – угол падения; i` –угол отражения (i = i`).

 

Диффузное О.с. – его рассеивание неровной поверхностью второй среды по всем возможным направлениям. Пространственное распределение отражённого потока излучения и его интенсивность различны в разных конкретных случаях и определяются соотношением между l и размерами неровностей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, свойствами отражающей среды. Диффузное О.с. наблюдается также от сред, внутренняя структура которых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в первую среду. И поглощение, и рассеяние света во второй среде могут сильно зависеть от l. Результатом этого является изменение спектрального состава диффузно отражённого света, что (при освещении белым светом) визуально воспринимается как окраска тел.

Преломление света. На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света.

Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров. В этом нас могут убедить простые наблюдения. Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Установим наклонно карандаш в сосуде с водой. Если посмотреть на сосуд сбоку, то можно заметить, что часть карандаша, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону (см. рис. 5.3).

 

 

Рис. 5.3. Иллюстрация к явлению преломления света

 

Падающий, отраженный и преломленный лучи нетрудно наблюдать, сделав узкий световой пучок видимым. Ход такого пучка в воздухе можно проследить, если пустить в воздух немного дыма или же поставить экран под небольшим углом к лучу. Преломленный пучок также виден в подкрашенной флюоресцентом воде аквариума (см. рис. 5.4).

 

 

Рис. 5.4. Отражение и преломление падающего луча

 

Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред – преломлением света.

Закон преломления света  определяет взаимное расположение падающего  луча АВ (см. рис. 5.5), преломленного луча DB и перпендикуляра СЕ к поверхности раздела сред, восставленного в точке падения. Угол a называется углом падения, а угол b – углом преломления.

 

 

Рис. 5.5. Закон преломления света

 

Закон преломления звучит так:

1. Луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к поверхности раздела лежат в одной плоскости.
2. Угол падения и угол преломления связаны соотношением

                                                                                                                                  (5.1)

 

где n – постоянная величина, не зависящая от угла падания и определяющаяся оптическими свойствами среды.

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду. Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т.е. от температуры вещества его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового. Например, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно п₁»1,000292.

Значения показателей преломления для некоторых веществ относительно воздуха приведены в табл. 5.1 (данные относятся к желтому свету).

 

 

Значения показателей преломления веществ относительно воздуха

Таблица 5.1

Вещество	Показатель преломления  относительно воздуха
Вода (при 20°С)   Кедровое масло (при 20°С)    Сероуглерод (при 20°С)   Лед   Каменная соль   Кварц   Рубин   Алмаз   Различные сорта стекла	1.33 1,52 1,63 1,31 1,54 1.54 1,76 2,42 От 1,47 до 2.04

 

Ход лучей в треугольной  призме. Закон преломления света позволяет рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например в треугольной призме, изготовленной из стекла или других прозрачных материалов.

 

 

Рис. 5.6. Ход лучей в треугольной призме

 

На рисунке 5.6 изображено сечение стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях ОА и 0В. Угол j между этими гранями называют преломляющим углом призмы. Угол q отклонения луча зависит от преломляющего угла призмы j, показателя преломления п материала призмы и угла падения a. Он может быть вычислен с помощью закона преломления.

 

 

 

 

5.2. Светотехнические  величины

Количественные показатели:

1. Лучистая энергия (Дж).
2. Лучистый поток (Вт, количество энергии/t).
3. Световой поток (F, люмен (лм)).
4. Освещённость (поверхностная плотность светового потока, E=F/S, люкс (лк)).
5. Сила света (пространственная плотность светового потока, I=F/W, кандела (кд), W – телесный, или пространственный угол (стерадиан)).
6. Яркость (B=I/S×cos , кд/м² , нит).
7. Коэффициент отражения.

Качественные показатели:

1. Коэффициент пульсации.
2. Показатель ослеплённости и показатель дискомфорта.
3. Спектральный состав света.

Также для оценки условий зрительной работы используются такие характеристики, как:

4. Фон.
5. Контраст объекта с фоном.
6. Видимость объекта.

Сила света источника (I). Это количественная величина потока излучения, приходящегося на единицу телесного угла (Ω) предела его распространения. Иными словами это количество света (в люменах), приходящееся на 1 стерадиан. Стерадиан (ср (кириллицей),  sr) – единица измерения (в системе СИ) телесного угла. Единицей силы света является кандела (кд), от от лат. candela — свеча, ранее определяемая как сила света, испускаемая с поверхности абсолютно чёрного тела площадью 1/600000 м², нагретого до температуры затвердевания платины (2046,65°К) и при давлении 101 325 Па. Современное определение: сила света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540×1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому. До 1970 г. называлась свечой, так как сила света, излучаемая свечой, примерно равна одной канделе.

Телесный угол – часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность (которая называется поверхностью, стягивающей данный телесный угол). Частными случаями телесного угла являются трёхгранные и многогранные углы. Границей телесного угла является некоторая коническая поверхность.

Телесный угол измеряется отношением площади той части сферы с  центром в вершине угла, которая  вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы:

                                                                                                                                                        (5.2)

 

 

Рис. 5.7. Телесный (пространственный) угол, стерадиан

 

Очевидно, телесные углы измеряются отвлечёнными (безразмерными) величинами. Как уже сказано выше, единицей измерения телесного угла является стерадиан, равный телесному углу, вырезающему из сферы радиуса r поверхность с площадью r². Полная сфера образует телесный угол, равный 4π стерадиан (полный телесный угол). Кроме стерадианов, телесный угол может измеряться в квадратных градусах, квадратных минутах и квадратных секундах, а также в долях полного телесного угла.

 

Коэффициенты пересчёта единиц телесного угла

Таблица 5.2

	Стерадиан	Кв. градус	Кв. минута	Кв. секунда	Полный угол
1 стерадиан =	1	(180/π)² ≈  ≈ 3282,806   кв. градусов	(180×60/π)² ≈  ≈ 1,1818103×107 кв. минут	(180×60×60/π)² ≈  ≈ 4,254517×1010   кв. секунд	1/4π ≈  ≈ 0,07957747 полного угла
1 кв. градус =	(π/180)² ≈  ≈ 3,0461742×10−4 стерадиан	1	60² =  = 3600 кв. минут	(60×60)² =  = 12 960 000 кв. секунд	π/(2×180)² ≈  ≈ 2,424068×10−5 полного угла
1 кв. минута =	(π/(180×60))² ≈  ≈ 8,461595×10−8 стерадиан	1/60² ≈  ≈ 2,7777778×10−4 кв. градусов	1	60² =  = 3600 кв. секунд	π/(2×180×60)² ≈  ≈ 6,73352335×10−9 полного угла
1 кв. секунда =	(π/(180×60×60))² ≈  ≈ 2,35044305×10−11 стерадиан	1/(60×60)² ≈  ≈ 7,71604938×10−8 кв. градусов	1/60² ≈  ≈ 2,7777778×10−4 кв. минут	1	π/(2×180×60×60)² ≈  ≈ 1,87042315×10−12 полного угла
Полный угол =	4π ≈  ≈ 12,5663706 стерадиан	(2×180)²/π ≈  ≈ 41252,96125   кв. градусов	(2×180×60)²/π ≈  ≈ 1,48511066×108 кв. минут	(2×180×60×60)²/π ≈  ≈ 5,34638378×1011 кв. секунд	1

 

Телесный угол нужно выбирать таким образом, чтобы ограничиваемый им поток можно было бы считать наиболее равномерным. Тогда единица телесного угла в этом направлении от источника будет содержать силу света численно равную световому потоку I:

                                                                                                                                 (5.3)

 

Если световой поток Ф испускается точечным источником равномерно по  
 
всем направлениям, то                есть истинная сила света точечного источника  
 
по любому направлению.