Wykad 5

Techniki świetlne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak, prof. uczelni Katedra Optyki i Fotoniki

Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/

https://eportal.pwr.edu.pl/course/view.php?id=8328 Miejsce konsultacji: pokój 27 bud. A-1

Wykład 5

Światło a materia

Światło, jako fala elektromagnetyczna, jest samoistnie niewidoczne… Obserwator nie dostrzega propagacji fali elektromagnetycznej, ale efekt tej propagacji np. w postaci plamki świetlnej na oświetlonym obiekcie.

OMG! Fizyka to jeszcze, czy już filozofia?

No tak, w zasadzie wektor natężenia pola elektrycznego czy magnetycznego to abstrakcja…

Jak zwał, tak zwał – faktem jest, że WIDZIMY obiekty które albo wysyłają światło, albo stojąc na drodze fali elektromagnetycznej, jakoś z nią reagują i TO oddziaływanie widzimy!

W wyniku napromieniowania światłem pewnych obiektów materialnych staną się one widoczne (= same promieniują?!) a dostrzeganie ich będzie miało cechy fotometryczne (jaskrawość), kolorymetryczne (wrażenie barwy) i geometryczne (kształt = rozkład wielkości fotometrycznych).

Światło, padające na powierzchnię ciała materialnego, wywołuje w zetknięciu z nim trzy różne możliwe reakcje:

1) Odbicie;

2) Pochłanianie (absorpcja); 3) Przepuszczanie.

Odbicie to zwrot promieniowania przez powierzchnię bez zmiany częstotliwości jego składowych promieniowań monochromatycznych.

Pochłanianie (absorpcja) to przemiana energii promienistej w inną formę energii w wyniku wzajemnego oddziaływania z materią.

Przepuszczanie to przechodzenie promieniowania poprzez ośrodek bez zmiany częstotliwości jego składowych promieniowań monochromatycznych.

Światło a materia

W wyniku zarówno odbicia, jak i przepuszczania, może zachodzić rozpraszanie światła – zmiana w rozkładzie przestrzennym wiązki promieniowania, odchylanej w wielu kierunkach przez powierzchnię (odbicie) czy ośrodek (przepuszczanie) bez zmiany częstotliwości jego składowych promieniowań monochromatycznych.

W wyniku samego przepuszczania z kolei może zachodzić załamanie (czyli refrakcja) światła – zmiana kierunku rozchodzenia się promieniowania na skutek zmiany prędkości rozchodzenia się w ośrodku niejednorodnym optycznie albo przejściu przez powierzchnię rozgraniczającą dwa różne (optycznie) ośrodki.

Współczynniki charakteryzujące odbicie, pochłanianie i przepuszczanie opisują ilościowo właściwości fotometryczne materii.

Właściwości fotometryczne materii zależą od:

- Widmowego składu padającego promieniowania;

- Sposobu uformowania padającej wiązki promieniowania z uwzględnieniem kąta

padania;

- Polaryzacji promieniowania;

- Temperatury ciała materialnego;

- Grubości tego ciała;

- Jego stanu powierzchni.

Właściwości fotometryczne materii są wykorzystywane w technice świetlnej w celu

odpowiedniego formowania brył fotometrycznych źródeł światła i opraw

oświetleniowych, ale też w celu nadawania powierzchniom wnętrza (ściany, sufity, lustra) charakteru wtórnych źródeł światła (w wyniku wielokrotnych odbić).

Światło a materia

Współczynnik odbicia to stosunek strumienia świetlnego odbitego _ do strumienia świetlnego padającego :

Współczynniki charakteryzujące odbicie, pochłanianie i przepuszczanie opisują ilościowo

właściwości fotometryczne materii.

Współczynnik przepuszczania to stosunek strumienia świetlnego przepuszczonego _ do strumienia świetlnego padającego :

Współczynnik pochłaniania (absorpcji) to stosunek strumienia świetlnego pochłoniętego _ do strumienia świetlnego padającego :

























Jeżeli ciało nie ma właściwości fluoryzujących i fosforyzujących*:





















1













*Hmm, czym się różni fluorescencja od fluoryzacji? Czemu wtedy powyższe różności nie mają zastosowania? Strumienia „wychodzącego” może być więcej, niż padającego? A co z zasadą zachowania energii?

  















Światło a materia

Ponieważ światło jest mieszaniną promieniowań monochromatycznych wszystkie podane współczynniki są funkcjami długości fali – są to widmowe (spektralne) współczynniki odbicia, przepuszczania, pochłaniania:

   













 





1



Wartości tych współczynników nie zależą od składu widmowego promieniowania, ale są cechą charakteryzującą dane ciało materialne.

Całkowite współczynniki odbicia, przepuszczania bądź pochłaniania można określić dzięki współczynnikom widmowym:

   

 



















Materiał (odbicie) (przepuszczanie) (pochłanianie)

Szkło przezroczyste 2-4 mm 6-8 90-92 2-4

Szkło mleczne 1-3 mm 7-20 65-85 3-15

Szkło opalizowane 1-3 mm 15-30 55-80 4-15

Tkanina lniana biała 30-40 50-60 7-10

Tkanina bawełniana biała 68 28 4

Tkanina jedwabna 28-38 61-71 1

Metale: mosiądz polerowany 60-68 - 32-40

Metale: stal polerowana 45-55 - 45-55

Metale: chrom polerowany 62-67 - 33-38

Farba klejowa biała 67-80 - 20-33

Farba klejowa brązowa 27-41 - 59-73

Farba klejowa szara 15-37 - 43-85

Wyprawa gipsowa 75-89 - 11-25

Beton 20-35 - 65-80

Cegła czerwona nowa 15-20 - 80-85

Cegła czerwona stara 2-5 - 95-97

Drewno surowe jasne 25-30 - 70-75

Marmur biały 75-83 - 17-25

Papier biały drukowy 60-70 5-15 25-30

Światło a materia

Przebieg widmowego współczynnika odbicia wybranych materiałów, stosowanych na odbłyśniki opraw oświetleniowych:

Widmowe właściwości odbiciowe też są kształtowane w technice świetlnej! PROBLEM I: żarówki halogenowe

Szkło kwarcowe, stosowane na bańki, przepuszczają zarówno promieniowanie widzialne, jak i nadfioletowe – trzeba było „wymyślić” sposób na blokowanie promieniowania UV przez ukształtowanie charakterystyki widmowego współczynnika przepuszczania szkła bańki.

PROBLEM II: efekty termiczne koncentrowania wiązki świetlnej w reflektorach

Reflektor zwierciadlany (np. aluminiowy) tak samo odbija i koncentruje wiązkę światła widzialnego jak i promieniowania podczerwonego (IR, ponad 780nm), czyli ciepło.

Światło a materia

PROBLEM II: efekty termiczne koncentrowania wiązki świetlnej w reflektorach – cd.

Reflektor zwierciadlany (np. aluminiowy) tak samo odbija i koncentruje wiązkę światła widzialnego jak i promieniowania podczerwonego (IR, ponad 780nm), czyli ciepło.

Czasami ta koncentracja ciepła jest wykorzystywana: ogrzewanie dystansowe, terapia termiczna.

Czasami jest to mocno szkodliwe: reflektory oświetlające obrazy w galerii, lampy na sali operacyjnej czy w gabinecie stomatologicznym.

Pomysł na odbłyśniki dichroiczne: odbłyśniki szklane, których wewnętrzna powierzchnia pokryta jest mikroskopijnymi kropkami aluminiowymi o tak dobranej grubości i rozłożeniu, że powłoka ta przepuszcza promieniowanie termiczne a odbija promieniowanie widzialne.

PROBLEM II: efekty termiczne koncentrowania wiązki świetlnej w reflektorach – cd.

Reflektor zwierciadlany (np. aluminiowy) tak samo odbija i koncentruje wiązkę światła widzialnego jak i promieniowania podczerwonego (IR, ponad 780nm), czyli ciepło.

Odbicie strumienia świetlnego

Ze względu na charakterystyczne cechy geometryczne i fotometryczne można wyróżnić 4 różne charaktery odbicia światła:

1. Odbicie zwierciadlane (kierunkowe);

2. Odbicie równomiernie rozproszone (zgodnie z prawem Lamberta); 3. Odbicie kierunkowo-rozproszone;

Zjawisko odbicia zwierciadlanego (kierunkowego) ma miejsce wówczas, gdy:

a) światło pada na powierzchnię nieprzezroczystą o bardzo dużej gładkości (mikrostrukturalnej)

b) światło pada na powierzchnię graniczną, dzielącą dwa ośrodki przezroczyste.

Pierwszy przypadek to oczywiście tzw. zwierciadła.

Drugi wiąże się z częściowym przepuszczaniem strumienia świetlnego, więc będzie omówiony przy okazji przepuszczania…

Odbicie zwierciadlane ma pewne cechy charakterystyczne, które opisują zarówno zmiany geometryczne (znane?!) jak i fotometryczne.

Odbicie zwierciadlane

Odbicie zwierciadlane polega na zmianie kierunku rozchodzenia się światła wynikające ze zjawiska odbicia fal elektromagnetycznych.

Prawo odbicia zwierciadlanego dla dowolnego kształtu powierzchni można zapisać w postaci wektorowej:

n

V

n

V

V









2

(

ˆ





)

ˆ

gdzie n(n_x, n_y, n_z) to wektor normalny do powierzchni w punkcie odbicia.

Odbicie wiązki świetlnej od powierzchni zwierciadlanej może skutkować zmianą rozwartości tej wiązki.

Odbicie zwierciadlane

Zmiana parametrów fotometrycznych charakteryzujących wiązkę odbitą od zwierciadła:

Jeżeli powierzchnia zwierciadlana – a dokładniej: małe otoczenie jednego jej punktu –

zostanie oświetlona wiązką świetlną, scharakteryzowaną parametrami

fotometrycznymi: strumieniem świetlnym , światłością I oraz luminancją L, to w

wyniku odbicia zwierciadlanego od tego punktu wiązka odbita, niezmieniona pod względem geometrycznym, charakteryzować się będzie odpowiednimi parametrami pomniejszonymi w skali współczynnika odbicia:

1 2









I

I





L

L





Ale wymiar kątowy wiązki odbitej się zmienia… Tym niemniej, można mówić wciąż o proporcji strumienia świetlnego i w jakimś sensie o proporcji luminancji.

Połyskiwanie materiałów gładkich, takich jak szkło, woda, metale, plastiki, to tak naprawdę obserwacja przez oko odbić przedmiotów o dużej luminancji, znajdujących się w otoczeniu powierzchni lustrzanych.

Na powierzchni zwierciadlanej tworzy się obraz całej półprzestrzeni otaczającej zwierciadło, ale najłatwiej dostrzega się obrazy źródeł światła o dużej luminancji.

Tę część powierzchni lustra, na której utworzony jest obraz pozorny źródła światła, nazywa się w literaturze figurą jasnych punktów (FJP).

Odbicie zwierciadlane

W przypadku zwierciadła płaskiego, obraz pozorny źródła światła ma oczywiście wymiary identyczne jak rzeczywiste źródło.

Na powierzchni wypukłej obraz pozorny źródła jest mniejszy. Te wszystkie „błyski” powierzchni metalicznych i nie tylko to po prostu obrazy (bardzo pomniejszone, więc „geometrycznie nieobserwowalne”) źródeł o dużej luminancji – włącznie z „błyskiem w oku”, który najczęściej jest odbiciem światła słonecznego…

W przypadku powierzchni wklęsłej – powstaje na niej powiększony wielokrotnie obraz źródła światła (ale pod warunkiem, że je się odpowiednio względem tej powierzchni umieści!). Na tej zasadzie skonstruowane są reflektory: obraz małego żarnika źródła zajmuje

całą powierzchnię zwierciadła, co skutkuje

Pozornym obrazem źródła światła na powierzchni odbijającej kierunkowo jest figura o bardzo dużej luminancji (stąd ta nazwa „figura jasnych punktów”) i kształcie, który jest bardzo wrażliwy na zmianę kierunku obserwacji. Wielkość, kształt i położenie FJP zależy od:

- kształtu przestrzennego i wielkości powierzchni zwierciadła;

- kształtu, wielkości i położenia bryły świecącej w stosunku do powierzchni

odbijającej;

- kierunku, dla którego FJP jest określane.

Z powodu dużej wrażliwości na zmiany

parametrów układu optycznego FJP może być używana jako jego jednoznaczna identyfikacja – można kontrolować dokładność wykonania układu optycznego zwierciadło-źródło przez

porównanie rzeczywistego obrazu FJP z

teoretycznym kształtem, obliczonym dla modelu matematycznego (teraz: numerycznie).

Odbicie równomierne rozproszone

Inaczej: lambertowskie. CZEMU?

W wyniku odbicia równomiernie rozproszonego wiązka promieni oświetlających przekształca się geometrycznie tak, że po odbiciu rozprasza się w całą półprzestrzeń dostępną z punktu odbicia. Właściwość ta jest niezależna od kierunku padania wiązki oświetlającej!

O własnościach odbicia równomiernie

rozproszonego (dyfuzyjnego) decyduje

stopień chropowatości powierzchni oceniany w skali mikro. Decydujące znaczenie ma proporcja długości fali świetlnej do wymiaru pojedynczych zniekształceń powierzchni.

Najważniejszą cechą odbicia lambertowskiego jest stała luminancja powierzchni L()=const – wynika to z faktu, że światłość wiązki odbitej oraz pole powierzchni pozornej ciała odbijającego zmieniają się tak samo:

 



I

cos



I



Charakter odbicia strumienia świetlnego w tym przypadku powoduje poza tym, że luminancję elementu powierzchni odbijającej można powiązać z natężeniem oświetlenia na niej (mierzoną!) prostą proporcją:





E

Odbicie równomierne rozproszone

Zależność:

może być pomocna w wyznaczaniu wartości współczynnika odbicia. Wystarczy zmierzyć luminancję (i to teoretycznie z dowolnego kierunku!) i natężenie oświetlenia w tym samym miejscu powierzchni.





E

L



Jeżeli jeszcze z równań definicyjnych określimy związek natężenia oświetlenia, pochodzące od nieskończenie wielkiej płaszczyzny jako:

to współczynnik odbicia będzie można zmierzyć jako:

L

E





E

E /





W ten sposób można np. zmierzyć współczynnik odbicia materiału, którego nie można przenieść do laboratorium, np. starego muru zamku, który chcemy oświetlić.

Dwa poprzednie przypadki opisywały pewna idealizację stanu faktycznego – w rzeczywistości, odbicie posiada obie cechy: kierunkową i równomiernie rozproszoną w różnych proporcjach.

Rozpoznawalną wizualnie cechą odbicia kierunkowo-rozproszonego jest pewien stopień połyskliwości próbki materiału, zależny od kąta obserwacji. Rozpoznawalną cechą fotometryczną odbicia kierunkowo-rozproszonego jest kształt brył fotometrycznej (przestrzennego rozsyłu światłości).

Odbicie kierunkowo-rozproszone

Niezależnie od tego, który rodzaj odbicia ma przewagę, wykres rozsyłu strumienia świetlnego jest zwykle na tyle skomplikowaną krzywą, że nie spotyka się prób jej opisu analitycznego, które przydałyby się w obliczeniach fotometrycznych…

Nawet całkowity współczynnik odbicia może się dla takiego odbicia zmieniać!

Tym niemniej, stosuje się metody wykorzystujące superpozycję odbicia kierunkowego i rozproszonego – głównie dla celów oszacowań.

Wykres światłości wiązki odbitej od próbki kierunkowo-rozpraszającej nie jest podstawowym zapisem graficznym właściwości fotometrycznych materiałów.

Znacznie częściej używa się wykresu luminancji próbki w funkcji kąta obserwacji – jest to tzw. wykres wskaźnikowy rozpraszania. Graficznie, w postaci względnej, pokazuje on, jak zmienia się luminancja próbki.

DEFINICJA: Wskaźnikowa rozpraszania (krzywa luminancji względnej) jest to zależność luminancji powierzchni odbijającej od kąta obserwacji, odniesiona do luminancji maksymalnej, w funkcji kąta obserwacji próbki, dla określonego kąta jej oświetlenia.

Odbicie kierunkowo-rozproszone

Wskaźnikowa rozpraszania podawana jest zawsze w postaci graficznej, ponieważ nie ma praktycznej możliwości jej zapisu za pomocą wzoru analitycznego. Wykresy tej krzywej podaje się zarówno we współrzędnych biegunowych jak i kartezjańskich a „obliczenia” luminancji bezwzględnej w danym kierunku przeprowadza się w sposób graficzny bądź numeryczny.

Odbicie współdrożne (powrotne) to taki charakter odbicia strumienia świetlnego, w wyniku którego równoległa wiązka światła oświetlającego próbkę jest zawracana w kierunku, z którego nastąpiło oświetlanie, w znacznym zakresie kątów oświetlenia tej próbki.

Jest to specyficzna odmiana odbicia kierunkowego, która wynika zarówno z gładkiej mikrostruktury próbki, jak i z jej ukształtowania w skali pośredniej pomiędzy mikro a makro.

PRZYKŁADY:

- odbicie od kropelek deszczu na płaskiej powierzchni (każda z kropelek daje malutki obraz źródła światła, niezależnie od kierunku obserwacji (przynajmniej w pewnym kącie…);

Odbicie współdrożne

W efekcie odbicia współdrożnego obserwuje się tak intensywne odbicie, że powstaje wrażenie samoświecenia oświetlanej powierzchni.

Zjawisko powstawania odbicia powrotnego opiera się na takiej konfiguracji geometrycznej powierzchni odbijającej, która umożliwia dwukrotne odbicie każdego promienia świetlnego padającego i to w taki sposób, aby promień opuszczający powierzchnię miał kierunek zbliżony do kierunku promienia oświetlającego.

Ilościowo odbicie współdrożne jest charakteryzowane przez następujące parametry, wyrażające skuteczność zamiany światła oświetlającego na światło odbite w kierunkach obserwacji, dla określonego zakresu kątów oświetlenia: - Współczynnik odblasku R (motoryzacja: CIL)

- Gęstość powierzchniowa współczynnika odblasku R’ - Współczynnik luminacji powrotnej R_L.





E

I

R

A

R

R

'





E

L

R

odblaskowej w kierunku obserwacji;

E – natężenie oświetlenia na

powierzchni odblaskowej w

płaszczyźnie prostopadłej do kierunku oświetlenia

L – luminancja powierzchni

odblaskowej w kierunku obserwacji; A – pole powierzchni odbijającej.

Kolorymetryczne cechy odbicia strumienia

świetlnego

Odbicie zwierciadlane jest zawsze nieselektywne – rozkład widmowy światła odbitego ma jest taki sam jak światła padającego.

Odbicie dyfuzyjne (rozproszeniowe) może być widmowo selektywne bądź nieselektywne – tak naprawdę, widzenie barwnych przedmiotów jest właśnie skutkiem odbicia dyfuzyjnego, a próbka materiału nabiera barwy, która wynika zarówno z rozkładu widmowego światła oświetlającego, jak i rozkładu widmowego współczynnika odbicia.

Odbicie kierunkowo-rozproszone jest równocześnie selektywne i aselektywne – w kierunkach, w których dominują cechy odbicia zwierciadlanego, jest ono aselektywne, w pozostałych wykazuje cechy oświetlenia dyfuzyjnego, czyli selektywne.

Odbicie dyfuzyjne (rozproszeniowe) może być widmowo selektywne bądź nieselektywne – tak

naprawdę, widzenie barwnych przedmiotów jest właśnie skutkiem odbicia dyfuzyjnego, a próbka materiału nabiera barwy, która wynika zarówno z rozkładu widmowego światła oświetlającego, jak i rozkładu widmowego współczynnika odbicia.

Przepuszczanie i pochłanianie strumienia

świetlnego

Ze względu na przepuszczanie światła, oświetlone materiały dzielimy na:

1) Materiały nieprzeświecalne – nie przepuszczają strumienia świetlnego. I już. Ale może się zdarzyć, że (jeśli np. próbka jest zbyt cienka a ilość światła zbyt duża) coś tam przejdzie…

2) Materiały przeświecalne – przepuszczają strumień świetlny głównie w sposób rozproszony (np. matowe szkło). Oznacza to „rozmazanie” obrazu kształtu przedmiotu (źródła światła) oglądanego przez płytkę z takiego materiału.

3) Materiały przezroczyste – przepuszczają strumień świetlny w sposób kierunkowy. Widok obiektów przez płytkę z takiego materiału nie zmienia ich obrazu, w sensie ostrości, kształtu, ale może ulec zmianie skład widmowy promieniowania (filtry transparentne).

Przepuszczanie kierunkowe zmienia cechy wiązki świetlnej: - zmieniać się mogą parametry fotometryczne wiązki;

- dochodzi do załamania światła i częściowego odbicia na powierzchni granicznej;

- część strumienia świetlnego ulega pochłonięciu; - może zmienić się barwa wiązki;

- wiązka może ulec rozszczepieniu.

Przepuszczanie i pochłanianie strumienia

świetlnego

Przepuszczanie kierunkowe:

częściowe odbicie światła na powierzchni granicznej.

Przepuszczanie kierunkowe:

częściowe pochłonięcie strumienia świetlnego.

Pochłanialność właściwa jest to stosunek

jednostkowego ubytku strumienia świetlnego do jednostkowej drogi przebytej w ośrodku.

dx

d

a









a

Można pokazać, że:

_ax

e







   

0 l

x

l

x







Przepuszczanie i pochłanianie strumienia

świetlnego

Przepuszczanie równomiernie rozproszone:

 



I

cos



I







E

L



Przepuszczanie kierunkowo-rozproszone:

Parametry charakteryzujące przepuszczanie kierunkowo-rozproszone: - Krzywa światłości światła przepuszczonego (rys. lewy powyżej); - Wskaźnik rozpraszania;

- Stopień rozpraszania γ;

- Kąt połówkowy luminancji (rys. prawy). ₀

40

I

I

