Лекции по светотехнике по первому модулю - файл n1.doc

Лекции по светотехнике по первому модулю
скачать (584.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc748kb.04.03.2007 20:14скачать

n1.doc

Модуль 1

Светотехника



"Для художника или ремесленника свет одновременно и благословление, и проклятие – он неотделим от красоты искусства и вместе с тем способен физическим или химическим путем принести ему вред"

Thomas B. Brill

Видимый свет дает нам наиболее полное отображение или воспроизведение действительности. Зрение снабжает мозг человека значительно большим объемом информации, чем любой другой орган чувств, а наша способность обрабатывать зрительную информацию развита наиболее сильно. Преодолевая один из главных недостатков головного мозга — неспособность сохранять в визуальной памяти все подробности видимого изображения. — человек прошел долгий путь от наскальных рисунков до фотохимического (фотографического) воспроизведения и электронной (видео) записи изображений.

Сегодня наша жизнь почти столь же неразрывно связана с фотохимическими и электронными изображениями, как и с биологическими, т. е. с тем мимолетным «кинофильмом», который мы смотрим сквозь хрусталики наших глаз. Все эти три типа изображений обязаны своим происхождением одному и тому же источнику энергии — части спектра электромагнитного излучения, которую мы называем видимым светом, с интервалом длин волн от 0.44 до 0,70 мкм.

Свет по своей природе значительно более сложен и изменчив, чем может предположить обычный человек, время зрительного восприятия которого ограничено продолжительностью его жизни. Наши глаза и мозг сообща стремятся приспособить, скорректировать, отвергнуть или проигнорировать многие особенности освещения. Напротив, фотографические и видеосистемы регистрируют все точно. Полученные с их помощью изображения целиком определяются качеством существующего освещения. Без глубокого понимания природы света и освещения нельзя достичь профессионального мастерства при работе с системами записи изображений.
Основная цель – достижение понимания предмета с точки зрения естественных наук, а не конкретных видов искусства.

Свет и его свойства



Чтобы понять, как с помощью света выявляются цвет, текстура, внешний вид поверхности предмета, а также его дефекты, необходимо рассмотреть, что такое свет, как он получается, измеряется и взаимодействует с веществом.
Описание: свет - это



С

инусоидальная волна совершает простое гармоническое движение. Амплитуда – А,

волновая скорость – с,

длина волны (расстояние между соседними максимумами) – ?.

Число колебаний, совершаемое любой точкой за секунду – частота ?.
с = ? ?


Развитие представлений о свете. Табл.1.


1665

Роберт Гук, Франческо Грмальди

Первые представления о свете как о волне

1678

Христиан Гюйгенс

1801

Томас Юнг

Световые волны подчиняются законам интерференции (как волны на воде)

1817

Этьен Малюс

При отражении свет может поляризоваться

1817

Огюстен Жан Френель

Оптические явления можно объяснить, исходя из распространения поперечных волновых колебаний

1830-1850

Майкл Фарадей

Свет содержит электрическую и магнитную составляющие




Лорд Кельвин (Уильям Томсон)

Аналогия между потоком тепла и проводимостью тока

1867

Людвиг В. Лоренц

Волновая теория света

1888

Генрих Герц

Экспериментальное доказательство того, что электромагнитные волны, испускаемые электрическими контурами, подчиняются всем законам отражения, преломления, поляризации и т.д., которым подчиняются оптические волны


Таким образом, были установлены волновые свойства света и доказана его электромагнитная природа.
Начало ХХ века – корпускулярная теория (Эйнштейн). Оказалось, что свет обладает такими свойствами, которые можно объяснить только, если предположить, что свет обладает корпускулярными свойствами (является потоком частиц – фотонов).
В 1900 г. Макс Планк установил, что энергия Е испускаемого излучения пропорциональна его частоте ? в соответствии со следующим уравнением:

Е = h?,

где h – постоянная Планка.
Эти две модели, одна из которых предусматривает волны, а другая – корпускулы (фотоны), представляли невероятно трудную необходимость выбора для любого желающего "понять" свет. Современную теорию света можно установить только в математическом виде. Она объединяет электромагнитную теорию Максвелла с понятиями фотонов и относительности Эйнштейна. Мы сконцентрируемся на практических свойствах света.
Другая употребительная форма формулы Планка:

Е = hc/?

(c – скорость света).

Частота, с помощью которой измеряется число колебаний волны в секунду, определяет длину волны ?, так что разным энергиям соответствуют различные длины волн. Чем больше ?, тем меньше ?.

При рассмотрении интерференции и поляризации света удобнее использовать волновую модель, в фотохимии наиболее часто применяется понятие фотона.
Следуя электромагнитной теории Максвелла, мы можем представить графически отдельную световую волну в виде, показанном на рис. 1. В простой электромагнитной волне содержатся электрическая и магнитная волны, перпендикулярные друг другу, но совершающие колебания в одной фазе. Они колеблются в направлении, перпендикулярном оси z, которая называется вектором распространения волны. Электрическая и магнитная волны часто описываются векторами. Вектор электрического поля волны взаимодействует с электрическими полями в атомах, и поэтому он очень важен для обсуждений в курсе "Светотехники".


Частота ? характеризует число колебательных циклов волны, совершенных за 1 с. Единица ? является величиной, обратной секунде (с-1), или, более точно герцем (Гц), который эквивалентен с-1. Величина h в уравнении Планка, связывающем энергию с частотой, равна 6,62∙10-34 Дж∙с. Следовательно, энергия Е будет выражаться в джоулях. Удобной единицей, связанной с энергией, является волновое число . Оно представляет собой число пиков волны на сантиметр, равно 1/? и выражается в обратных сантиметрах (см-1).
Длина волны может выражаться целым рядом способов, наиболее распространенные единицы представлены в табл. 2

Коэффициенты перевода для единиц длины

Умножить число

Ангстрем

Нанометр

Микро-метр

Милли-метр

Санти-метр

Метр




Чтобы получить число

Ангстрем

1

10

104

107

108

1010

Нанометр

10-1

1

103

106

107

109

Микрометр

10-4

10-3

1

103

104

106

Миллиметр

10-7

10-6

10-3

1

10

103

Сантиметр

10-8

10-7

10-4

0,1

1

102

Метр

10-10

10-9

10-6

10-3

10-2

1


Об интенсивности света можно говорить как о потоке фотонов или об амплитуде волны. Используются оба понятия (в зависимости от их применения).

Взаимодействие электрического вектора с веществом вызывает отражение, преломление и пропускание волны, а также цвет, химические реакции и нагревание в большинстве веществ. Все эти явления будут предметом нашего обсуждения.
Символ h? часто используется в описании химических реакций для того, чтобы указать, что для их протекания необходим фотон электромагнитного излучения. Например, важная для человеческого зрения реакция включает вызванную светом изомеризацию витамина А, содержащегося в сетчатке глаза:

цис-сетчатка + h??транс-сетчатка.
Символ h? характеризует энергию света и не нарушает баланса масс химической реакции.

Реакция молекул на излучение



Молекулы подвергаются воздействию, встречаясь практически со всеми типами излучения. В табл. 3 суммированы явления, которые происходят в молекулах при воздействии на них электромагнитного излучения различных длин волн.
Явления, вызываемые излучением различных длин волн

Длина волны

Частота, Гц

Название области применения

Реакция атомов и молекул

3∙108 - 3∙105 м

1 - 103

Силовая

Нет

3∙105 – 300 м

103 - 106

Звуковая

Нет

300 – 3 м

106 - 108

Радиоволновая

Молекулярные переносы, ядерные переориентации

3 – 10-4

108 - 3∙1012

Микроволновая

Молекулярные вращения, электронные переориентации

105 – 700 нм

3∙1012 - 4∙1014

Инфракрасная

Молекулярные колебания, тепловые эффекты

700 – 400 нм

4∙1014 - 7∙1014

Видимая

Низкоэнергетические электронные переходы в валентной оболочке

400 – 10 нм

7∙1014 - 3∙1016

Ультрафиолетовая

Высокоэнергетические электронные переходы в валентной оболочке

10 – 0,03 нм

3∙1016 - 1019

Рентгеновская

Электронные переходы во внутренних оболочках; дифракция на атомах

0,03 - 3∙10-4 нм

1019 - 1023

Гамма-лучи

Ядерные переходы


Естественное излучение, порожденное Вселенной, содержит все возможные длины волн в силу многообразия и сложности всей совокупности небесных явлений. В земных условиях, если необходимо воспроизвести излучение в широком диапазоне энергий, необходимо обладать несколькими источниками энергии.
Вид электромагнитной волны с самой низкой энергией встречается в генераторах, используемых для получения электрического тока. В России промышленный электрический ток стандартизован и имеет частоту 50 цикл/с (50 Гц). Такая частота воспроизводит длину волны 6∙106 м. Так называемый звуковой диапазон электромагнитного излучения используется в микрофонах, телефонах и телеграфе.

Радиоволны – электромагнитные волны с наименьшей энергией, из всех, которые могут оказывать непосредственное воздействие на отдельные атомы. однако энергия этих волн настолько мала, что она может только передвигать целые молекулы на короткое расстояние в пространстве (трансляция) и переориентировать некоторые ядра по отношению к другим ядрам в молекулах. Последний эффект лежит в основе спектроскопического метода ядерного магнитного резонанса.

Энергии, соответствующие микроволновой области, заставляют молекулы газа вращаться вокруг их центров масс и также меняют взаимную ориентацию электронов. Первый эффект составляет основу микроволновой спектроскопии, используемой для изучения молекулярных вращений, второй – основу электронной спиновой резонансной спектроскопии, применяемой при изучении состояния неспаренных электронов в химических системах.

Энергии, соответствующие инфракрасной области, вступают в резонанс с колебаниями атомов в химических связях. Этот эффект используется в инфракрасной спектроскопии.

Энергии видимой и ультрафиолетовой областей могут вызвать возбуждение электронов в атомах и молекулах с их переводом из нижних электронных состояний в верхние. так как энергия лучей возрастает, возбуждаемые электроны переходят в новое состояние с более стабильных энергетических уровней.

Рентгеновское излучение вызывает возбуждения электронов во внутренних электронных оболочках, поскольку имеет длину волны, которая близка к размерам самих атомов. Атомы могут вызывать дифракцию рентгеновских лучей. Возбуждение лежит в основе рентгеноспектрального флуоресцентного анализа и спектроскопии рентгеновских фотоэлектронов. а дифракция используется для индентификации кристаллической решетки и определения кристаллической структуры.

Гамма-лучи пригодны для применения электромагнитного излучения с наибольшей энергией. они вызывают возбуждение ядер с их переводом из нижних энергетических состояний в высшие и лежат в основе мессбауэровской спектроскопии.
Что касается полиграфической продукции и произведений искусства, наибольшее значение имеют средние энергии (инфракрасная, видимая и ультрафиолетовая) в связи с тем, что в обычной жизни они обычно подвергаются действию этих видов излучения.






Можно провести дополнительную классификацию, как на рис. 2.

Ультрафиолетовое излучение



Ультрафиолетовое излучение было открыто в 1801 г. И.В. Риттером, который в своих опытах использовал солнечный свет, стеклянную призму и пластинку, покрытую хлоридом серебра. Галоиды серебра чувствительны к УФ-излучению. Риттер обнаружил, что пластинка темнела вначале вне фиолетового края спектра, затем в фиолетовой области и в конце концов в синей области, что служило доказательством существования излучения с длинами волн короче, чем у фиолетовых лучей. Эти длины волн невидимы глазу и были названы ультрафиолетовыми. В настоящее время ультрафиолетовый диапазон определяется приблизительно как область длин волн 10 – 400 нм. Для удобства эта область иногда подразделяется на более мелкие участки. Диапазон 10 – 180 нм получил название вакуумного ультрафиолета вследствие того, что такое излучение пропускается только вакуумом. Диапазон 180 – 180 нм называется коротковолновым или далеким ультрафиолетом (далекая область ультрафиолетового спектра). В этом диапазоне прозрачны для излучения кварц и фотографический желатин. Диапазон длин волн 280 – 300 нм известен как средний ультрафиолет и обуславливает загар кожи. Диапазон 300 – 400 нм называют длинноволновым или ближним ультрафиолетом (ближняя область ультрафиолетового спектра). Обычное стекло пропускает излучение в этом диапазоне. Вакуумное излучение не будет рассматриваться в дальнейшем, т.к. оно не распространяется в воздухе, а излучение в диапазоне 200 – 400 нм является преобладающим; оно вызывает химические реакции и разрыв связей во многих органических соединениях.

Однако в этих фотохимических реакциях есть и положительная сторона. Художникам известно, что подвергая свежеокрашенный предмет действию дневного света, они ускоряют сушку и окисление масел, что необходимо сделать, прежде, чем покрывать изделие лаком. УФ-излучение можно использовать при исследовании пленок красок и лаков для доказательства внесенных исправлений. Под действием УФ-излученния органические соединения часто оказывают влияние на флуоресценцию друг друга. Например, смола мастикового дерева и даммаровая смола в старом лаке дают желто-зеленую флуоресценцию, интенсивность которой может с течением времени меняться. Свежий искусственный лак не флуоресцирует. Воск флуоресцирует ярко-белым, а шеллак – оранжевым светом. С увеличением срока службы интенсивность флуоресценции автомобильных красок часто имеет тенденцию к возрастанию. При ультрафиолетовом освещении недавние исправления на картинах выглядят пурпурными или черными. Однако с годами они становятся серее, в то время как не покрытые лаком участки темной краски имеют глубокий пурпурно-коричневый цвет. при УФ освещении становятся явными покрытые бурыми пятнами повреждения на бумаге, так же как изменения и подчистки на старой бумаге. такие материалы, как минералы, кости, зубы, флуоресцируют при воздействии УФ излучения. Искусственные драгоценности, которые выглядят точно так же, как настоящие при дневном свете, могут показаться совсем другими при ультрафиолетовом освещении. С другой стороны, УФ излучение очень вредно для многих материалов.

Видимое излучение



Большинство представителей животного мира обладает способностью некоторым образом "видеть". Человеческий глаз реагирует только на крошечную часть диапазона электромагнитного излучения. Мы называем эту область видимой. Для человеческого глаза диапазон видимых длин волн составляет приблизительно 400 – 700 нм. Однако далеко не для всех животных этот диапазон можно рассматривать как видимую область. Пчелы, например, могут видеть в ближней УФ области, которая невидима для людей. Это позволяет им ощущать различия в цветах, которые люди не могут сделать.

Реакция человеческого глаза и мозга на разные длины волн и интенсивность света различается в диапазоне 400 – 700 нм и дает нам ощущения, которые мы называем цветом, текстурой, прозрачностью и т.д. Белый свет можно создать смесью всех цветов. Что касается человеческого глаза, то имеются ситуации, которые дают впечатление, что существует белый свет, хотя он может и не быть спектрально чистым.
Цвет и его происхождение занимали воображение многих великих естествоиспытателей. Однако лишь Ньютону удалось разработать прочную основу теории цвета. В 1672 г. Ньютон экспериментально показал, что проходящий через стеклянную призму пучок белого света разлагается в спектр, состоящий из большого числа цветов (от красного до фиолетового), которые постепенно сливаются друг с другом. Эти цвета являются составляющими, а не видоизменениями белого света. Рис. 3 иллюстрирует это хорошо знакомое свойство прозрачных материалов и света.

Р


ис. 3. Разложение видимого белого света на составляющие его области длин волн (цвета) с помощью стеклянной призмы.



Объяснение экспериментальных наблюдений Ньютона с призмой заключается в том факте, что свет всех длин волн проходит с одной и той же скоростью сквозь пустое пространство. Однако в любой другой среде свет разных длин волн распространяется с разной скоростью. В результате этого может происходить разделение волн. Разложение средой белого света на разные цвета, или, что равнозначно, на разные длины волн, называется дисперсией. Тем самым удобно подразделить видимый диапазон в соответствии с различной реакцией на свет, вызванной в человеческом глазе, на шесть интервалов, простирающихся от самой длинной до самой короткой длины волны. Эти интервалы соответствуют красному, оранжевому, зеленому, синему и фиолетовому свету.

На рис. 3 представлен случай нормальной дисперсии. Он имеет место для бесцветной прозрачной среды. Этот вид дисперсии называется нормальной в связи с тем, что красный свет (наибольшая длина волны) имеет самую высокую скорость и наименьшую дисперсию, в то время, как фиолетовый свет (самая короткая длина волны) имеет самую низкую скорость и наибольшую дисперсию. Между красным и фиолетовым последовательно размещаются другие цвета. Если быть более точным, дисперсия видимого света с длиной волны изменяется приблизительно по закону 1/?3. По этой причине самые короткие длины волн обладают наибольшей дисперсией (1/?3 возрастает) и большой степенью ее изменения при малых вариациях (функция 1/?3 нелинейна по ?3 ) по сравнению с длинными волнами. Другой тип разделения света по длинам волн, называемый аномальной дисперсией, наблюдается в цветной среде. В области спектра, в которой происходит поглощение света, при аномальной дисперсии самые длинные волны имеют большую дисперсию по сравнению с короткими. Следовательно, последовательности цветов в соответствии с рис. 3 не наблюдается.

Видимый свет может вызвать многие химические реакции. Однако обычно считается, что свет больших энергий (длины волн от 400 до 500 нм) вызывает наибольшее беспокойство, так как именно он может приводить к фотохимическим реакциям.

Инфракрасное излучение



Существование излучения за красным краем видимого спектра было открыто в 1800 г. Уильямом Гершелем. Он заметил, что помещенный в спектр солнечного света зачерненный термометр обнаруживает сильное повышение температуры даже за красным краем видимого спектра. Этот эксперимент показал существование невидимых волн, более длинных по сравнению с красными, и это излучение стало известно под названием инфракрасного (ИК). Разумеется, воздействия ИК-излучения известны с давних времен. Инфракрасное излучение, вызванное пламенем, было одним из явлений, оказавших наибольшее влияние на развитие человечества.
Диапазон энергии ИК излучения занимает широкую область, начиная с низкоэнергетической стороны видимого спектра. Энергии, соответствующие длинам волн 700 – 1400 нм, пропускаются фильтрами, обычно используемыми для защиты от УФ излучения, в то время как более длинные волны сквозь них не проникают. Вследствие этого к энергии ИК излучения этих диапазонов иногда применяют термины "проникающая" и "непроникающая".

ИК излучение вызывает тепловые эффекты, которые могут механическим или химическим путем изменять материалы, в то время как фотохимические механизмы редко приводят к таким изменениям. При воздействии ИК излучения на дерево, стекло и керамику в них происходят такие механические изменения, как сжатие, растрескивание и сушка. Если происходят химические изменения, то обычно они являются косвенным результатом ИК излучения. Если химическая реакция уже происходит, то независимо от того, медленная она или быстрая, тепло от воздействия ИК излучения будет ускорять реакцию. Пожелтение пленок природного лака может быть прямым результатом воздействия ИК излучения. Однако пленки искусственного лака обычно не чувствительны к ИК излучению.
Благодаря использованию инфракрасной фотографии ИК излучение может оказаться важным методом исследования качества художественных и печатных изображений. В ряде случаев ИК лучи могут проникать сквозь зрительно непрозрачные лаки и тонкие пленки и с помощью просмотрового прожектора или ИК фотографии выявлять подкрашивание, рисунки или исправленные участки. ИК излучение можно использовать для " видения сквозь" непрозрачные пленки из-за того, что оно является более длинноволновым по сравнению с видимым излучением. Следовательно в пленке инфракрасное излучение рассеивается маленькими частицами значительно меньше, чем видимый свет (рис. 5).




Рис. 5. Применение техники отражения в ИК лучах к определению коррозии(справа) детали самолета с нанесенным зеленым покрытием (слева).



Поэтому ИК лучи могут проникать сквозь верхние слои и преодолевать их непрозрачность. Становится возможным наблюдать детали в слое краски, которая потемнела от старого лака и грязи. Иногда таким образом можно обнаружить подделки, поскольку подкраска может отличаться от того, что находится на поверхности.

Светотехника
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации