Лекції зі "Світлотехніки"

Орган зору людини складається  з приймача енергії випромінювання-очі, зорових центрів, розташованих в потиличних частках кори головного мозку, і нервових волокон, що з'єднують ці центри з оком.

Око є дуже складним та досконалим приймачем, здатним працювати  в різних умовах освітлення сітчастої  оболонки (освітленість – щільність світлового потоку по освітлюваної поверхні). Око (рис. 1.5) являє собою порожнє тіло, заповнене прозорим для видимих випромінювань речовиною, яка називається склоподібним тілом. Скловидне тіло укладено в прозору оболонку. До склоподібному тілу безпосередньо примикає сітчаста оболонка (сітківка) 3, що складається з нервових клітин і нервових волокон, що з'єднують нервові клітини між собою. В даний час у сітчастій оболонці розрізняють десять шарів, кожен з яких має різну будову. Товщина сітчастої оболонки близько 0,2 мм. У цій оболонці розташовані приймачі енергії випромінювання. Ці приймачі діляться на два види, які називають колбочками і паличками.

Колбочка – світлочутливий приймач, в зовнішньому членику якого знаходиться речовина – іодопсін, розкладається при поглинанні потоку випромінювання. Колбочки зосереджені в центральній області сітківки. Центральною областю сітківки називається частина її, прилегла до місця перетину зорової осі з сітківкою. У цій області сітчастої оболонки ока розміщується жовта пляма 8, в середині якого є поглиблення, зване центральної ямкою. У межах жовтої плями розташовані переважно колбочки, в центральній ямці – лише колбочки, причому кожна з них може з'єднуватися з корою головного мозку окремим зоровим волокном. Концентрація колб у центральній ямці приблизно 200 000 на 1 мм ².

Колбочковая апарат працює при яскравості предметів, що оточують очей, від 10 кд-м -2 і вище, що відповідає денним умов освітлення, тому колбочковая зір називають денним. Колбочковая апарат ока має здатність розрізняти кольори.

Палички - світлочутливий приймач, в зовнішньому членику  якого знаходиться особлива речовина - родопсин, розкладається під дією поглиненого потоку випромінювання. Палички розташовані в сітківці нерівномірно. Кількість паличок, що припадають на одиницю поверхні сітківки, зростає в міру віддалення від центральної частини до периферії і досягає максимуму (близько 200 000 на 1 мм 2) у зоні 10-13 ° від центру. Палички з'єднуються з корою головного мозку нервовими волокнами, причому до кожного нервового волокна приєднується до декількох десятків паличок.

Всього сітчаста оболонка ока містить приблизно 7 • 10⁶ колб і 130 –10⁶ паличок. Палички і колбочки з'єднуються з потиличною долями кори головного мозку за допомогою зорового нерва, що складається з 400 000-800 000 зорових волокон.

Паличковий  апарат ока має більш високу чутливість, ніж колбочковая, і працює при малих яскравості навколишнього простору. Невеликі яскравості оточуючого очей простору, при яких працюють лише палички, відповідають нічним умовам (яскравість навколишнього очей простору 0,01 кд*м^-2 без штучного освітлення. Тому зір, при якому працює тільки паличковий апарат, називається нічним. Відомо, що при нічному зір кольору не розрізняються. Це говорить про те, що паличковий апарат не має здатність сприймати кольори.

Якщо яскравість задовольняє нерівності 0,01< <10кд*м^-2, то працюють спільно колбочковая і паличковий апарати очі. У природі такі умови існують в перехідний період, званий сутінками. Зір, при якому працюють обидва апарати очі, називається сутінковим.

По внутрішній стороні  сітчастої оболонки розташовується пігментний шар, що складається з  темних рухливих пігментних клітин, які  при підвищенні освітленості сітківки, рухаючись назустріч падаючому потоку, прикривають палички і колбочки від яскравого світла, захищаючи їх. При досягненні певного рівня освітленості сітківки пігментні клітини повністю ізолюють палички від дії світла і закривають більшу частину поверхні колб.

Чим більше освітленість сітківки, тим швидше розкладається світлочутливий речовина (родопсин і іодоп-син), що міститься в паличках і колбах, чим більше поверхня зіткнення світлочутливого речовини з пігментними клітинами, тим швидше йде відновлення світлочутливого речовини. Ці два, процесу відбуваються безперервно під час роботи очі.

Потік випромінювання, поглинений світлочутливим речовиною паличок  і колбочок, викликає фотохімічну  реакцію, в процесі якої розкладаються  іодопсін і родопсин. У результаті фотохімічної реакції виникає різниця потенціалів між елементами сітчастої оболонки і сполученими з ними центрами кори головного мозку. Хімічна енергія, що виникає при розпаді світлочутливого речовини, перетворюється в електричну енергію імпульсів струму, що протікає по волокнах нерва між сітчастою оболонкою і корою головного мозку. Ця електрична енергія перетворюється в потиличних частках кори головного мозку в біологічну енергію, під дією якої виникають зорові відчуття.

Із зовнішнього боку до сітчастій оболонці прилягає судинна оболонка 2 (рис. 1.5), утворена кровоносних-1 ми судинами, що живлять очей. Передня частина судинної оболонки називається райдужною оболонкою 5. Вона містить пігментні клітини, що визначають колір очі. У центральній частині ця оболонка має отвір. Цей отвір називається зіницею 7; утворено воно кільцевими і радіальними м'язовими волокнами, які автоматично під впливом відповідних центрів кори головного мозку змінюють діаметр зіниці при зміні освітленості сітківки. Збільшення освітленості сітківки викликає зменшення діаметра зіниці, зменшення освітленості-збільшення діаметра зіниці. За зіницею розташована двоопуклою слабо забарвлена в жовтий колір лінза - кришталик. Кришталик має здатність змінювати кривизну своїх поверхонь, завдяки чому зображення предметів, що знаходяться на різних відстанях від ока, фокусується кришталиком на сітчасту оболонку. Чітке сприйняття, предмета виходить, якщо його зображення потрапляє на сітчасту оболонку ока.

Здатність ока пристосовуватися до чіткого розрізнення разноудаленних предметів називається акомодацією. Чітке виявлення у нормального ока виходить автоматично зміною кривизни кришталика.

Світловий потік  та світлова енергія

Основними світловими величинами є світловий  потік, освітленість і сила світла.

Оточуючі  нас предмети випромінюють променисту енергію, що представляє собою поширюються в просторі електромагнітні коливання. Однією з основних характеристик електромагнітних коливань є довжина хвилі, яка може бути від часток міліметра до декількох сотень і навіть тисяч метрів. Людське око сприймає порівняно невеликий діапазон цих хвиль. Випромінювання в діапазоні хвиль, сприймається людським оком у вигляді кольорових плям світла, називаються оптичної областю спектру електромагнітних коливань. Випромінювання з довжиною хвиль, що знаходяться за межами оптичної області спектру електромагнітних коливань, не сприймаються зором людини. Кожній довжині хвиль відповідає певний колір, внаслідок чого із зміною довжини хвиль змінюються і кольори, які сприймає око людини.

Світловий потік – це потужність випромінювання, яка оцінюється по світловому відчуттю, що виробляється на око людини. Одиницею виміру світлового потоку F служить люмен (лм).

Світловий потік відрізняється від потоку електромагнітної енергії тим, що враховує різну чутливість людського ока до випромінювання на різних частотах, тобто до світла різного кольору.

Освітленість-це величина світлового потоку, що припадає на одиницю поверхні. Про інтенсивність  освітлення судять по щільності, з якою світловий потік розподіляється по освітлюваної поверхні. Одиницею освітленості є люкс (лк). Освітленість Е визначається відношенням величини світлового потоку F, що впав на поверхню, до її площі S:

Е = F / S.

Освітленість  поверхні буде рівна 1 лк, якщо на кожен 1 м2 її площі впаде світловий потік в 1 лм, тобто 1 лк = 1 лм / 1 м².

Сила  світла – термін, службовець для характеристики розподілу світлового потоку джерела, визначає щільність світлового потоку в заданому напрямку. Деякі джерела світла випромінюють світловий потік нерівномірно, тобто з різною інтенсивністю в різних напрямках.

За  одиницю сили світла прийнята кандела (кд), яка є основною одиницею світлотехнічної, що встановлюється за спеціальним еталону.

Сила світла (І) – це величина, що визначається відношенням світлового потоку (Ф) до тілесного кута (м). в межах якого світловий потік рівномірно розподіляється.

За одиницю сили світла прийнята кандела (кд) – сила світла точкового джерела, що випромінює світловий потік в 1 лм, який рівномірно розподіляється всередині тілесного кута в 1 стерадіан.

Сила світла – просторова щільність  світлового потоку точкового джерела в межах елементарного тілесного кута. Сила світла чисельно дорівнює відношенню світлового потоку до тілесного кута, у межах якого цей світловий потік поширюється і рівномірно розподіляється.

Світловий потік створюється джерелом світла. Фізична величина, що характеризує світіння джерела світла в певному напрямку, називається силою світла.

Освітленість  і експозиція

Освíтленість – освітлення поверхні, що створюється світловим потоком, який падає на поверхню. Одиницею вимірювання освітленості є люкс. На відміну від освітленості, вираз кількості світла, відображеного поверхнею, називається яскравістю.

Освітленість прямо пропорційна  силі світла джерела світла. При  віддаленні його від освітлюваної поверхні її освітленість зменшується обернено пропорційно до квадрату відстані.

Коли проміння світла падає похило до освітлюваної поверхні, освітленість збільшується пропорційно косинусу кута падіння проміння.

Освітленість  знаходять за формулою:

де

 – сила світла в канделах;

 – відстань до джерела світла;

 – кут падіння проміння світла.

Освітленість визначають за допомогою фотоелектричного експонометра та люксметра.

Освітленість-це величина світлового потоку, що припадає на одиницю поверхні. Про інтенсивність освітлення судять по щільності, з якою світловий потік розподіляється по освітлюваної поверхні. Одиницею освітленості є люкс (лк). Освітленість Е визначається відношенням величини світлового потоку F, що впав на поверхню, до її площі S:

Е = F / S.

Експозиція – це фізична величина, служить кількісною мірою світлової енергії, падаючої на світлочутливий елемент.

Яскравість та світимість поверхні

Світимість R – світловий потік, який випромінюється з одиниці площі джерела випромінюючої поверхні. Світимість вимірюється в Лм/м2 :

 

де S – площа поверхні випромінювання.

 

Яскравість L – світловий потік, що падає на одиницю площі фотоприймаючої поверхні по тілесному куту.. Вимірюється в Кд/м2:

 

де α –кут між нормаллю до поверхні і вибраним напрямком.

Яскравість  пучка променів

Яскравість  – це величина потоку, що впромінюється одиницею площі в одиницю тілесного кута в даному напрямі.

Еквівалентна  яскравість

Еквівалентна яскравість – яскравість поля порівняння, має відносний спектральний склад випромінювання чорного тіла при температурі затвердіння платини (T = 2045 К), яке в певних умовах візуального фотометрірованія знаходиться у фотометричному рівновазі з першим полем; це поле порівняння повинно мати певні розміри і форму, які можуть бути відмінними від розмірів і форми аналізованого поля.

Еквівалентна яскравість випромінювання заданого спектрального складу визначається як яскравість равносветлого оптично суміжного випромінювання домовленого спектрального складу з Тц = 2045 К.

Еквівалентну яскравість можна  виміряти, зіставляючи досліджуване випромінювання з еталонним Тц = 2045 К за їх светлоте, тобто за умовами  еквівалентності рівня зорового ощущевання. Запроваджуючи цю світлову величину, будемо характеризувативати кожне випромінювання в області малих яркостей (сумеречное і нічний зір) стандартної (фотометричної) яскравістю, обумовленою стандартизованої кривої відносної спектральної чутливості ока в умовах денного зору, і еквівалентної яскравістю, що характеризує дійсне відчуття. Співвідношення між цими значеннями яскравості буде змінюватися у функції еквівалентної яскравості, причому ці зміни будуть різними для разноспектральних випромінювань. На малюнку наведені криві залежності еквівалентної яскравості від стандартної для синього і червоного випромінювань. Для стандартної яскравості L = 0,01 кд/м-2 еквівалентні значення яскравості відрізняються більш ніж на порядок. Прочитуючи цю особливість зорового відчуття, ВВПЗ-уявлення різнокольорових випромінювань малої яскравості слід проводити за еквівалентної яскравості.

Розрахунок еквівалентної яскравості Lек будь-якого досліджуваного випромінювання утруднений тим, що значення щодо відповідності спектральної чутливості ока V (λ, Lек) зависить від обумовленою еквівалентної яскравості:

Lек = ƒ (λ, Lек) 0,38 ∫ 0,78 le (λ) V (λ, Lек) dλ,

де ƒ (λ, Lек) – функція спектрального складу еталонного випромінювання та еквівалентної яскравості; le (λ) – спектральна щільність енергетичної яскравості заданого випромінювання.

Рівнояскраві  випромінювачі – випромінювачі, яскравість яких з достатньою для практики точністю однакова як за різними

напрямками простору, так і но поверхні випромінюючого тіла. Для плоскої равнояркой поверхні з площею А сила світла визначається як:

I α = LAcosα = I 0cos α.

Світловий потік плоского равнояркого  випромінювача:

Ф = 2πI0 α = 0 ∫ α = π/2sinαcosαdα = π I0.