Свет. Основные светотехнические величины и единицы



Рис. 5.1. Прямолинейное распространение света

Отражение света (О.с.) явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой воздействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду. При этом, по крайней мере, первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучения. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей.

Пространственное распределение интенсивности отражённого света определяется отношением размеров неровностей поверхности (границы раздела) к длине волны l падающего излучения. Если неровности малы по сравнению с l, имеет место правильное, или зеркальное, О.с. Когда размеры неровностей соизмеримы с l или превышают её (шероховатые поверхности, матовые поверхности) и расположение неровностей беспорядочно, О.с. диффузно. Возможно также смешанное О.с., при котором часть падающего излучения отражается зеркально, а часть - диффузно. Если же неровности с размерами =l и более расположены регулярно, распределение отражённого света имеет особый характер, близкий к наблюдаемому при О.с. от дифракционной решётки. О.с. тесно связано с явлениями преломления света (при полной или неполной прозрачности отражающей среды) и поглощения света (при её неполной прозрачности или непрозрачности).

Зеркальное О.с. отличает определенная связь положений падающего и отражённого лучей:

1. Отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности.

2. Угол отражения i` равен углу падения i (см. рис. 5.2).

Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от б и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 второй и первой сред (о преломлении света см. ниже).

Рис. 5.2. Зеркальное отражение света: N - нормаль к отражающей поверхности (границе раздела); i - угол падения; i` -угол отражения (i = i`).

Диффузное О.с. - его рассеивание неровной поверхностью второй среды по всем возможным направлениям. Пространственное распределение отражённого потока излучения и его интенсивность различны в разных конкретных случаях и определяются соотношением между l и размерами неровностей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, свойствами отражающей среды. Диффузное О.с. наблюдается также от сред, внутренняя структура которых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в первую среду. И поглощение, и рассеяние света во второй среде могут сильно зависеть от l. Результатом этого является изменение спектрального состава диффузно отражённого света, что (при освещении белым светом) визуально воспринимается как окраска тел.

Преломление света. На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света.

Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров. В этом нас могут убедить простые наблюдения. Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Установим наклонно карандаш в сосуде с водой. Если посмотреть на сосуд сбоку, то можно заметить, что часть карандаша, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Иллюстрация к явлению преломления света

Падающий, отраженный и преломленный лучи нетрудно наблюдать, сделав узкий световой пучок видимым. Ход такого пучка в воздухе можно проследить, если пустить в воздух немного дыма или же поставить экран под небольшим углом к лучу. Преломленный пучок также виден в подкрашенной флюоресцентом воде аквариума (см. рис. 5.4).



Рис. 5.4. Отражение и преломление падающего луча

Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред - преломлением света.

Закон преломления света определяет взаимное расположение падающего луча АВ (см. рис. 5.5), преломленного луча DB и перпендикуляра СЕ к поверхности раздела сред, восставленного в точке падения. Угол называется углом падения, а угол - углом преломления.

Рис. 5.5. Закон преломления света

Закон преломления звучит так:

1. Луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к поверхности раздела лежат в одной плоскости.

2. Угол падения и угол преломления связаны соотношением

(5.1)

где n - постоянная величина, не зависящая от угла падания и определяющаяся оптическими свойствами среды.

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду. Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т.е. от температуры вещества его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого - меньше, чем для фиолетового. Например, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно п₁1,000292.

Значения показателей преломления для некоторых веществ относительно воздуха приведены в табл. 5.1 (данные относятся к желтому свету).

Значения показателей преломления веществ относительно воздуха

Таблица 5.1

Вещество	Показатель преломления относительно воздуха
Вода (при 20°С) Кедровое масло (при 20°С) Сероуглерод (при 20°С) Лед Каменная соль Кварц Рубин Алмаз Различные сорта стекла	1.33 1,52 1,63 1,31 1,54 1.54 1,76 2,42 От 1,47 до 2.04

Ход лучей в треугольной призме. Закон преломления света позволяет рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например в треугольной призме, изготовленной из стекла или других прозрачных материалов.

Рис. 5.6. Ход лучей в треугольной призме

На рисунке 5.6 изображено сечение стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях ОА и 0В. Угол между этими гранями называют преломляющим углом призмы. Угол отклонения луча зависит от преломляющего угла призмы , показателя преломления п материала призмы и угла падения . Он может быть вычислен с помощью закона преломления.

5.2 Светотехнические величины

Количественные показатели:

1. Лучистая энергия (Дж).

2. Лучистый поток (Вт, количество энергии/t).

3. Световой поток (F, люмен (лм)).

4. Освещённость (поверхностная плотность светового потока, E=F/S, люкс (лк)).

5. Сила света (пространственная плотность светового потока, I=F/W, кандела (кд), W - телесный, или пространственный угол (стерадиан)).

6. Яркость (B=I/SЧcos , кд/м² , нит).

7. Коэффициент отражения.

Качественные показатели:

1. Коэффициент пульсации.

2. Показатель ослеплённости и показатель дискомфорта.

3. Спектральный состав света.

Также для оценки условий зрительной работы используются такие характеристики, как:

4. Фон.

5. Контраст объекта с фоном.

6. Видимость объекта.

Сила света источника (I). Это количественная величина потока излучения, приходящегося на единицу телесного угла (Щ) предела его распространения. Иными словами это количество света (в люменах), приходящееся на 1 стерадиан. Стерадиан (ср (кириллицей), sr) - единица измерения (в системе СИ) телесного угла. Единицей силы света является кандела (кд), от от лат. candela -- свеча, ранее определяемая как сила света, испускаемая с поверхности абсолютно чёрного тела площадью 1/600000 м², нагретого до температуры затвердевания платины (2046,65°К) и при давлении 101325 Па. Современное определение: сила света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540Ч1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому. До 1970 г. называлась свечой, так как сила света, излучаемая свечой, примерно равна одной канделе.

Телесный угол - часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность (которая называется поверхностью, стягивающей данный телесный угол). Частными случаями телесного угла являются трёхгранные и многогранные углы. Границей телесного угла является некоторая коническая поверхность.

Телесный угол измеряется отношением площади той части сферы с центром в вершине угла, которая вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы:

(5.2)

Рис. 5.7. Телесный (пространственный) угол, стерадиан

Очевидно, телесные углы измеряются отвлечёнными (безразмерными) величинами. Как уже сказано выше, единицей измерения телесного угла является стерадиан, равный телесному углу, вырезающему из сферы радиуса r поверхность с площадью r². Полная сфера образует телесный угол, равный 4р стерадиан (полный телесный угол). Кроме стерадианов, телесный угол может измеряться в квадратных градусах, квадратных минутах и квадратных секундах, а также в долях полного телесного угла.

Коэффициенты пересчёта единиц телесного угла

Таблица 5.2

	Стерадиан	Кв. градус	Кв. минута	Кв. секунда	Полный угол
1 стерадиан =	1	(180/р)І? ?3282,806 кв. градусов	(180Ч60/р)І? ?1,1818103Ч107 кв. минут	(180Ч60Ч60/р)І? ?4,254517Ч1010 кв. секунд	1/4р? ?0,07957747 полного угла
1 кв. градус =	(р/180)І? ?3,0461742Ч10?4 стерадиан	1	60І= =3600 кв. минут	(60Ч60)І= =12960000 кв. секунд	р/(2Ч180)І? ?2,424068Ч10?5 полного угла
1 кв. минута =	(р/(180Ч60))І? ?8,461595Ч10?8 стерадиан	1/60І? ?2,7777778Ч10?4 кв. градусов	1	60І= =3600 кв. секунд	р/(2Ч180Ч60)І? ?6,73352335Ч10?9 полного угла
1 кв. секунда =	(р/(180Ч60Ч60))І? ?2,35044305Ч10?11 стерадиан	1/(60Ч60)І? ?7,71604938Ч10?8 кв. градусов	1/60І? ?2,7777778Ч10?4 кв. минут	1	р/(2Ч180Ч60Ч60)І? ?1,87042315Ч10?12 полного угла
Полный угол =	4р? ?12,5663706 стерадиан	(2Ч180)І/р? ?41252,96125 кв. градусов	(2Ч180Ч60)І/р? ?1,48511066Ч108 кв. минут	(2Ч180Ч60Ч60)І/р? ?5,34638378Ч1011 кв. секунд	1

Телесный угол нужно выбирать таким образом, чтобы ограничиваемый им поток можно было бы считать наиболее равномерным. Тогда единица телесного угла в этом направлении от источника будет содержать силу света численно равную световому потоку I:

-

Если световой поток Ф испускается точечным источником равномерно по всем направлениям, то есть истинная сила света точечного источника по любому направлению.

Световой поток (Ц). Световой поток - физическая величина, характеризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, это мощность такого излучения, которое доступно для восприятия нормальным человеческим глазом. Единица измерения СИ: люмен (лм). Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кдЧср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4р люменам.

Для определения величины светового потока, сначала необходимо спектральную плотность мощности излучения умножить на кривую спектральной чувствительности глаза V_л, затем проинтегрировать в пределах видимого диапазона длин волны (т.е. от 380 до 780 нм). Затем полученный результат (Ц_e; измеряется в Вт) нужно умножить на фотометрический эквивалент излучения (K_m; константа=683 лм/Вт).

(5.4)

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов - сферических фотометров, либо фотометрических гониометров. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях - в телесный угол 4р.

Для этого можно использовать сферический фотометр - прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеянный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/мІ) по площади сферы (мІ), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр. Можно также использовать простой фотоэлемент, если сравнивать измеренный поток с потоком от эталонного источника.

Значение фотометрического эквивалента излучения K_m однозначно задаётся определением основной фотометрической величины - канделы, а именно, одна кандела - это сила света, излучаемая в каком-либо направлении источником монохроматического излучения с частотой 540Ч10¹² Гц, имеющим в этом направлении мощность излучения 1/683 Ватт/стерадиан. Излучение с частотой 540Ч10¹² Гц соответствует в воздухе длине волны 555 нм, т.е. максимуму кривой спектральной чувствительности светоадаптированного глаза. Поэтому коэффициент K_m находится из тождества:

1 кд = K_m·V_л(555)·1/683 Вт/ср, (5.5)

следовательно

K_m = 683 (кд·ср)/Вт = 683 лм/Вт

Для случая ночного зрения значение фотометрического эквивалента излучения изменяется. Поскольку величина канделы не зависит от вида кривой спектральной чувствительности, то все предыдущие соображения остаются справедливыми. Для определения величины фотометрического эквивалента излучения ночного зрения K'_m достаточно заменить значение V_л(555)=1 на V'_л(555)=0,402 (на значение кривой спектральной чувствительности для ночного зрения на длине волны 555 нм). При этом получим K'_m=1699 лм/Вт.

Человеческий глаз считается светоадаптированным при яркостях более 100 кд/мІ. Ночное зрение наступает при яркостях менее 10^?3 кд/мІ. В промежутке между этими величинами человеческий глаз функционирует в режиме сумеречного зрения.

Освещённость (Е). Физическая величина, численно равная световому потоку Ф, падающему на единицу поверхности S:

(5.6)

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС - фот (один фот равен 10000 люксов). В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется яркостью.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Освещённость от точечного источника находят по формуле:

(5.7)

где - сила света в канделах;

- расстояние до источника света;

- угол падения лучей света относительно нормали к поверхности.

Освещённость в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии - с помощью люксметров.

Значения освещённости в различных условиях

Таблица 5.3

Описание	Освещённость, лк
Солнечными лучами в полдень	100000
При киносъёмке в студии	10000
На футбольном стадионе (искусственное освещение)	1200
На открытом месте в пасмурный день	1000
В светлой комнате вблизи окна	100
На рабочем столе для тонких работ	400-500
На экране кинотеатра	85-120
Необходимое для чтения	30-50
От полной луны	0,2
От ночного неба в безлунную ночь	0,0003

Яркость (В). Это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле. Отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Или - характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению:

(5.8)

В системе СИ измеряется в канделах на мІ, единицей измерения служит нит (1нт=1кд/1мІ).

Существуют также другие единицы измерения яркости - стильб и апостильб. Апостильб (обозначение: асб, asb; от греч. БрпуфЯлвщ - сверкаю)- устаревшая единица яркости освещённой поверхности в системе СГС.

1 апостильб- это яркость поверхности, равномерно рассеивающей свет по всем направлениям и обладающей светимостью 1 лм/мІ:

1 асб = 1/р Ч 10^?4 сб = 0,3199 нт.

Яркость рассчитывается по формуле:

Ярк=0,3ЧR+0,59ЧG+0,11ЧB (5.9)

Данные коэффициенты обусловлены физиологическими особенностями человеческого глаза. Формула приведена для аддитивной системы цветовой передачи RGB.

Коэффициент отражения (). Этот коэффициент характеризует способность поверхности к отражению падающего на неё светового потока. Определяется как отношение отражённого светового потока Ф_отр к падающему на поверхность световому потоку Ф_пад. (подробно см. раздел 5.1).

Фон. Поверхность, которая прилегает к объекту различения. Фон характеризуется коэффициентом отражения: =Ф_отр/Ф_пад. Если >0,5, то фон считается светлым, если <0,5, то фон средний, если <0,2, то фон тёмный.

Контраст между объектом и фоном (К). Степень различения объекта и фона характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, знака, пятна, трещины, риски или других элементов) и фона.

К= (В_ф-В_о)/В_ф (5.10)

где В_ф - яркость фона (кд/м²);

В_о - яркость объекта (кд/м²).

Контраст считается большим, если К>0,5 (объект резко выделяется на фоне), средним при К=0,2...0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при К<0,2 (объект слабо заметен на фоне).

Видимость (). Характеризует способность глаза воспринимать объект. Она зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции. Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т.е.

V = К/К_пор (5.11)

где К_пор - пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличим на этом фоне.

Коэффициент пульсации освещенности К_E. Это критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока:

К_E= (Е_max- Е_min)/(2Е_cp)100% (5.12)

где Е_min, Е_max, Е_ср - минимальное, максимальное и среднее значения освещенности за период колебаний; для газоразрядных ламп K_E = 25...65%, для обычных ламп накаливания К_E = 7%, для галогенных ламп накаливания К_Е = 1%.

Показатель ослеплённости (Р_о). Критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой:

P_o= (V1/V2-1)100 (5.13)

где V1/V2=S (коэффициент ослеплённости);

V1 и V2 - видимость объекта различения соответственно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения.

Показатель ослепленности является безразмерной величиной и регламентируется нормами в зависимости от точности зрительной работы: чем точнее работа, тем меньший показатель ослепленности допускается, и изменяется в диапазоне от 10 до 40.

В английских нормах используется индекс блескости GI (glare index). В американских стандартах в течение долгого времени использовался показатель - вероятность зрительного комфорта VCP (visual comfort probability). В новых европейских и международных стандартах для регламентации прямого слепящего действия в производственных помещениях используется обобщенный показатель дискомфорта UGR (unified glare raiting). Он учитывает все светильники, создающие слепящую блескость на рабочем месте. Для оценки прямого слепящего действия используются таблицы UGR, предоставляемые производителями светильников. Оба метода хорошо согласуются друг с другом.

Отраженная блескость и коэффициент передачи контраста. На практике отражающие свойства объекта и фона отличаются от равномерно-диффузного отражения. Отражения ярких частей осветительных приборов от поверхностей с зеркальным или направленно-рассеянным отражением, попадающие в поле зрения работающего, оказывают отрицательное влияние на зрительную работоспособность. Пространственное распределение светового потока может или увеличить контраст, облегчив работу зрения, или уменьшить его, усложнив зрительную задачу. Направленно-рассеянное, зеркальное или смешанное отражение света приводит к возникновению отраженной блескости, снижающей контраст объекта с фоном. Для характеристики этого процесса Международной комиссией по освещению МКО был введен коэффициент передачи контраста CRF (contrast rendering factor).

Коэффициент передачи контраста определен как отношение контраста тест-объекта в реальных условиях освещения к контрасту в «стандартных» условиях освещения - при освещении равнояркой полусферой. Его величина может быть как больше, так и меньше единицы. Расчет коэффициента передачи контраста проводится на основе программных средств.

Зрительные работы с матовыми материалами. При технической невозможности отведения отраженного блика от глаз работающего яркость выходного отверстия светильника, определяющая яркость блика на рабочей поверхности с зеркальным или направленно-рассеянным отражением, должна ограничиваться. Согласно российским строительным нормам СНИП 23-05-95, наибольшая допустимая яркость рабочих поверхностей с зеркальным и направленно-рассеянным отражением определяется в соответствии с табл. 5.4.

Значения наибольшей допустимой яркости рабочих поверхностей

Таблица 5.4

Площадь рабочей поверхности, м2	Наибольшая допустимая яркость, кд/м2
Менее 0,0001	2000
От 0,0001 до 0,001	1500
От 0.001 до 0,01	1000
От 0,01 до 0,1	750
Более 0,1	500

Большинство объектов различения промышленного производства являются трехмерными (объемными или рельефными), а коэффициенты отражения объектов различения и фона одинаковы. Видимость, воспринимаемые глазом размеры трехмерного объекта и его контраст с фоном определяются микрораспределением яркости по поверхности трехмерного объекта и прилегающему к нему участку фона.

Контраст трехмерных объектов с диффузным отражением может быть повышен за счет образования собственных теней на объекте и прилегающем к нему фоне при направленном освещении. Контраст трехмерных объектов с зеркальным или направленно-рассеянным отражением может быть повышен за счет образования изображения излучателя в различаемом объекте, которое зеркально отражается и направлении глаз работающего.

Повышение контраста трехмерных объектов различения также можно характеризовать коэффициентом передачи контраста CRF. Наиболее удобным тест-обьектом при этом может служить полусферическая вмятина, расположенная на горизонтальной поверхности с равномерно-диффузным отражением. В «стандартных» условиях освещения - освещении равнояркой полусферой, - яркость в любой точке сферической поверхности является постоянной величиной, а контраст с прилегающей поверхностью фона зависит только от коэффициента отражения поверхности.

При направленном освещении контраст тест-обьекта повышается за счет образования собственно тени на его поверхности, достигая наибольших значений при направлении света от точечного источника под малым углом к освещаемой поверхности.

Равномерность распределения яркости в поле зрения. В нормах освещения регламентируется равномерность распределения яркости на рабочей поверхности и в освещаемом пространстве путем указания максимально допустимых соотношений яркости различных поверхностей или путем предъявления определенных требований к распределению освещенности и к отражающим свойствам поверхностей, находящихся в поле зрения. Центральная часть поля зрения, где производится зрительная работа, не должна быть темнее окружения или много светлее его. В то же время яркость поля зрения не должна быть равномерна, что выявляет неприятное ощущение монотонности. Наилучший вариант, когда яркость окружения несколько меньше яркости центра.

В отечественных нормах регламентируется только равномерность распределения освещенности по помещению. Отношение B_мин/B_макс должно быть не менее 0,33 для зрительных работ I-II разрядов и 0,2-0,5 для зрительных работ IV-VIII разрядов.

В европейских нормах нормируемые освещенности определены как средние значения в пределах рабочей зоны. Освещенность в зоне окружения, прилегающей к рабочей зоне, выбирается, как правило, меньшей. В каждой из зон должна быть обеспечена требуемая равномерность освещения B_мин/B_макс: не менее 0,7-0,8 в рабочей зоне и не менее 0,5 в зоне окружения.

Рекомендуемые освещенности в рабочей зоне и зоне окружения в международных стандартах представлены в табл. 5.5.

Рекомендуемые освещенности в рабочей зоне и зоне окружения (международные стандарты)

Таблица 5.5

Освещенность рабочей зоны, лк	Освещенность зоны окружения, лк
750 и более	500
500	300
300	200
200 и менее	равная освещенности рабочей зоны

Ограничение блёскости. Во многих странах разработаны практические способы, позволяющие гарантировать, что осветительная установка не создаст блескости, приводящей к некоторой степени дискомфорта.

Блескость от окон. Можно дать несколько общих рекомендаций с целью уменьшения блескости:

1. Прошедший через окна солнечный свет может служить главным источником блескости при непосредственном попадании в глаза или после отражения. В каждом из таких случаев следует предусматривать систему экранирования солнечных лучей.

2. Степень дискомфорта, вызванная блескостью, создаваемой окном, зависит главным образом от яркости неба, видимого через окно, и в очень малой степени от размеров окна, за исключением случая, когда оно очень маленькое или значительно удалено от наблюдателя.

3. Исключая очень пасмурные дни, работник, взглянув на небо через окно без гардин, может испытать некоторое неудобство. За исключением тех случаев, когда нормальное положение персонала на своих рабочих местах исключает попадание окон в их поле зрения, все окна должны быть снабжены какими-либо средствами защиты (например, гардинами, шторами, ставнями), снижающими яркость неба в ясные дни, пропуская или не пропуская солнечный свет.

4. Другие способы уменьшения дискомфорта, возникающего из-за наличия окон, без снижения количества прошедшего в помещение дневного света, состоят в разумном выборе формы и коэффициента отражения поверхностей, окружающих окна, чтобы увеличить яркость пространства, непосредственно вокруг светопроема.

5. Слепящая блескость устраняется при таком расположении рабочих мест, чтобы свет неба высокой яркости, проходящий через окно, не попадал в поле зрения при выполнении задания.

Блеск и вуалирующие блики. Существует много способов устранения воздействия блеска и вуалирующих бликов. Наиболее эффективным способом является размещение персонала и/или реального источника света таким образом, чтобы его отражения не попадали в глаза работающему. Дополнительный способ направлен на снижение яркости используемых материалов.

Блики, отвлекающие или расстраивающие внимание и находящиеся вблизи поля зрения при выполнении задания, могут быть устранены, если исключить применение направленно-отражающих покрытий для рабочих столов и других подобных плоскостей.

Вуалирующие блики приводят к снижению контрастов задания. Карандашные линии, например, различаются с трудом, если на них падает свет, так как отблески меняют их окраску от черного до бледно-серого. Печатные тексты испытывают такое же воздействие. В этом случае лучшим способом защиты является правильное взаимное размещение, при котором вуалирующие блики не попадают в глаза. Если это невозможно, то нежелательный эффект можно устранить, увеличив освещенность объекта посредством местного освещения, направленного таким образом, чтобы оно само не способствовало появлению вуалирующих бликов.

Другие способы состоят в выборе светильников с большой площадью поверхности и низкой яркостью или светильников с пониженной яркостью в направлении возможного отражения. Увеличивая яркость всего потолка при использовании матовых отделочных покрытий с высоким коэффициентом отражения для потолка, стен и пола и желательно добавляя к этому светильники, направляющие свет вверх, добиваются снижения блеска и вуалирующих бликов. Коэффициент передачи контраста (КПК) введен как количественное выражение этих эффектов.

Показатель дискомфорта (М). Критерий оценки дискомфортной блёскости, вызывающей неприятные ощущения при неравномерном распределении яркостей в поле зрения, выражающийся формулой:

(5.14)

где L_с - яркость блеского источника, кд/м²;

щ - угловой размер блеского источника, ср;

ц_и - индекс позиции блеского источника относительно линии зрения;

L_ад - яркость адаптации, кд/м².

Глава 6. Глаз

Глаз (лат.oculus)- сенсорный орган (орган зрительной системы) человека и животных, обладающий способностью воспринимать электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и обеспечивающий функцию зрения. Через глаз поступает ?90% информации из окружающего мира.

Максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550(556) нм, на который приходится максимальный оптимум (дневной) чувствительности глаза.

При переходе от дневного освещения к сумеречному происходит перемещение максимума световой чувствительности в спектре по направлению к его коротковолновой части, и предметы красного цвета (мак) кажутся чёрными, синего (василёк) - очень светлыми (феномен Пуркинье).

Глаз позвоночных животных представляет собой периферическую часть зрительного анализатора, в котором фоторецепторную функцию выполняют нейроны - фотосенсорные клетки («нейроциты») сетчатой оболочки.

6.1 Эволюция глаза

Даже простейшие беспозвоночные животные обладают способностью к фототропизму благодаря своему, пусть крайне несовершенному, зрению.

У беспозвоночных встречаются очень разнообразные по типу строения и зрительным возможностям глаза и глазки- одноклеточные и многоклеточные, прямые и обращенные (инвертированные), паренхимные и эпителиальные, простые и сложные.

У членистоногих часто присутствует несколько простых глаз (иногда непарный простой глазок- например, науплиальный глаз ракообразных) или пара сложных фасеточных глаз. Среди членистоногих некоторые виды имеют и простые, и сложные глаза: так, у ос два сложных глаза и три простых глаза (глазка). У скорпионов 3-6 пар глаз (1 пара- главные, или медиальные, остальные- боковые), у щитня- 3. В эволюции фасеточные глаза произошли путем слияния простых глазков. Близкие по строению к простому глазу глаза мечехвостов и скорпионов, видимо, возникли из сложных глаз трилобитообразных предков путем слияния их элементов.

Рис. 6.1. Эволюция глаза: глазное пятно- глазная ямка- глазной бокал- глазной пузырь - глазное яблоко.

Глаз человека состоит из глазного яблока и зрительного нерва с его оболочками. У человека и позвоночных имеется по два глаза, расположенных в глазных впадинах черепа.

Как установлено с помощью методов генетической трансформации, гены eyeless дрозофилы и Small eye мыши, имеющие высокую степень гомологии, контролируют развитие глаза: при создании генноинженерной конструкции, с помощью которой вызывалась экспрессия гена мыши в различных имагинальных дисках мухи, у мухи появлялись эктопические фасеточные глаза на ногах, крыльях и других участках тела. В целом в развитие глаза вовлечено несколько тысяч генов, однако один-единственный «пусковой ген» («мастер-ген») осуществляет запуск всей этой генной сети. То, что этот ген сохранил свою функцию у столь далеких групп, как насекомые и позвоночные, может свидетельствовать об общем происхождении глаз всех двустороннесимметричных животных.

6.2 Строение глаза человека

Глаз, или орган зрения, состоит из глазного яблока, зрительного нерва и вспомогательных органов (веки, слёзный аппарат, мышцы глазного яблока). Он легко вращается вокруг разных осей: вертикальной (вверх-вниз), горизонтальной (влево-вправо) и так называемой оптической оси. Вокруг глаза расположены три пары мышц, ответственных за перемещение глазного яблока (и обладающих активной подвижностью): 4 прямые (верхняя, нижняя, внутренняя и наружная) и 2 косые (верхняя и нижняя) (см. рис. 6.1). Этими мышцами управляют сигналы, которые нервы глаза получают из мозга. В глазу находятся, пожалуй, самые быстродействующие двигательные мышцы в организме человека. Так, при рассматривании (сосредоточенной фокусировке) иллюстрации, наприм., глаз совершает за сотую долю секунды огромное количество микродвижений. Если же вы задержали (сфокусировали) взгляд на одной точке, глаз при этом непрерывно совершает небольшие, но очень быстрые движения-колебания. Их количество доходит до 120 в секунду.

Глазное яблоко отделено от остальной части глазницы плотным фиброзным влагалищем - теноновой капсулой (фасцией), позади которой находится жировая клетчатка.

Конъюнктива- соединительная (слизистая) оболочка глаза в виде тонкой прозрачной плёнки покрывает заднюю поверхность век и переднюю часть глазного яблока поверх склеры до роговицы (образует при открытых веках- глазную щель). Обладая богатым сосудисто-нервным аппаратом, конъюнктива реагирует на любые раздражения.

Собственно глаз, или глазное яблоко (лат.bulbus oculi),- парное образование неправильной шарообразной формы, расположенное в каждой из глазных впадин (орбит) черепа человека и других животных.

6.2.1 Внешнее строение глаза человека

Для осмотра доступен только передний, меньший, наиболее выпуклый отдел глазного яблока - роговица, и окружающая его часть; остальная, большая, часть залегает в глубине глазницы.

Глаз имеет не совсем правильную шарообразную (почти сферическую) форму, диаметром примерно 24мм. Длина его сагиттальной оси в среднем равна 24мм, горизонтальной- 23,6мм, вертикальной- 23,3мм. Масса глазного яблока 7…8 г.

Размер глазного яблока в среднем одинаков у всех людей, различаясь лишь в долях миллиметров.

В глазном яблоке различают два полюса: передний и задний. Передний полюс соответствует наиболее выпуклой центральной части передней поверхности роговицы, а задний полюс располагается в центре заднего сегмента глазного яблока, несколько снаружи от места выхода зрительного нерва.

Линия, соединяющая оба полюса глазного яблока, называется наружной осью глазного яблока. Расстояние между передним и задним полюсами глазного яблока является его наибольшим размером и равно примерно 24мм.

Другой осью в глазном яблоке является внутренняя ось - она соединяет точку внутренней поверхности роговицы, соответствующую её переднему полюсу, с точкой на сетчатке, соответствующей заднему полюсу глазного яблока, её размер в среднем составляет 21,5мм.

При наличии более длинной внутренней оси лучи света после преломления в глазном яблоке собираются в фокусе впереди сетчатки. При этом хорошее зрение предметов возможно только на близком расстоянии - близорукость, миопия.

Если внутренняя ось глазного яблока относительно короткая, то лучи света после преломления собираются в фокусе позади сетчатки. В этом случае видение вдаль лучше, чем вблизи,- дальнозоркость, гиперметропия.

Наибольший поперечный размер глазного яблока у человека в среднем равен 23,6мм, а вертикальный- 23,3мм. Преломляющая сила оптической системы глаза при покое аккомодации (зависит от радиуса кривизны преломляющих поверхностей (роговица, хрусталик - передняя и задняя поверхности обоих, всего 4) и от стояния их друг от друга) составляет в среднем 59,92 D. Для рефракции глаза имеет значение длина оси глаза, т.е. расстояние от роговицы до жёлтого пятна; оно составляет в среднем 25,3 мм. Поэтому рефракция глаза зависит от соотношения между преломляющей силой и длиной оси, что определяет положение главного фокуса по отношению к сетчатке и характеризует оптическую установку глаза. Различают три основные рефракции глаза: «нормальную» рефракцию или Эмметропию (фокус на сетчатке), Дальнозоркость (за сетчаткой) и Близорукость (фокус спереди кнаружи).

Выделяют также зрительную ось глазного яблока, которая простирается от его переднего полюса до центральной ямки сетчатки.

Линия, соединяющая точки наибольшей окружности глазного яблока во фронтальной плоскости, называется экватором. Он находится на 10-12мм позади края роговицы. Линии, проведённые перпендикулярно экватору и соединяющие на поверхности яблока оба его полюса, носят название меридианов. Вертикальный и горизонтальный меридианы делят глазное яблоко на отдельные квадранты.

6.2.2 Внутреннее строение глаза человека

Глазное яблоко состоит из оболочек, которые окружают внутреннее ядро глаза, представляющее его прозрачное содержимое - стекловидное тело, хрусталик, водянистая влага в передней и задней камерах.

Ядро глазного яблока окружают три оболочки: наружная, средняя и внутренняя.

1. Наружная - очень плотная фиброзная оболочка глазного яблока (tunica fibrosa bulbi), к которой прикрепляются наружные мышцы глазного яблока, выполняет защитную функцию и благодаря тургору обусловливает форму глаза. Она состоит из передней прозрачной части - роговицы, и задней непрозрачной части белесоватого цвета- склеры.

2. Средняя, или сосудистая, оболочка глазного яблока (tunica vasculosa bulbi), играет важную роль в обменных процессах, обеспечивая питание глаза и выведение продуктов обмена. Она богата кровеносными сосудами и пигментом (богатые пигментом клетки хориоидеи препятствуют проникновению света через склеру, устраняя светорассеяние). Она образована радужкой, ресничным телом и собственно сосудистой оболочкой. В центре радужки имеется круглое отверстие - зрачок, через которое лучи света проникают внутрь глазного яблока и достигают сетчатки (величина зрачка изменяется (в зависимости от интенсивности светового потока: при ярком свете он уже, при слабом и в темноте - шире) в результате взаимодействия гладких мышечных волокон - сфинктера и дилататора, заключённых в радужке и иннервируемых парасимпатическим и симпатическим нервами; при ряде заболеваний возникает расширение зрачка - мидриаз, или сужение - миоз). Радужка содержит различное количество пигмента, от которого зависит её окраска - «цвет глаз».

3. Внутренняя, или сетчатая, оболочка глазного яблока (tunica interna bulbi),- сетчатка- это рецепторная часть зрительного анализатора, здесь происходит непосредственное восприятие света, биохимические превращения зрительных пигментов, изменение электрических свойств нейронов и передача информации в центральную нервную систему.



Рис. 6.2. Внутреннее строение глаза человека

1. Задняя камера

2. Зубчатый край

3. Ресничная (аккомодационная) мышца

4. Ресничный (цилиарный) поясок

5. Шлеммов канал

6. Зрачок

7. Передняя камера

8. Роговица

9. Радужная оболочка

10. Кора хрусталика

11. Ядро хрусталика

12. Цилиарный отросток

13. Конъюнктива

14. Нижняя косая мышца

15. Нижняя прямая мышца

16. Медиальная прямая мышца

17. Артерии и вены сетчатки

18. Слепое пятно

19. Твердая мозговая оболочка

20. Центральная артерия сетчатки

21. Центральная вена сетчатки

22. Зрительный нерв

23. Вортикозная вена

24. Влагалище глазного яблока

25. Жёлтое пятно

26. Центральная ямка

27. Склера

28. Сосудистая оболочка глаза

29. Верхняя прямая мышца

30. Сетчатка

С функциональной точки зрения оболочки глаза и её производные подразделяют на три аппарата: рефракционный (светопреломляющий) и аккомодационный (приспособительный), формирующие оптическую систему глаза, и сенсорный (рецепторный) аппарат.

6.2.3 Светопреломляющий аппарат

Светопреломляющий аппарат глаза представляет собой сложную систему линз, формирующую на сетчатке уменьшенное и перевёрнутое изображение внешнего мира, включает в себя роговицу (диаметр роговицы - около 12 мм, средний радиус кривизны - 8 мм), камерную влагу - жидкости передней и задней камер глаза (Периферия передней камеры глаза, т.наз. угол передней камеры (область радужно-роговичного угла передней камеры), имеет важное значение в циркуляции внутриглазной жидкости), хрусталик, а также стекловидное тело, позади которого лежит сетчатка, воспринимающая свет.

6.2.4 Аккомодационный аппарат

Аккомодационный аппарат глаза обеспечивает фокусировку изображения на сетчатке, а также приспособление глаза к интенсивности освещения. Он включает в себя радужку с отверстием в центре - зрачком, - и ресничное тело с ресничным пояском хрусталика.

Фокусировка изображения обеспечивается за счёт изменения кривизны хрусталика, которая регулируется цилиарной мышцей. При увеличении кривизны хрусталик становится более выпуклым и сильнее преломляет свет, настраиваясь на видение близко расположенных объектов. При расслаблении мышцы хрусталик становится более плоским, и глаз приспосабливается для видения удалённых предметов. Так же в фокусировке изображения принимает участие и сам глаз в целом. Если фокус находится за пределами сетчатки - глаз (за счёт глазодвигательных мышц) немного вытягивается (чтобы видеть вблизи). И наоборот округляется, при рассматривании далёких предметов.

Зрачок представляет собой отверстие переменного размера в радужке. Он выполняет роль диафрагмы глаза, регулируя количество света, падающего на сетчатку. При ярком свете кольцевые мышцы радужки сокращаются, а радиальные расслабляются, при этом зрачок сужается, и количество света, попадающего на сетчатку, уменьшается, это предохраняет её от повреждения. При слабом свете наоборот сокращаются радиальные мышцы, и зрачок расширяется, пропуская в глаз больше света.

6.2.5 Рецепторный аппарат

Рецепторный аппарат глаза представлен зрительной частью сетчатки, содержащей фоторецепторные клетки (высокодифференцированные нервные элементы), а также тела и аксоны нейронов (проводящие нервное раздражение клетки и нервные волокна), расположенных поверх сетчатки и соединяющиеся в слепом пятне в зрительный нерв.

Сетчатка также имеет слоистое строение. Устройство сетчатой оболочки чрезвычайно сложное. Микроскопически в ней выделяют 10 слоёв. Самый наружный слой является свето-(цвето-)воспринимающим, он обращен к сосудистой оболочке (вовнутрь) и состоит из нейроэпителиальных клеток - палочек и колбочек, воспринимающих свет и цвета (у человека световоспринимающая поверхность сетчатки очень мала - 0,4…0,05 мм, следующие слои образованы проводящими нервное раздражение клетками и нервными волокнами). Свет входит в глаз через (светопроводящие и светопреломляющие среды) роговицу, проходит последовательно сквозь жидкость передней (и задней) камеры, хрусталик и стекловидное тело, пройдя через всю толщу сетчатки, попадает на отростки светочувствительных клеток - палочек и колбочек. В них протекают фотохимические процессы, обеспечивающие цветовое зрение.

Цветовое зрение. У приматов (в том числе и человека) мутация вызвала появление дополнительного, третьего типа колбочек - цветовых рецепторов. Это было вызвано расширением экологической ниши млекопитающих, переходом части видов к дневному образу жизни, в том числе на деревьях. Мутация была вызвана появлением изменённой копии гена, отвечающего за восприятие средней, зелёночувствительной области спектра. Она обеспечила лучшее распознавание объектов «дневного мира» - плодов, цветов, листьев.

В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко-чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.

Рис. 6.3. Нормализованные графики светочувствительности колбочек человеческого глаза S, M, L.

Пунктиром показана сумеречная, «чёрно-белая» восприимчивость палочек.

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Еще в 1970-х годах было показано, что распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом, что было подтверждено более детальными исследованиями в начале XXI века. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.

Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета.

Тип колбочек	Обозначение	Воспринимаемые длины волн	Максимум чувствительности
S	в	400-500 нм	420-440 нм
M	г	450-630 нм	534-555 нм
L	с	500-700 нм	564-580 нм

Свет с разной длиной волны по-разному стимулирует разные типы колбочек. Например, желто-зеленый свет в равной степени стимулирует колбочки L и M-типов, но слабее стимулирует колбочки S-типа. Красный свет стимулирует колбочки L-типа намного сильнее, чем колбочки M-типа, а S-типа не стимулирует почти совсем; зелено-голубой свет стимулирует рецепторы M-типа сильнее, чем L-типа, а рецепторы S-типа - ещё немного сильнее; свет с этой длиной волны наиболее сильно стимулирует также палочки. Фиолетовый свет стимулирует почти исключительно колбочки S-типа. Мозг воспринимает комбинированную информацию от разных рецепторов, что обеспечивает различное восприятие света с разной длиной волны.

За цветовое зрение человека и обезьян отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины. По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия. У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют черно-белое зрение. В том случае, если у человека два белка, кодируемые разными генами, оказываются слишком схожи или один из белков не синтезируется, развивается дальтонизм.

Чувствительный к красному свету опсин кодируется у человека геном OPN1LW.

Другие опсины человека кодируют гены OPN1MW, OPN1MW2 и OPN1SW, первые два из них кодируют белки, чувствительные к свету со средними длинами волны, а третий отвечает за опсин, чувствительный к коротковолновой части спектра.

Ген OPN1LW, который кодирует пигмент, отвечающий за восприятие красного цвета, высоко полиморфен (в недавней работе Виррелли и Тишкова было найдено 85 аллелей в выборке из 256 человек и около 10% женщин, имеющих два разных аллеля этого гена, фактически имеют дополнительный тип цветовых рецепторов и некоторую степень четырехкомпонентного цветового зрения. Вариации гена OPN1MW, который кодирует «желто-зеленый» пигмент, встречаются редко и не влияют на спектральную чувствительность рецепторов.

Ген OPN1LW и гены, отвечающие за восприятие света со средней длиной волны, расположены в Х-хромосоме тандемно, и между ними часто происходит негомологичная рекомбинация или генная конверсия. При этом может происходить слияние генов или увеличение числа их копий в хромосоме. Дефекты гена OPN1LW - причина частичной цветовой слепоты, протанопии.

Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году М.В.Ломоносов, когда он писал «о трёх материях дна ока». Сто лет спустя её развил немецкий учёный Г.Гельмгольц, который не упоминает известной работы Ломоносова «О происхождении света», хотя она была опубликована и кратко изложена на немецком языке.

Параллельно существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга. Её развили Дэвид Хьюбел (David H. Hubel) и Торстен Визел (Torsten N. Wiesel). Они получили Нобелевскую премию 1981 года за своё открытие.

Они предположили, что в мозг поступает информация вовсе не о красном (R), зелёном (G) и синем (B) цветах (теория цвета Юнга-Гельмгольца,). Мозг получает информацию о разнице яркости - о разнице яркости белого (Y_max) и чёрного (Y_min), о разнице зелёного и красного цветов (G-R), о разнице и синего и жёлтого цветов (B-yellow), а жёлтый цвет (yellow=R+G) есть сумма красного и зелёного цветов, где R, G и B - яркости цветовых составляющих, красного R, зелёного G, и синего B. Имеем систему уравнений:

K_ч-б=Y_max-Y_min; K_gr=G-R; K_brg=B-R-G (6.1)

где K_ч-б, K_gr, K_brg - функции коэффициентов баланса белого для любого освещения.

Оппонентная теория в целом лучше объясняет тот факт, что люди воспринимают цвет предметов одинаково при чрезвычайно разных источниках освещения (цветовая адаптация), в том числе при различном цвете источников света в одной сцене.

Эти две теории не вполне согласованы друг с другом. Но, несмотря на это, до сих пор предполагают, что на уровне сетчатки действует трёхстимульная теория, однако информация обрабатывается, и в мозг поступают данные, уже согласующиеся с оппонентной теорией.