Световые свойства материалов

К световым свойствам материалов относят свойство тел отражать, поглощать и пропускать падающий на них световой поток, изменять спектральный состав падающего на них светового потока при его отражении или пропускании.

Все окружающие нас тела подразделяются на прозрачные и непрозрачные. Прозрачными называют тела и предметы, через которые проходит большая часть световых лучей, например: стекло, воздух, вода. Непрозрачными называют такие тела и предметы, которые не пропускают видимого света. Такие тела отражают и поглощают весь падающий световой поток. Есть тела, которые занимают промежуточное место в этой классификации. Они пропускают свет, но ясно видеть предметы через них нельзя. Такие тела называют просвечивающимися. К ним относятся, например, матовое и молочное стекла, промасленная бумага и др.

Падающий на тело световой поток в общем случае распределяется на три части. Часть светового потока проходит через тело, часть поглощается, а остальная часть отражается. Общее поглощение светового потока характеризуется коэффициентом поглощения, который равен отношению поглощенного телом или средой светового потока к падающему световому потоку на это тело или среду. Коэффициент поглощения реальных тел всегда меньше единицы; только лишь идеально поглощающее тело (так называемое абсолютно черное тело) будет иметь коэффициент поглощения, равный единице.

Способность тела отражать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного и падающего световых потоков. Различают следующие виды отражения

1. Направленное, или зеркальное, отражение получается от хорошо обработанных полированных поверхностей. Направленное отражение характеризуется тем, что телесный угол, в котором заключены падающий и отраженный световой потоки, сохраняется одним и тем же.

2. Направленно-рассеянным отражением называется такое рассеянное отражение при котором телесный угол, в котором концентрируется отраженный поток, больше телесного угла падающего потока. При этом направление оси телесного угла отраженного потока соответствует закону зеркального отражения. Материалы, обладающие таким отражением, называются полуматовыми; такое отражение свойственно неполированному металлу.

3. Полное рассеянное (диффузное) отражение получается от тел, обладающих способностью отражать свет во все стороны (телесный угол отраженного потока 2π), независимо от направления падающего на него светового потока. Такие тела (поверхности) называют диффузными и при наблюдении кажутся одинаково яркими со всех направлений. Примером таких поверхностей служат матовые отражающие поверхности, молочные, рассеивающие стекла.

4. Смешанное отражение характеризуется наличием направленного и рассеянного отражения одновременно.

При посадке самолета на освещенную полосу пилот видит поверхность полосы благодаря отраженному от нее световому потоку. Способность покрытий отражать свет оценивается коэффициентом яркости. Этот коэффициент равен отношению истинной яркости в заданном направлении к яркости совершенно рассеивающей поверхности в случае, когда на указанные поверхности падает один и тот же световой поток. Максимальные значения коэффициентов яркости сухих покровов при наблюдении по направлению падающих лучей получаются в 2-3 раза больше, чем в противоположном направлении. Коэффициент яркости тем больше, чем светлее полоса и чем больше ее шероховатость. Значения коэффициента яркости для мокрых покровов будет больше в направлении обратном направлению падения света. В этом случае появляется большая составляющая зеркального отражения. Чем меньше угол падения световых лучей к поверхности покровов, тем больше коэффициент яркости, причем с уменьшением углов падения света к поверхности покровов значение коэффициента яркости резко возрастает.

Прохождение света через прозрачное тело (среду), по аналогии с рассеиванием, характеризуется четырьмя возможными видами пропускания, представленными на рис.2.5

Рис.2.5

Отношение светового потока F_τ, прошедшего через тело или среду, к падающему световому потоку F на это тело или среду называется коэффициентом пропускания (τ):

τ =

где: 𝝀₁, 𝝀₂ соответственно минимальная и максимальная длина волны падающего светового потока;

- спектральный коэффициент пропускания, который представляет собой относительную величину пропускания какой-либо среды для монохроматического потока с длиной волны 𝝀.

Для различных длин волн коэффициенты пропускания и, аналогично, отражения в общем случае неодинаковы. Белые поверхности и бесцветные прозрачные среды обладают способностью отражать или пропускать падающие на них излучения одинаково для всех длин волн. В тоже время существуют поверхности и тела, которые по-разному отражают или пропускают различные волны, такие тела называют цветными. Если на это тело падает белый свет, то отраженный или прошедший через него свет будет не белый, а цветной. Такие материалы или среды характеризуются спектральными кривыми пропускания или отражения.

Рис.2.6

Среди таких материалов широкое распространение в авиации получили светофильтры, которые обычно представляют собой пластинки или соответствующие колпаки, изготовленные из цветного стекла. Характеристики светофильтра обязательно рассматриваются совместно со спектральной характеристикой источника света. Светофильтр выделяет ту часть спектра излучения, которая лежит в полосе пропускания фильтра. На рис.2.6 в качестве примера приведен расчет светового потока после прохождения фильтра.

На рисунке показаны: кривая 1 представляет излучение источника света в зависимости от длины волны; кривая 2- спектральное пропускание светофильтра. Кривая 3- световой поток источника, воспринимаемый глазом, она построена путем умножения кривой 1 на кривую относительной видности. Светофильтр будет пропускать только часть светового потока кривой 3 в соответствии со своей характеристикой 2. Этой части будет соответствовать кривая 4, которая получена умножением кривой 3 на кривую 2. Штриховка области ограниченной кривой 4 соответствует световому потоку, прошедшему через фильтр.

Пороговая освещенность

Световой сигнал создает определенную освещенность на зрачке наблюдателя. Минимальная величина освещенности, ниже которой человеческий глаз не реагирует на свет, называется пороговой освещенностью. Пороговая освещенность зависит от цвета излучения сигнала, яркости фона, на котором наблюдается сигнал, индивидуальных особенностей глаза наблюдателя. Величина пороговой освещенности даже у одного и того же наблюдателя различается в зависимости от его психологического состояния, времени в течение которого наблюдается сигнал и других причин. Для исключения разброса характеристик зрения отдельных наблюдателей вводится коэффициент запаса. К факторам влияющим на выбор коэффициента запаса относят также:

а) неизвестность направления, в котором следует наблюдать сигналы;

б) наблюдение сигналов через стекла машин;

в) шум двигателей, вибрация, кислородное голодание и другие причины.

Очень сильное влияние на величину пороговой освещенности оказывает яркость фона на котором регистрируется световой сигнал. Наименьшая пороговая освещенность получается при наблюдении светового сигнала на совершенно темном фоне, соответствующим яркости порядка 10^-6нит. Эта величина носит название абсолютного порога. Освещенность зрачка при этом 0,85 лк, с учетом коэффициента запаса расчетная пороговая освещенность – 8,5 лк. По мере увеличения яркости фона величина пороговой освещенности увеличивается, а дальность видимости сигналов уменьшается.

Расчет дальности видимости световых сигналов ведется для наиболее неблагоприятных условий. К такому случаю относят наблюдение в ясную лунную ночь на фоне снежного покрова. Яркость фона в этом случае составит 5 нт, освещенность - 5 лк. Расчетная пороговая освещенность для яркости фона 5 нт составляет 2 лк, т.е. имеет коэффициент запаса равный четырем.

Различают световой и цветовой пороги освещенности. Цветовой порог это минимальная освещенность глаза при котором он уверенно начинает воспринимать цвет сигнала. Под световым порогом цветного источника света понимается та минимальная освещенность на глазу наблюдателя, при которой только начинается наблюдаться световой сигнал без различия цвета сигнала. Уровень освещенности для цветового порога заметно выше чем для светового. Минимальным цветовым порогом обладает красный цвет, что явилось одной из причин применения красных светофильтров в заградительных огнях, обозначающих летные препятствия.

На рис. 2.7 показаны зависимости пороговых освещенностей (Е_пор) от яркости фона (L_ф): 1-абсолютный световой порог; 2- расчетный световой порог; 3- расчетный порог для красного огня; 4 -расчетный порог для зеленого огня; 5- расчетный порог для желтого огня. На рисунке также указаны яркости фона для различных состояний окружающего покрова.

Рис.2.7