ГлавнаяСтатьиЗнанияТеатрально-концертное постановочное освещение. Часть 3.3. Физиология и психология восприятия света и цвета. Физика cвета. Общие положения

Театрально-концертное постановочное освещение. Часть 3.3. Физиология и психология восприятия света и цвета. Физика cвета. Общие положения

С точки зрения физики свет — это электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В понятие «свет» включают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра: наряду с видимым светом существует невидимый светультрафиолетовый, инфракрасный, радиоволны. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 380 до 740 нм, что соответствует частотам от 790 до 405 ТГц.

Раздел физики, в котором изучается свет, называется оптика.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определенной энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой.

Одной из характеристик света является его цвет, который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения — его спектральным составом.

Часто свет распространяется в какой либо среде — в веществе. На границе между средами происходит преломление и отражение света. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления (см. ниже), действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является скалярной функцией (в общем случае — от времени и координаты); в анизотропных средах, где распространение света зависит от направления, показатель преломления представляется в виде тензора.

Те́нзор (от лат. tensus, «напряженный») — объект линейной алгебры, линейно преобразующий элементы одного линейного пространства в элементы другого. Частными случаями тензоров являются скаляры, векторы, билинейные формы и т.п. Термин «тензор» также часто служит сокращением для термина «тензорное поле», изучением которого занимается тензорное исчисление.

Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью; благодаря этому возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.

Свет может распространяться даже в отсутствии вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.

Скорость света в вакууме с = 299 792 458 м/с. В современной физике это считается предельной скоростью перемещения любого физического тела.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т.н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрического вектора волны. У циркулярно поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по часовой стрелке или против нее. Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определенным углом, зависящим от показателей преломления сред (угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причем угол поворота зависит от концентрации оптически активного вещества; это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе веществ (например, для измерения концентрации сахара в растворе).

Количественно интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин нескольких видов. К основным из них относятся энергетические и световые величины. Первые характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам относятся, в частности, энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облученность.

Каждой энергетической величине соответствует аналог – световая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещенность.

Учет световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесенной зеленым и фиолетовым светом, световая энергия, перенесенная в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат находится в полном согласии с тем, что чувствительность человеческого глаза выше к зеленому свету, чем к фиолетовому.

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 той, что в вакууме. Но замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частиц в веществе. Теоретически «остановленный свет» перестает быть светом.

Оптические свойства света

Преломление

Явление, при котором меняется направление луча света, когда он переходит из одной среды в другую (например, из вакуума или воздуха в такую среду, как стекло или вода, либо наоборот).

Показатель преломления

Численное значение, указывающее на степень преломления среды и выраженное формулой n = sin i/sin r, где n — это константа, не связанная с углом падения светового луча, указывающая на показатель преломления преломляющей среды по сравнению со средой, из которой исходит луч. Для обычного оптического стекла n, как правило, обозначает показатель преломления стекла по отношению к воздуху.

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если луч света не является нормальным к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Это изменение направления и является преломлением света.

Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, например, в линзах, очках, контактных линзах, микроскопах и телескопах.

Дисперсия

Явление, при котором оптические характеристики среды меняются в зависимости от длины волны светового луча, проходящего через среду. Когда свет поступает в линзу или призму, характеристики дисперсии линзы или призмы вызывают изменения показателя преломления в зависимости от длины волны, в результате чего свет рассеивается. Иногда это явление называют также цветовой дисперсией.

Отражение

Отражением называют явление, при котором часть света, падающего на стекло или на другую среду, отделяется и идет в совершенно новом направлении. Направление движения одинаково, не зависит от длины волны. Когда свет попадает в линзу, не имеющую противоотражательного покрытия, и выходит из нее, то приблизительно 5% света отражается на границу между стеклом и воздухом. Количество отраженного света зависит от показателя преломления стеклянного материала.

Дифракция

Явление, при котором световые волны попадают в район тени от объекта. В случае с объективом светового прибора или фото-/видеокамеры экспозиция часто регулируется путем изменения размера диафрагмы (отверстия для прохождения света) объектива (апертуры), чтобы отрегулировать количество света, проходящего через объектив. Дифракция в фотообъективе происходит при малых диафрагмах, когда ребра диафрагмы мешают прохождению световых волн по прямой линии, в результате чего лучи света проходят близко к ребрам диафрагмы, огибая эти ребра на пути через диафрагму. Дифракция вызывает уменьшение контрастности и разрешающей способности изображения, в результате чего получается неконтрастное изображение. Хотя дифракция имеет тенденцию появляться тогда, когда диаметр диафрагмы меньше определенного размера, на самом деле она зависит не только от диаметра диафрагмы, но и от различных факторов, таких как длина волны света, фокусное расстояние и светосила объектива.

 Оптическая схема прожектора

Для подсветки различных предметов применяются оптические осветительные системы вместе с источниками света. Назначение осветительных систем — создать подсветку предмета направленными лучами света. Такой прибор будет условно называться прожектором. Перед оптической системой ставится задача наиболее полного использования светового потока, попадающего в систему и направленного в сторону объекта.

При освещении, как правило, объект находится на практической бесконечности. Для его освещения источник света располагается в фокусе осветительной оптической системы, которая называется коллиматором, или прожектором. Для получения хорошей освещенности на большой дистанции поле освещения должно быть малым. Идеальным прожектором был бы прожектор с бесконечно малым, абсолютно точечным источником света, помещенным в переднем фокусе безаберрационной (без искажений) системы. Расхождение пучка определялось бы дифракцией света.

Основные оптические характеристики прожектора:

  • сила света;
  • коэффициент усиления;
  • угол рассеяния;
  • дистанция оформления луча;
  • угол охвата.

Сила света прожектора (Iпр), определяемая максимальной осевой силой света, описывается законом Манжена:

Iпр = hпр · В · Апр = hпр · В (p D2пр/4),

где hпр — световой КПД оптики прожектора; В — габаритная яркость светового тела; Апр — площадь светового отверстия прожектора; Dпр — диаметр отверстия объектива прожектора. При этом световой КПД прожектора зависит от коэффициента пропускания оптики tпр, коэффициента использования оптики hо, а также коэффициента использования светового потока hF, т.е.

hпр = tпр · hо · hF > 0,4…0,6.

Коэффициенты hо и hF определяются как hо = Fw/F0, a hF = F/Fw, где Fw — полный световой поток в пределах угла охвата; F— полный световой поток излучателя прожектора: F — полезно использованный световой поток.

Коэффициент усиления прожектора (e) — это отношение освещенностей объекта с наличием оптики прожектора (Eпр) и без нее (E):

e = Eпр /E = Iпр /I = hпр (Dпр/d),

где I — сила света источника, d — приведенный диаметр светового тела источника света.

Угол рассеяния прожектора (2w) образован крайними световыми лучами. Этот угол (рис. 1) зависит от размеров светового источника a и b и от величины сферической аберрации оптики. Чтобы освещенность, создаваемая прожектором, была наибольшей, угол рассеяния стремятся сделать наименьшим. Величина угла рассеяния определяется следующим выражением: tg wa= a/2f . При использовании точечного излучателя угол рассеяния появляется за счет дифракции:

В расчетах учитывают полезный угол рассеяния, в пределах которого сила света должна быть не менее определенной величины, задаваемой в зависимости от назначения прибора. Для прожекторов дальнего действия эта величина принимается не менее 90% от максимального значения силы света вдоль оси. Полезный угол рассеяния определяется по диаграмме светораспределения, получаемой экспериментальным путем.

Дистанцией оформления луча называют такое расстояние от оптической оси до освещаемого предмета, начиная с которого объект освещается лучами от каждой точки излучающей поверхности (рис.1). Начиная с этой дистанции, освещенность объекта определяется следующим выражением:

Углом охвата (2j) называется двойной апертурный угол в пространстве предметов, показывающий использование светового потока источника света. Этот угол для зеркального отражателя определяется выражением:

где Н — глубина отражателя.

В качестве оптики прожектора применяют сферические или параболические зеркала, а также зеркала Манжена. С увеличением угла охвата увеличивается сферическая аберрация. Для ее снижения в прожекторах применяют зеркала Френеля, в которых сферическая аберрация уменьшена.

Отражатели изготавливают из стекла, металла, пластмассы. Для выделения рабочей области спектра в оптическую систему вводятся светофильтры.

Оптическая схема проектора

Назначение проектора — создавать на экране увеличенные изображения прозрачных рисунков, фотографий или видеоинформации, зафиксированных на кадре диапозитива, кинопленки или видеоматрицы. С помощью объектива на удаленном экране формируется увеличенное действительное изображение.

Заметим, что если проектор увеличивает изображение кадра на экране в N раз, то его освещенность уменьшается в N × N раз. А это значит, что проецируемый кадр следует очень сильно осветить. Для этого в проекторе имеется, кроме стандартной, мощная осветительная лампа большой яркости, а также конденсор (система из двух плосковыпуклых линз), который концентрирует световой пучок на проецируемом кадре (рис. 2).

Для получения изображения объекта необходим как минимум сам объект и линза (или объектив, состоящий из нескольких линз, но работающий как одна). Основное свойство линзы заключается в следующем: все лучи, попадающие в линзу параллельно ее оптической оси, пройдя через линзу, сходятся в одну точку на оптической оси. Эта точка называется фокусом, а расстояние от центра линзы до этой точки — фокусным расстоянием. Верно и обратное: любой луч, проходящий через фокус линзы и попадающий в линзу, покидает ее параллельно оптической оси. Кроме того, любой луч, проходящий через центр линзы, сохраняет свое направление.

Рис. 3

Объект O находится за фокусом линзы (Ф). Чтобы понять ход лучей, достаточно рассмотреть две крайние точки объекта (все остальные точки будут подчиняться той же схеме). Кроме того, при геометрическом построении достаточно рассмотреть всего по два луча для каждой точки (пунктирные линии): один — проходящий через центр линзы, другой — параллельно оптической оси. Каждая пара лучей, проходящих от объекта через линзу, пересекаются с другой стороны на расстоянии, большем удвоенного фокусного расстояния линзы. При этом все остальные лучи (сплошные линии), исходящие от объекта, пересекутся там же. В месте пересечения лучей и будет сформировано изображение объекта O’, причем изображение будет перевернуто и увеличено. Для того чтобы его увидеть, нужно в эту точку поместить экран.

Для нашего проектора схема с учетом пропорций компонентов будет иметь примерно следующий вид (пунктирные линии — не реальные лучи, используются только для геометрического построения):

Для того чтобы получить яркое изображение, объект должен излучать свет. В обычном прожекторе мы можем сфокусировать луч так, чтобы увидеть на экране изображение источника света. В варианте проектора диапозитив излучать свет не может, зато в наших силах его подсветить, установив за диапозитивом источник света. В устаревших обычных проекторах лампа освещает кинопленку или неподвижный слайд. В современной проекционной технике проецируемым объектом является матрица видеопроектора или гобо-колорчейнджера, профильного прожектора или движущийся «головы». Для простоты далее будем развивать первую схему, уменьшив размер линзы. Саму линзу будем именовать объективом.

Если просто установить за объектом лампу, получим следующую картину:

Рис. 4

Рис. 5

Выходит, что в объектив попадает только часть лучей от лампы, проходящих сквозь панель. В итоге на экране мы получим лишь часть изображения. Чтобы этого избежать, используется вторая линза. Размер этой линзы должен быть не меньше размера панели.

Изготовить стеклянную выпуклую линзу такого размера практически нереально, а ее вес исчислялся бы десятками килограмм. Поэтому в проекторе используется линза Френеля («френель»). Линза Френеля плоская, тонкая, но ведет себя как обычная выпуклая линза. Установив «френель» между лампой и панелью, получаем следующую схему:

Рис. 6

Если рассматривать в качестве источника света лампу (любой конструкции), приходится принимать во внимание, что она излучает свет во все стороны практически равномерно. Наша задача — собрать максимум светового потока на линзу Френеля. Для этого используются два дополнительных элемента — сферический отражатель и конденсорная линза.

Сферический отражатель устанавливается за лампой и отражает все лучи от лампы обратно. Строго говоря, он формирует зеркальное изображение лампы на самой лампе. Лампа при этом располагается в центре кривизны зеркала, т.е. на расстоянии от поверхности, равном радиусу кривизны сферы. Это расстояние, в свою очередь, равно удвоенному фокусному расстоянию сферического зеркала. При использовании галогенной лампы, где свет излучается непрозрачной нитью, это зеркальное отражение нити частично затеняется самой нитью. При использовании металлогалогеновой лампы, в которой свет излучается электрической дугой, эффективность отражателя наиболее высока — лучи проходят от отражателя сквозь дугу, фактически удваивая эффективный световой поток.

Рис. 7

Конденсорная линза — это выпукло-вогнутая линза, устанавливаемая между лампой и «френелем». Ее форма позволяет захватить более широкий пучок света от лампы (другими словами, увеличить телесный угол светового пучка), усиливая таким образом яркость. Длина системы при этом также уменьшается.

Все рассматриваемые выше схемы являются, так сказать, линейными, т.е. все компоненты лежат на одной оси. Это наиболее простой, но наименее компактный вариант. Чтобы создать более компактный аппарат, можно использовать зеркала. Причем необходимы зеркала с внешним отражающим слоем (поверхностным напылением), чтобы изображение не двоилось. Вот некоторые варианты использования зеркал:

Рис. 8

Использованная литература:

Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник. М., 2004.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1979.

Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Физматлит, 1959.

Дитчберн Р. Физическая оптика. М.: Наука, 1965.

Калитиевский Н.И. Волновая оптика. М.: Наука, 1971.

Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 4. М.: Наука, 1998.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 4. М.: Наука, 1980.

По материалам сайтов: http://ru.wikipedia.org, svetolov.ru, diyprojector.info, gobz.narod.ru, de.ifmo.ru

Комментариев нет

Оставить комментарий

Разработка и поддержка: Дизайн студия Visuallab | 2016