ОСНОВЫСВЕТОТЕХНИКИ
Условием для овладения оптическими и фотографическими процессами является знание основополагающих определений и закономерностей светотехники.
Оптическое излучение
Свет – это часть электромагнитного излучения.
Электромагнитное излучение охватывает очень большой интервал длин волн: от космического и гамма-излучения до радио и звуковых частот.
В широком смысле светом принято называть электромагнитное излучение, составляющее оптическую область спектра, в которую входят ультрафиолетовое (от 10 до 380 нм), видимое (от 380 до 780 нм), и инфракрасное (от 780 нм до 1 мм) излучения.
Ультрафиолетовое излучение дает самые мощные фотоны и обладает сильным фотохимическим действием.
Излучения видимого света, несмотря на довольно узкий интервал, позволяют видеть все многообразиеокружающего нас мира.
Человеческий глаз практически не воспринимает излучения с крайними диапазонами длин волн (они оказывают на глаз слабое воздействие).
На практике видимым светом принято считать излучение с диапазоном длин волн 400-700 нм. Это излучение обладает значительным фотофизическим и фотохимическим действием, но меньшим, чем ультрафиолетовое.
Минимальной энергией из всей оптической области спектра обладают фотоны инфракрасного излучения. Для этого излучения характерно тепловое действие и, в значительно меньшей степени, фотофизическое и фотохимическое действие.
Отдельные длины волн в видимой части спектра ощущаются как цвета.
Красный свет имеет наибольшую длину волны. Далее она уменьшается от оранжевого до фиолетового цвета (К-О-Ж-З-Г-С-Ф). Белый свет содержит излучения всех длин волн видимого спектра.
|
|
Существует две теории для объяснения физических свойств света: волновая Кристиана Гюйгенса и квантовая Макса Планка. Первая лучше описывает такие явления, как поляризация, дифракция, цвет, а вторая – фотографические процессы и процессы переноса энергии.
По теории Максвелла, излучение распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, представляющей собой периодические колебания напряженности электрического и магнитного полей. Электрический вектор Е и магнитный вектор Н, выражающие относительные напряженности полей, находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях и оба перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 2.1).
 |
Рисунок 2.1 –Схематическое изображение электромагнитной волны
В квантовой теории всякое электромагнитное излучение рассматривается как поток частиц, называемых фотонами. Фотон существует только в движении и обладает энергией, массой и волновыми свойствами, которые характеризуются частотой νф или длиной волны λф.
Планк показал, что энергия фотона (квант энергии излучения – ε) определяется по формуле
где h – постоянная Планка (h = 6,626-10-34 Дж с); νф – частота излучения.
Масса фотона mфопределяется согласно выражению
где с – скорость распространения излучения.
Движение фотона сопровождает волновой процесс:
Виды излучения.
1) Монохроматическое (простое) – излучение, характеризующееся одним значением частоты или длины волны. Излучение в интервале длин волн Δλ < 10 нм называется однородным.
2) Сложное излучение – это излучение, состоящее из совокупности монохроматических излучений разных частот. В сложном излучении составляющие его простые излучения пространственно не разделены. Глаз и многие другие приемники реагируют на суммарное действие этих составляющих.
|
|
Совокупность монохроматических или однородных излучений образует спектр (в переводе с латинского – видимый). Различаются сплошные (непрерывные) спектры, характерные для тепловых излучателей, линейчатые, полосковые и смешанные – для дуговых и газоразрядных источников света.
В репродукционной технике модулированный свет является носителем информации при экспонировании фототехнических пленок и формных пластин.
Энергетические и световые (фотометрические) величины оптического излучения
Для количественной оценки излучения используется достаточно широкий круг величин, который условно можно разделить на две системы единиц: энергетическую и световую. При этом энергетические величины характеризуют излучение, относящееся ко всей оптической области спектра, а светотехнические величины – к видимому излучению. Энергетические величины пропорциональны соответствующим светотехническим величинам.
 |
Основной величиной в энергетической системе, позволяющей судить о количестве излучения, является поток излучения Фэ, или мощность излучения, т.е. количество энергии W, излучаемой, переносимой или поглощаемой в единицу времени:
Величину Фэ выражают в ваттах (Вт). – энергетическая единица
В большинстве случаев не учитывают квантовую природу возникновения излучения и считают его непрерывным.
|
|
Качественной характеристикой излучения является распределение потока излучения по спектру.
Для излучений, имеющих сплошной спектр, вводится понятие спектральной плотности потока излучения (jl) – отношение мощности излучения, приходящейся на определенный узкий участок спектра, к ширине этого участка (рис. 2.2). Для узкого спектрального диапазона dl поток излучения равен dФl. По оси ординат отложены спектральные плотности потока излучения jl = dФl/dl, поэтому поток представляется площадью элементарного участка графика, т.е.
 |
 |
Рисунок 2.2 – Зависимость спектральной плотности потока jl излучения от длины волны l
 |
Если спектр излучения лежит в границах от l1 до l2, то величина потока излучения
Под световым потоком F, в общем случае, понимают мощность излучения, оцененную по его действию на человеческий глаз. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). – светотехническая единица
Действие светового потока на глаз вызывает его определенную реакцию. В зависимости от уровня действия светового потока работает тот или иной вид светочувствительных приемников глаза, называемых палочками или колбочками. В условиях низкого уровня освещенности (например, при свете Луны) глаз видит окружающие предметы за счет палочек. При высоких уровнях освещенности начинает работать аппарат дневного зрения, за который ответственны колбочки.
Кроме того, колбочки по своему светочувствительному веществу делятся на три группы с разной чувствительностью в различных областях спектра. Поэтому в отличие от палочек они реагируют не только на световой поток, но и на его спектральный состав.
В связи с этим можно сказать, что световое действие двумерно.
Количественная характеристика реакции глаза, связанная с уровнем освещения, называется светлотой. Качественная характеристика, связанная с различным уровнем реакции трех групп колбочек, называется цветностью.
Сила света(I). В светотехнике эта величина принята за основную. Такой выбор не имеет принципиальной основы, а сделан из соображений удобства, так как сила света не зависит от расстояния.
Понятие силы света относится лишь к точечным источникам, т.е. к источникам, размеры которых малы по сравнению с расстоянием от них до освещаемой поверхности.
Сила света точечного источника в некотором направлении есть приходящийся на единицу телесного угла W световой поток Ф, излучаемый этим источником в данном направлении:
I = Ф / Ω
Энергетическая сила света выражается в ваттах на стерадиан (Вт/ср).
За светотехническую единицу силы света принята кандела (кд) – сила света точечного источника, который испускает световой поток в 1 лм, распределенный равномерно внутри телесного угла в 1 стерадиан (ср).
Телесным углом называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью и замкнутым криволинейным контуром, не проходящим через вершину угла (рис. 2.3). При сжатии конической поверхности размеры сферической площади о становятся бесконечно малыми. Телесный угол в этом случае также становится бесконечно малым:
Рисунок 2.3 – К определению понятия «телесный угол»
Освещенность (Е). Под энергетической освещенностью Еэ понимают поток излучения на единицу площади освещаемой поверхности Q:
Энергетическая освещенность выражается в Вт/м2.
Световая освещенность Е выражается плотностью светового потока F на освещаемой им поверхности (рис. 2.4):
За единицу световой освещенности принят люкс, т.е. освещенность поверхности, получающей равномерно распределенный по ней световой поток в 1 лм на площади в 1 м2.
Среди других величин, используемых в светотехнике, важными являются энергия излучения Wэ или световая энергия W, а также энергетическая Нэ или световая Н экспозиция.
Величины Wэ и W определяются выражениями
где 
– соответственно функции изменения потока излучения и светового потока во времени. Wэ измеряется в джоулях или Вт с, a W – в лм с.
Под энергетической Нэ или световой экспозицией понимают поверхностную плотность энергии излучения Wэ или световой энергии W соответственно на освещаемой поверхности.
То есть световая экспозиция H это произведение освещенности E, создаваемой источником излучения, на время t действия этого излучения.