1.7. Световые свойства тел

Длительное воздействие даже самых легких раздражителей на глаз человека, как показали исследования, вызывает в нем функциональные сдвиги и изменения. К числу раздражителей, постоянно находящихся в поле зрения человека, относятся световые и цветовые потоки, отражающиеся от стен и потолков производственных, бытовых помещений и оборудования.

Количественное и качественное влияние указанных раздражителей зависит главным образом от световых свойств тел, расположенных в поле зрения человека, а также от осветительных установок, создающих освещение. К световым свойствам тел относятся свойства: отражать, поглощать и пропускать падающий на них световой поток; перераспределять отраженный или прошедший через них световой поток; изменять спектральный состав падающего на них светового потока при его отражении или пропускании.

Все окружающие нас тела и предметы независимо от их состояния - твердого, жидкого или газообразного - разделяются на прозрачные и непрозрачные.

Прозрачными называются такие тела, через которые проходит большая часть световых лучей, таковы, например, стекло, вода, воздух и др. Непрозрачными называются тела и предметы, которые не пропускают видимого света. Однако резко разграничить все тела на прозрачные и непрозрачные нельзя. Все тела в большей или меньшей степени поглощают или пропускают свет. Есть тела, которые занимают промежуточное место. Они пропускают свет, но ясно видеть предметы через них нельзя. Такие тела называются просвечивающими. К ним относятся, например, матовое стекло, промасленная бумага и др.

Когда световой поток (свет) падает на прозрачные тела, часть его проходит сквозь тело, часть поглощается им, а остальная часть отражается от него. Когда же световой поток падает на непрозрачное тело, имеет место только поглощение и отражение света. Падающий на тело световой поток в большинстве случаев распределяется на три части: часть светового потока, падающего на тело, отражается последним и называется отраженным световым потоком Ф_отр, часть пропускается им и называется прошедшим потоком Ф_прош и та часть, которая поглощается, называется поглощенным потоком Ф_погл. В соответствии с законом сохранения энергии их сумма всегда равна полному падающему на тело световому потоку

Свойства разных тел отражать, пропускать и поглощать свет характеризуются коэффициентами отражения , поглощения а и пропускания τ. Характер распределения отраженного светового потока зависит от качества обработки (структуры) самой отражающей поверхности. Чем больше коэффициент отражения тела, тем более светлым кажется оно нам и, наоборот, чем меньше коэффициент отражения, тем более темным становится его цвет. В зависимости от характера пространственного распределения отраженного телом светового потока различают зеркальное, диффузное (равномерно диффузное) и смешанное отражение.

Зеркальное отражение (рис. 1.16, а) получается при отражении света зеркальными поверхностями, размеры неровностей которых очень малы по сравнению с длиной волны падающего на них света, т. е. хорошо обработанными полированными поверхностями. Для зеркального отражения справедлив закон равенства угла падения лучей углу их отражения, причем падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения света. Кроме того, зеркальное отражение характеризуется тем, что телесный угол падающего потока равен телесному углу отраженного светового потока.

Рис. 1.16. Различные виды отражения света: а - зеркальное; б - диффузное; в - смешанное

Коэффициенты зеркального отражения некоторых материалов в процентах приведены ниже.

Яркость изображения предмета в зеркале равна яркости предмета, умноженной на коэффициент отражения зеркала. Тела с совершенно гладкой поверхностью отражают свет в одном направлении, с которого они кажутся очень яркими - блестят. С других направлений эти тела кажутся темными. Такие тела называют блестящими. При наличии в поле зрения поверхностей с зеркальным отражением необходимо принимать меры к защите глаз от отраженной блескости.

Диффузное отражение характеризуется тем, что телесный угол, в котором заключен падающий световой поток, меньше телесного угла, в котором он распространяется после отражения. Тела с шероховатой, негладкой поверхностью отражают свет диффузно (в разных направлениях). Свет, падающий на такое тело в одном направлении, падает на различные ничтожно малые площадки его поверхности под различными углами. От каждой точки поверхности свет отражается по тому же закону, но поскольку углы падения света на разные участки (площадки) поверхности тела в данном случае различны, постольку и отражается свет в разные стороны. Шероховатая поверхность специально выделывается при выработке материала. Шероховатость может быть точечной, сетчатой или линейной (рифленой).

Поверхности, диффузно отражающие свет, с разных направлений кажутся одинаково яркими. Они не имеют бликов, не блестят, их называют матовыми. Если матовую бумагу потереть кисточкой или ногтем, она начнет блестеть, потому что при натирании сглаживаются неровности ее поверхности. Помимо блестящих и матовых, выделяют еще группу глянцевых поверхностей, занимающих промежуточное положение между блестящими и матовыми. Различают два вида диффузного отражения - равномерно-диффузное и направленно-диффузное.

Равномерно-диффузное отражение характеризуется распространением отраженного светового потока в телесном угле, равном 2π, расположенном по одну сторону от отражающей этот поток поверхности (рис. 1.16, б). Распределение отраженной силы света I_α от таких поверхностей имеет форму сферы, касательной к поверхности в точке падения луча. В этом случае сила света по нормали к отражающей поверхности в точке падения луча имеет наибольшее значение I_max, а во всех направлениях убывает пропорционально косинусу угла а между направлением наибольшей силы света и силой света в данном направлении

Это соотношение называется законом косинуса.

Как видно из рис. 1.16, б, распределение отраженного потока от равномерно-диффузных поверхностей не зависит от направления падающего потока.

Яркость равномерно-диффузной поверхности одинакова во всех направлениях. Тела, имеющие одинаковую яркость по всем направлениям, а также для каждого участка поверхности излучающего тела называются равно-яркими излучателями. К числу таких излучателей относятся матовые отражающие поверхности (алебастр, ватманская бумага, белая клеевая покраска, молочные рассеивающие стекла и т. д.).

Световой поток, излучаемый равномерно-диффузной поверхностью, равен произведению силы света в перпендикулярном направлении на число π

Это выражение устанавливает связь между световым потоком и максимальной силой света, излучаемыми равномерно- диффузными поверхностями. Для равномерно-диффузных поверхностей коэффициент отражения

=Ф_отр/Ф_пад=πI_max/Ф_пад=πLS/(ES)=πL/E,

где L - яркость поверхности, кд/м²; E - освещенность поверхности, лк.

Отсюда можно получить соотношение, связывающее яркость и освещенность диффузных поверхностей,

L=E/π.

Абсолютно белой рассеивающей поверхностью называется поверхность, обладающая равномерно-диффузным отражением и имеющая коэффициент отражения, равный единице. Для этой поверхности предыдущее выражение принимает вид

К материалам с равномерно-диффузным отражением относятся окись магния (=96%), алебастр (=92%), белая клеевая краска (=80%) и др. Только белые поверхности обладают способностью отражать падающие на них лучи одинаково для всех длин волн.

При освещении белой поверхности (сернокислый барий, ватманская бумага, снег) белым светом она кажется нам белой. При освещении белой поверхности цветным световым потоком она будет казаться того же цвета, что и падающий на поверхность световой поток.

При направленно-диффузном отражении происходит концентрация отраженного светового потока в некотором телесном угле, направление оси которого определяется законами зеркального отражения. Направленно-диффузным отражением обладают матированные поверхности металлов: матовое серебрение (=71÷75%), матовый алюминий (=55÷60%) и т. д.

Любая поверхность видна потому, что она отражает световой поток в направлении к глазу наблюдателя. Чтобы характеризовать распределение в пространстве отраженного от поверхности светового потока, пользуются понятием коэффициента яркости. Под коэффициентом яркости β понимается отношение истинной яркости поверхности L в заданном направлении к яркости равномерно-диффузной поверхности L₀ в случае, когда на указанные поверхности падает один и тот же световой поток

Если для поверхности известны ее освещенность и коэффициент яркости в данном направлении, яркость поверхности в этом направлении определяется

Кривые коэффициентов яркости измеряются для различных поверхностей при разных углах падения света и по ним с помощью формулы (1.4) определяют яркость поверхности в том или ином направлении для заданных условий.

Смешанное отражение характеризуется наличием зеркального и диффузного отражений одновременно (рис. 1.16, в). К материалам, обладающим смешанным отражением, относятся, например, фарфоровая эмаль, имеющая коэффициент рассеянного отражения =55÷60% и коэффициент направленного отражения =5÷6%, молочное стекло, имеющее соответственно =30÷60% и =5÷6%. При увеличении угла падения света на эмаль возрастает коэффициент направленного отражения. Ниже приведены коэффициенты отражения некоторых облицовочных материалов и красок в процентах.

Коэффициенты отражения даны для белого света. Коэффициенты отражения для красок не являются постоянными, поскольку они зависят от состава, количества нанесенных слоев и т. д. Они дают некоторое представление об отражающей способности красок.

Учитывая чувствительность глаза, следует отметить, что зеленые и желтые краски светлее, чем красные и фиолетовые.

При прочих равных условиях на практике в красную, фиолетовую и голубую краски нужно добавить больше белой краски, чем в зеленую и желтую, для того чтобы их коэффициенты отражения уравнялись. Напротив, добавление небольшого количества красной краски в белую дает ярко-розовый цвет, тогда как то же количество желтой лишь чуть изменит оттенок белой.

Коэффициенты отражения различных материалов зависят в большой мере от состава спектра падающего светового потока. Если на тело, которое неодинаково отражает свет разных длин волн, падает белый свет, то после отражения соотношение между излучениями этих длин волн изменится и тело будет иметь цвет, соответствующий его физическим свойствам. Коэффициенты отражения каких-либо поверхностей для однородных монохроматических световых потоков называются спектральными коэффициентами отражения.

Если построить в системе прямоугольных координат график, в котором по оси ординат откладывать значения спектральных коэффициентов отражения (λ), а по оси абсцисс - длины волн λ, мы получим зависимости спектральных коэффициентов отражения от длины волны. Эти зависимости обозначаются (λ)=f(λ) и называются спектральными характеристиками отражения. Эти же зависимости, представленные в виде кривых, называются кривыми спектрального отражения. На рис. 1.17 [7] видно, что в спектре отражения пигментов находятся почти все длины волн видимого спектра, однако в разных соотношениях. Например, пигмент кобальта (см. рис. 1.17, а) имеет в целом синий цвет с длиной волны 482 нм (цвет краски дан над кривой спектрального отражения), но кривая его спектрального отражения проходит в области и других длин волн, в том числе в области красных цветов (λ>620 нм). Аналогично кривая красно-оранжевого пигмента - киновари (см. рис. 1.17, б) имеет наибольшие значения коэффициентов отражения в красной части спектра, однако она имеет и другие длины волн.

Следовательно, кривые спектрального отражения неоднозначно характеризуют цвет, так как одному и тому же цвету может соответствовать большое количество различных спектров отражения. Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это значит, что данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи и незначительно все остальные лучи, составляющие белый свет. Таким образом, правильнее говорить не о цвете поверхности, а о цвете светового потока, отраженного от поверхности.

Если поверхность отражает световой поток так, что спектральные коэффициенты отражения всех длин волн видимой области спектра одинаковы, это значит, что поверхность неизбирательно (неселективно) отражает световой поток. Такие поверхности не изменяют при отражении света соотношения между излучениями различных длин волн. Для глаза поверхности, обладающие таким свойством, представляются лишенными цветового тона, а именно белыми или серыми. Если же отражение поверхностью неодинаково для различных длин волн видимой области спектра, то такое отражение является избирательным, т. е. некоторые монохроматические лучи отражаются больше, чем другие. Если, например, какое-нибудь вещество отражает только красные лучи, а все остальные поглощает, то при освещении белым светом оно, естественно, будет казаться насыщенно-красным. Точно так же вещество, отражающее только зеленые лучи, будет зеленым, отражающее синие лучи, - синим и т. д.

На практике вещества, которые отражали бы только один определенный участок спектра и полностью поглощали бы все остальные, не существуют. При отражении чаще всего в какой-то мере отражаются все лучи спектра. Однако при получении достаточно насыщенной окраски совсем не обязательно иметь изолированные лучи узкого участка спектра. Нужно, чтобы в некоторой части спектра отражение было несколько больше, чем в остальных. Поверхность, окрашенная киноварью и освещенная белым солнечным светом, представляется красной, потому что она хорошо отражает красные, оранжевые, желтые лучи и плохо все остальные (см. рис. 1.17, б).

Рис. 1.17. Кривые спектрального отражения различных пигментов: а - синего кобальта; б - красной киновари; в - ультрамарина; г - кармина; д - желтой охры; е - желтого кадмия; ж - изумрудной зелени

Цвет отраженного предмета тем насыщеннее, чем больше разница в отражении лучей разных частей спектра и чем уже область сильного отражения.

Поверхности, которые неодинаково отражают свет разных длин волн и имеют при освещении белым светом ту или иную окраску, соответствующую их физическим свойствам, называются цветными.

Способность тела пропускать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом пропускания

где Ф_прош - прошедший световой поток; Ф_пад - падающий световой поток.

Способность тела поглощать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом поглощения а

где Ф_погл - поглощенный телом световой поток.

В табл. 1.6 приведены коэффициенты отражения, пропускания и поглощения некоторых материалов.

Таблица 1.6. Средние коэффициенты отражения, пропускания и поглощения некоторых материалов

Из сказанного ранее следует, что падающий световой поток Ф_пад может быть выражен

Ф_пад=Ф_отр+Ф_прош+Ф_погл=Ф_пад=(+τ+α)Ф_пад,

откуда получим, что +τ+α=1, т. е. сумма коэффициентов отражения, пропускания и поглощения для любых тел и сред равна единице.

Коэффициенты пропускания и поглощения обычно даются для среды на единицу длины. Зная коэффициент пропускания на единицу длины, можно определить коэффициент пропускания среды для какого-то слоя толщиной d. Предположим, что надо определить коэффициент пропускания стекла толщиной d=4 мм при τ=0,9 на 1 мм. Если начально падающий световой поток обозначить Ф₀, то на расстоянии 1 мм его величина уменьшается до 0,9 Ф₀. На протяжении второго миллиметра ослабление света будет иметь такую же величину. В результате на расстоянии 2 мм прошедший световой поток:

на расстоянии 4 мм

В общем случае ослабление падающего светового потока при коэффициенте пропускания на единицу длины τ₁ и при толщине слоя d, мм, определяется τ=τ^d₁.

Аналогично рассчитываются коэффициенты отражения и поглощения.

Видимый цвет окрашенного тела, освещенного белым светом и наблюдаемого в диффузно-отраженном свете, зависит от отражательной способности поверхности тела и поглощения светового потока при проникновении света внутрь тела через окрашенную пленку. Свет в действительности проникает более или менее глубоко внутрь окрашенного вещества, прежде чем вернуться в наш глаз. Для примера рассмотрим тонкую стеклянную окрашенную пластинку, положив ее на лист белой бумаги. Ее цвет будет почти такой же, как если бы мы рассматривали в два раза более толстую пластинку в проходящем свете. Чем толще окрашенный слой тела, в который проникает свет, или чем больше концентрация красящего вещества, тем нагляднее получается окраска, отраженный свет становится все более насыщенным, а интенсивность его становится все меньше и меньше. В этом случае даже длина волны отраженного света может измениться.

Так, с увеличением концентрации раствора двухромокислого калия его цвет меняется с желтого до оранжевого. Это явление встречается довольно часто. Объясняется оно следующим: пусть на стеклянную цветную пластинку, имеющую при определенной толщине коэффициент пропускания 0,1 для красного света и 0,5 для зеленого, падает световой поток. При увеличении толщины стекла в два раза коэффициенты пропускания для красного и зеленого света составят соответственно 0,01 и 0,25. Если падающий свет белый, прошедший свет при удвоенной толщине пластинки будет гораздо зеленее, чем при одинарной толщине, так как удвоенная толщина пластинки относительно больше пропускает зеленого света, чем красного.

Коэффициенты отражения и поглощения света поверхностей в помещениях имеют существенное значение: они могут изменить впечатление об их геометрических размерах и освещенности.