 |
|
Приймачі променистої енергії і їхні характеристики
Тіла в природі, у яких відбувається поглинання і перетворення оптичного випромінювання, називають приймачами оптичного випромінювання. Вони можуть бути «живою» природою – біологічні приймачі і «неживою» природою – фізичні, хімічні й ін.
Орган зору людини складається із приймача енергії випромінювання – ока, зорових центрів, які знаходяться у корі головного мозку та нервових волокон, які з'єднують ці центри із оком.
Світлооптична частина ока складається в основному із двоопуклої лінзи – кришталика, що діафрагмований отвором у райдужній оболонці – зіниці. Кришталик створює на світлочутливій поверхні сітківки, що встеляє очне дно, дійсне, зменшене, зворотне зображення фіксованих предметів. Схема одержання цього зображення наведена на рис. 1.7.
Рисунок 1.7 – Одержання зображення на сітківці ока
Сітчаста оболонка (сітківка) – світлочутлива оболонка, що вистилає очне дно. Сітківка має складну будову, що складається власне із приймачів світла (паличок і колбочок) і нервових клітин, від яких збудження передається зоровому нерву, що зв'язує очне яблуко з головним мозком. Усього сітківка містить приблизно 130 000 000 паличок і 7 000 000 колбочок, які розрізняються як за своєю формою, так і за властивостями.
На оптичній осі ока розташована центральна ямка (від її латинської назви fovea centralis походить термін «фовеальний зір» на відміну від «периферійного»), у якій зосереджені лише колбочки. Кутовий розмір цієї ямки близько 1,5°. Вона є центром «жовтої плями», у межах якого колбочки переважають, але концентрація їх зменшується в напрямку до периферії, концентрація ж паличок, навпаки, зростає. Поза жовтою плямою різко переважають палички.
Палички приєднані до волокон зорового нерва великими групами, тобто включені паралельно, колбочки приєднані до цих волокон окремо (у межах центральної ямки) або по декілька штук. Завдяки цьому чітке розрізнення досягається лише фовеальним зором.
Одночасно з витратою світлочутливої речовини відбувається процес її регенерації, що у паличках відбувається значно повільніше, ніж у колбочках.
При дуже малих рівнях яскравості дисоціація світлочутливої речовини в нервових закінченнях відбувається рідко, але оскільки палички «включені паралельно» великими групами, то на малі яскравості реагують саме вони, а не колбочки, «включені поодинці». Навпаки, при високій яскравості колбочки працюють добре, палички ж майже «виключаються з роботи», оскільки швидка витрата світлочутливої речовини не компенсується його повільною регенерацією.
Таким чином, колбочки працюють удень при високих рівнях освітлення та забезпечують здатність кольорового сприйняття. Палички дозволяють спостерігачеві орієнтуватися при дуже малій кількості світла і розрізняють лише контрасти чорно-білого зображення.
Звідси зрозуміло, що мають місце денний, нічний і сутінковий зір. Денний зір – зір нормального ока при адаптації його до рівнів освітленості поверхні з коефіцієнтом відбиття 0,6 не менше 50 лк; нічний зір – при освітленості не більше 0,05 лк тієї ж поверхні. У проміжку існує область, де відбувається головний перехід від одного виду зору до іншого, тобто має місце «сутінковий» зір.
Чутливість ока до випромінювання різних хвиль неоднакова. Здатність ока по-різному оцінювати однакову променеву потужність різних довжин хвиль оптичного діапазону називається спектральною чутливістю ока.Якщо інтенсивність випромінювання всіх довжин хвиль оптичного спектра однакова, то око найкраще сприймає відчуття жовто-зелених кольорів – промені із довжиною хвиль 
нм. У цьому випадку для кількісної оцінки вводиться функція 
–відносна спектральна світлова ефективність, яку можна взяти такою, що дорівнює одиниці для нм, тобто 
.
Потрібно відзначити колірне відчуття цього сприйняття. Воно полягає в тому, що короткохвильове випромінювання створює відчуття фіолетових кольорів, а довгохвильове – червоних. Безперервне збільшення довжини хвилі квантів випромінювання пов'язане із плавним переходом від фіолетових кольорів до синього, потім до синьо-зеленого й далі до жовтого, жовтогарячого й червоного. Різкий перехід від одного кольору до іншого помітити не можна, тому межі спектральних кольорів можна зазначити лише приблизно і до деякої міри умовно (рис. 1.3.). Встановлено, що спектральна чутливість ока різних спектрів помітно відрізняється між собою. Але можна встановити деякі середні параметри, які характеризують світлове сприйняття нормального (середнього) ока людини.
Усереднена крива спектральної чутливості ока встановлена Міжнародною комісією з освітлення (МКО 1924 р.) і тепер використовується при всіх розрахунках світлової дії випромінювання (рис. 1.8 крива 1). Максимум цієї кривої
Рисунок 1.8 – Середні значення спектральної чутливості ока
умовно взятий за одиницю, припадає на довжину хвилі 
нм. Очевидно, що чутливість ока до випромінювання інших хвиль буде менше одиниці (при однаковій потужності). Крива 1 має місце для денного зору, тобто коли працює колбочковий апарат зору при високих значеннях освітленості. В умовах нічного зору вступає в дію паличковий апарат органа зору, що реагує на дуже малі освітленості. У цьому випадку крива спектральної чутливості ока буде змінена у бік більш коротких довжин хвиль стосовно кривої денного зору (рис. 1.8 крива 2). Максимум цієї кривої також взятий за одиницю і відповідає довжині хвилі 
нм.
Порівнюючи криві 1 і 2, потрібно мати на увазі те, що максимуми їх однакові лише умовно. Насправді паличковий апарат набагато чуттєвіший, ніж колбочковий. Середні значення спектральної чутливості ока для денного й нічного зору необхідні для використання в розрахунках світлотехніки.
Між умовами денного й нічного зору є перехідна область рівня освітленості, яку можна спостерігати в природних умовах щодня після заходу сонця, коли одночасно функціонують обидва апарати органа зору. У процесі такого переходу спостерігається і перехідна зміна спектральної чутливості ока, що приводить до деяких специфічних явищ. У цей період спостерігається так званий ефект Пуркіньє. Суть цього ефекту полягає в тому, що червона та синя поверхні об'єкта спостереження, які вдень здаються приблизно однаково світлими, уночі робляться повністю різними: синій предмет здається набагато світлішим, ніж червоний. Останній бачиться вночі зовсім чорним.
Відомо, що не весь поглинений приймачем потік робить якусь дію. Тому для енергетичної оцінки дії оптичного випромінювання на приймачі вводять поняття чутливості приймача. Розрізняють: 1) інтегральну чутливість і 2) спектральну чутливість.
Інтегральна чутливість оцінює чутливість до складного випромінювання та характеризується відношенням поглиненої і ефективно перетвореної енергії до всієї енергії, що падає на приймач:
,(1.14)
де С –коефіцієнт, обумовлений вибором одиниць виміру величини; 
–енергія, поглинена та ефективно перетворена в приймачі в інший вид енергії; 
– вся енергія випромінювання, що падає на приймач.
Однак більшість приймачів має вибірну чутливість до випромінювання різних довжин хвиль. Залежність, що визначає чутливість приймача до монохроматичного випромінювання різної довжини хвиль, називають спектральною чутливістю приймача:
,(1.15)
де 
–поглинений і ефективно перетворений у приймачі потік монохроматичного (однорідного) випромінювання; 
– повний потік монохроматичного (однорідного) випромінювання, що падає на приймач.
У більшості приймачів спектральна чутливість залежить від довжини хвилі, що падає на нього, однорідного випромінювання. Такі приймачі називають вибірковими (селективними).
Графічно це має такий вигляд: 
(рис. 1.9).
Рисунок 1.9 – Спектральна чутливість
У певній частині спектра спектральна чутливість має максимум 
. Наприклад, спектральна чутливість людського ока має максимальне значення при нм.
Якщо всі інші значення 
розділити на ,то отримаємо відносну спектральну чутливість:
. (1.16)
Відносна спектральна чутливість – величина безрозмірна. Нею зручніше користуватися для оцінки спектральної чутливості різних приймачів. Вона також може бути виражена графічно (рис. 1.10).
Рисунок 1.10 – Відносна спектральна чутливість
Пристосування ока до розрізнення даного об'єкта в даних умовах здійснюється шляхом трьох процесів, що відбуваються без участі волі людини;
1) акомодація – зміна кривизни кришталика таким чином, щоб зображення предмета опинилося в площині сітківки («наведення на фокус»);
2) конвергенція – поворот осей зору обох очей так, щоб вони перетиналися на об'єкті розрізнення;
3) адаптація – пристосування ока до даного рівня яскравості.
При переході від високої яскравості до практичної темряви процес адаптації відбувається повільно і закінчується за 1 – 1,5 год. Зворотний процес відбувається швидше і триває 5 – 10 хв, В обох випадках мова йде про «повну переадаптацію»; при зміні яскравості не більш ніж в 5 – 10 разів переадаптація відбувається практично миттєво. Варто пам'ятати, що в період здійснення адаптації око працює зі зниженою працездатністю, тому необхідно уникати створення умов, що вимагають частої та «глибокої» переадаптації.
Стосовно роботи зорового апарату, відомий психофізичний законВебера-Фехнера стверджує, що однаковими сприймаються збільшення яскравості (визначення буде дане в п. 1.6.8), однакові не за своїм абсолютним значенням, а за їх відношенням до вихідного рівня яскравості, тобто не рівні 
,а рівні 
.
Працездатність ока характеризується декількома показниками. Деталь (д) помітна на фоні (ф), якщо вона відрізняється від нього за яскравістю або за кольоровістю. Залежно від того, що світліше – деталь ( 
) або фон ( 
), контраст визначається за формулою
, (1.17)
де 
– більша з яскравостей (деталі або фону).
Найменший помітний оком контраст називається граничним контрастом, зворотна йому величина – контрастною чутливістю.
При всіх інших найбільш сприятливих умовах око розрізняє контраст, починаючи від 0,01 – 0,015, що відповідає контрастній чутливості до 100 одиниць.
Для того щоб ті або інші деталі розрізнялися як окремі, вони повинні бути розділені певним проміжком. Найменший розмір останнього визначає роздільну здатність ока, що чисельно виражається як відношення найменшого розміру, що розрізняється, до відстані до ока та виміряється в кутових
або відносних одиницях. Величина, зворотна роздільній здатності ока, називається гостротою зору. Нормальний зір у сприятливих умовах має гостроту близько 3500 (роздільна здатність близько 1’).
Для техніки освітлення особливе значення має залежність характеристик роботи ока від яскравості фону L. Всі показники, що характеризують працездатність ока, підвищуються із збільшенням яскравості спочатку швидко, потім уповільнено, поступово досягаючи граничного рівня. Стабілізація характеристик працездатності ока від яскравості настає в діапазоні 10 – 1000 кд/м2, що відповідає освітленості
50 – 5000 лк.
Процес бачення відбувається швидко, але все-таки не миттєво. За умов, близьких до граничних стосовно розміру деталі, контрасту та часу, розрізнення стає недостовірним і при багаторазовому повторенні досвіду відбувається лише в частині випадків. Тому поряд з іншими параметрами розглядається ймовірність розрізнення р.
Найбільш сучасними характеристиками взаємозв'язку умов, освітлення і працездатності ока є видимість і відносна видимість.
Видимість може бути визначена як наявне в даних умовах значення тієї або іншої характеристики ока порівняно з її найменшим рівнем, необхідним для вирішення даного зорового завдання.
Для оцінки граничного контрасту в реальних умовах вводиться коефіцієнт надграничного контрасту с (приблизно 1,8 – 2). Оскільки залежність зорового процесу від яскравості має логарифмічний характер, то видимість розраховується за логарифмічною шкалою. Щоб на межі «бачу - не бачу» значення видимості лишалося таким, що дорівнює одиниці, у рівняння видимості вводиться множник 10, і її вираз має вигляд
, (1.18)
де 
– контраст, що фактично має місце; 
– граничний контраст для того самого об'єкта розрізнення.
Для кожного даного об'єкта розрізнення може бути визначене граничне максимальне значення видимості, що відповідає таким умовам освітлення, при яких граничний контраст досягає мінімального значення 
:
. (1.19)
Ступінь відповідності даних освітлювальних умов тим, при яких граничний контраст досягає мінімуму, характеризується значенням відносної видимості:
, (1.20)
яка може вважатися найбільш зручним критерієм для оцінки освітлювальних умов.
1.5. Взаємодія оптичного випромінювання із приймачами,
поняття ефективного потоку
Позитивну (а при сильному опроміненні може бути й негативною) дію викликає не вся енергія випромінювання, що надійшла до приймача, а лише якась її частина, яку ми назвемо ефективною енергією.
Ефективну енергію за час її дії можна розглядати як ефективний потік.
Ефективний потік – це потужність випромінювання, що поглинається приймачем і викликає в ньому якусь корисну (ефективну) дію, або іншими словами, ефективний потік – це потужність випромінювання, оцінена за рівнем реакції на нього приймача енергії випромінювання (наприклад, реакція ока на світло).
Якщо відома спектральна густина потоку випромінювання 
, то площа фігури під кривою спектральної густини являє собою потік випромінювання джерела. Якщо на цьому самому графіку (рис. 1.11) побудувати графік спектральної чутливості 
, то ефективний потік визначається площею фігури, заштрихованою двічі. Використовуючи вищезазначене, можна записати, що ефективний потік
.(1.21)
Рисунок 1.11 – Визначення ефективного потоку
Якщо ж використовувати поняття відносної спектральної чутливості
, (1.22)
то
.(1.23)
У природі існує безліч приймачів випромінювання. Кожний із приймачів по-своєму реагує на вплив ОВ. Через безліч приймачів неможливо для кожного з них розробити свою систему одиниць вимірювання ефективної енергії. Тому всі приймачі ОВ розбиті на кілька груп приймачів, близьких за своїми оптичними властивостями. У кожній із груп приймачів взятий якийсь один середній приймач, за величиною реакції якого й оцінюється ефективна дія ОВ на дану групу приймачів. Цей приймач прийнято називати зразковим,або еталонним, приймачем.
Він повинен задовольняти такі вимоги:
1) зразковий приймач повинен реагувати на будь-які однорідні випромінювання в межах тієї ділянки спектра, на якій розташовуються криві спектральної чутливості всіх приймачів даної групи;
2) міра реакції зразкового приймача при опроміненні його потоком випромінювання повинна піддаватися безпосередньому або непрямому вимірювання з необхідною точністю;
3) ефективні величини системи, створеної на основі обраного зразкового приймача, повинні мати властивість адитивності.