Диффузно отражающие материалы с коэффициентом отражения

Значения коэффициентов отражения некоторых конкретных поверхностей приведены в табл. 5.

В связи с тем, что в поле зрения могут попадать объекты с различной яркостью, введено понятие адаптирующей яркости(B_а), под которой понимают ту яркость, на которую адаптирован (настроен) в данный момент время зрительный анализатор. Приближённо можно считать, что для изображений с прямым контрастом адаптирующая яркость равна яркости фона, а для изображений с обратным контрастом — яркости объекта [2]. Диапазон чувствительности зрительного анализатора очень широк: от 10 -6 до 10 6 кд/м 2 . Наилучшим условиям работы соответствуют уровни адаптирующей яркости в пределах от нескольких десятков до нескольких сотенкд/м 2 .

Значения коэффициентов отражения некоторых поверхностей

Бумага белая тонкая

Фаянсовая плита белая

Стекло молочное (2 – 3 мм)

Эмаль фарфоровая белая

Белая клеевая краска

Следует иметь в виду, что обеспечение требуемой величины контраста является только необходимым, но ещё недостаточным условием нормальной видимости объектов. Нужно также знать, как этот контраст воспринимается в данных условиях. Для его оценки зрительного восприятия объектов вводится понятие порогового контраста:

где B_пор— пороговая разность яркости, т. е. минимальная разность яркостей предмета и фона, которая ещё обнаруживается глазом. Таким образом, величинаК_поропределяется дифференциальным порогом различения. Для получения оптимального оперативного порога различения необходимо, чтобы фактическая величина разности яркости предмета и фона была в 10 — 15 раз больше пороговой. Это означает, что для нормальной видимости величина контраста, рассчитанная по формулам (1), должна быть больше величиныК_порв 10 – 15 раз. Таким образом, отношение величины контраста объекта наблюдения к его значению (характеристика способности глаза воспринимать объект) называютвидимостью:

. (4)

Величина порогового контраста зависит от яркости фона и от угловых размеров α_обнаблюдения объектов. Следует заметить, что объекты с бóльшими размерами видны при меньших контрастах и что с увеличением яркости уменьшается требуемая величина порогового контраста.

Для ориентировочной оценки величины прямого порогового контраста в работе [3] предлагается эмпирическая формула:

, (5)

; (5 1 )

; (5 2 )

; (5 3 )

Для оценки величины обратного порогового контраста для1′ ≤ α_об ≤ 16′ предлагается аппроксимация другой эмпирической формулы [4]:

, (6)

При угловых размерах наблюдаемых объектов, превышающих 16 угловых минут (α_об > 16′), можно использовать формулу [4]:

, (6′)

Связь угловых и линейных размеров наблюдаемых объектов для общего случая иллюстрируется на рис. 4, где: l_об–линейный размер наблюдаемого объекта;l_xиl_y– расстояния от точки наблюдения (расположения глаза человека) до центра наблюдаемого объекта, взятые по горизонтали и вертикали, соответственно;β_об– угол отклонения плоскости наблюдаемого объекта от горизонтали. Величиныl_об,l_x,l_yиβ_обопределяются особенностями и организацией конкретного рабочего места. Остальные обозначенные на рис. 4 величины являются вспомогательными:l_наб– прямое расстояние от точки наблюдения до центра наблюдаемого объекта; h_наб– расстояние по нормали от точки наблюдения до плоскости наблюдаемого объекта;β_наб– угол зрения относительно плоскости наблюдаемого объекта;α₁иα₂– вспомогательные углы.

Рис. 4. Связь угловых (α) и линейных (l_о) размеров наблюдаемых объектов

Геометрия чертежа на рис. 4 определяет следующие выражения для вспомогательных величин:

;;(7)

; (8)

и, следовательно, угловой размер наблюдаемого объекта может быть определён как:

Большое влияние на условия видимости объектов оказывает величина внешней освещённости. Однако это влияние будет различным при работе с изображениями, имеющими прямой или обратный контраст. Увеличение освещённости при прямом контрасте приводит к улучшению условий видимости (величина К_прувеличивается) и, наоборот, при обратном контрасте — к ухудшению видимости (величинаК_обуменьшается).

При увеличении освещённости величина К_прувеличивается, поскольку яркость фона возрастает в большей степени, чем яркость объекта (коэффициент отражения фона больше коэффициента отражения объекта). ВеличинаК_обпри этом уменьшается, т. к. яркость объекта практически не меняется (предмет светится), а яркость фона увеличивается.

Во многих случаях в поле зрения оператора могут оказаться световые сигналы с различной интенсивностью. При этом чрезмерно яркие объекты могут вызывать нежелательное состояние органов зрения – ослеплённость. Особенно сильно негативное влияние на работу органов зрения оказывают элементы с большой яркостью, в качестве которых могут выступать чрезмерно яркие части светильников (например, нить накала ламп накаливания) или других источников света – прямое действие, а также их зеркальные отражения – отражённое действие. Слепящая яркость определяется размером и яркостью светящейся поверхности, а также уровнем яркости адаптации органов зрения. Минимальные уровни яркости, которые начинают вызывать эффект ослеплённости, приближённо можно определить по эмпирической формуле [5]:

, (10)

где Ω_сп– телесный угол наблюдения оператором светящейся поверхности (в стерадианах), величину которого приближённо можно определить как отношение площади светящейся поверхности к квадрату расстояния от этой поверхности до органов зрения.

Следует иметь в виду, что фактические уровни яркости наблюдаемых объектов следует оценивать по формулам (2) и (3), а с помощью формулы (10) может быть осуществлена лишь проверка фактических уровней яркости на предмет возникновения слепящего эффекта. Для нормального восприятия яркости наблюдаемых объектов необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

Наряду с задачей концентрации светового потока нередко возникает потребность распределения этого потока на большую площадь с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой цели обычно заставляют световой поток отражаться и рассеиваться соответствующими поверхностями. Однако надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока отражается или пропускается телом, часть же неминуемо поглощается.

Тот факт, что мы видим тела, связан с тем, что они различным образом отражают, преломляют и поглощают падающий на них свет. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает меньше света, чем окружающие его тела, то оно будет казаться нам темным. Например, белая бумага отражает свет сильнее, чем серый картон, и кусочек картона на листе бумаги кажется нам темным. Этот же кусочек картона, если его положить на черный бархат (очень слабо отражающее тело), кажется нам светлым. Тело, отражающее свет так же, как и окружающий фон, сливается с этим фоном.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, частично в прошедшем через них свете. Рассматривая, например, такой, казалось бы, простой предмет, как граненая стеклянная пробка от графина, мы имеем дело с рядом сложных явлений: свет частично отражается от граней пробки или рассеивается, если ее грани матированы; часть света проходит сквозь пробку, преломляясь на ее поверхности. Если вполне прозрачное тело погрузить в жидкость с тем же показателем преломления, как у данного тела, то оно станет невидимым, так как световые лучи пройдут через него, не изменяя ни своего направления, ни интенсивности.

Поглощение света ведет к потерям в световом потоке, энергия которого расходуется при этом главным образом на нагревание поглощающего тела. Как правило, стремятся избегать поглощения светового потока; иногда, впрочем, бывает необходимо обеспечить темный фон или устранить световые потоки нежелательного направления; при этом прибегают к сильно поглощающим покрытиям (например, чернение некоторых поверхностей внутри оптических приборов). Поглощение характеризуется коэффициентом поглощения , равным отношению светового потока поглощенного телом, к световому потоку , падающему на тело:

. (76.1)

Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения , показывающим отношение отраженного потока к падающему , т. е.

. (76.2)

Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания , равный отношению пропущенного телом светового потока к падающему , т. е.

. (76.3)

По закону сохранения энергии имеем

откуда на основании (76.1), (76.2) и (76.3) следует

. (76.4)

Итак, сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания равна единице. Коэффициенты зависят обычно от цвета (длины волны) света.

Как при отражении, так и при пропускании светового потока следует различать направленное и диффузное (рассеянное) отражение и пропускание.

При зеркальном отражении от плоской поверхности телесный угол светового потока не изменяется (рис. 162, а, в). При рассеянном отражении происходит увеличение телесного угла, в котором распространяется световой поток (рис. 162, 6, г). Увеличение может быть более или менее значительным в зависимости от свойств рассеивающей поверхности. Аналогично, направленное пропускание характеризуется сохранением телесного угла при прохождении потока сквозь тело, например прохождении света через плоскопараллельную пластинку (рис. 163, а). В противоположность этому диффузное пропускание сопровождается более или менее значительным увеличением телесного угла светового потока. Примером диффузно отражающей поверхности может служить матовая бумага; примером диффузно пропускающего материала — так называемые молочные стекла. Матовое стекло является одновременно и диффузным отражателем и диффузно пропускающей средой.

Рис. 162. Отражение светового потока от плоскостей поверхности: а) направленное отражение; диаграмма 6) не изменяется при изменении угла падения первичного пучка; в) направленное (зеркальное) отражение; параллельный пучок света, падающий на полированной металлическую поверхность, создает резко очерченный отраженный луч; г) диффузное отражение; при падении параллельного пучка световых лучей на белую бумагу свет отражается по всем направлениям.

Рис. 163. Пропускание света плоскопараллельной пластинкой: а) направленное пропускание; 6) диффузное пропускание. Диаграмма б) не меняется при изменении угла падения первичного пучка

Рассеивающие свойства поверхности характеризуются диаграммами, подобными изображенным на рис. 162, б и 163, б, где длины стрелок показывают, какая часть света рассеивается в том или ином направлении. Диффузно отражающие поверхности могут различаться также и по коэффициенту отражения, который для таких поверхностей обычно называют альбедо. Так, белая бумага для рисования имеет альбедо около . Очень высокое альбедо — около — имеют поверхности, покрытые окисью магния (белый порошок, получающийся при сжигании металлического магния). Наоборот, очень малым альбедо обладает черный бархат — от до .

При наблюдении земной поверхности с самолета и особенно при аэрофотосъемке большое значение имеет альбедо земных покровов и его зависимость от цвета (длины волны). Различные почвы имеют альбедо от до, причем большие значения соответствуют области оранжево-красного цвета; пески мало отражают (около) в фиолетовой области, особенно важной при фотосъемке, но их альбедо в красной пасти повышается до. Трава и листья имеют альбедо до в желто-зеленой части (особенно к осени); очень велико альбедо снега, достигающее для всех цветов.