авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«УДК 535:629.113 ББК 34.94:39.33 О 62 Рецензенты: А.А. Гладенко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой физики ОмГТУ; ...»

-- [ Страница 3 ] --

Обозначение ламп по ГОСТу (на цоколе), например, А12–45+40 означа ет: А – автомобильная (добавления: МН – миниатюрная, С – софитная, КГ – кварцево-галогенная - АС, АМИ, АКГ), 12 – Uн, 45 + 40 – двухнитевая, 45, 40 – электрическая мощность Р. В табл. 3.5 приведены основные харак теристики автомобильных ламп.

Таблица 3. световой поток, лм длина лампы, мм Средняя продол.

ГОСТ 2023.1- световая отдача, Обозначение по напряжение, В напряжение, В Номинальный сила света, кд мощность, Вт Номинальное Номинальная Номинальная Номинальная Наибольший колбы, мм Наибольшая горения, ч Расчетное лм/Вт № п/п 1 А12-1 12 1 14 2 12,6 6 500 12 2 А12-3 12 3 13 6 37,7 6,4 500 20 3 А12-15 12 15 12 14 190 13,3 300 26 4 А12-21 12 21 13 19 264 14,2 200 26 5 А12-32 12 32 12 28 402 14,5 250 36 6 А12-50+21 12 50 12 42 628 15 250 36 7 12 21 13 19 264 14,2 250 - 8 АКГ12-55 12 - 13 55 1550 28,2 - - 9 АКГ24-70 24 - 28 70 1900 27,1 - - 10 АМН12-3 12 - 14 3 22 - - - 11 АС12-5 12 - 14 10 45 9 - - 12 А12-60+40 12 60 13 43 750 17,4 200 36 13 12 40 13 30 503 16,5 200 - 14 А12-80 12 114 13 80 1440 18 125 36 15 А24-1 24 1 28 2,5 12,6 5 500 11 16 А24-21 24 21 28 20 264 13,2 200 26 17 А24-32+4 24 32 28 30 402 13,8 200 26 18 24 4 28 10 50 5 500 - 19 А24-60+40 24 60 28 50 705 15 200 36 20 24 40 28 35 504 14,4 200 - Например, лампа А12–45+40 – двухрежимная лампа для головных фар:

нить дальнего света – подковообразной формы, нить ближнего света – формы прямого цилиндра.

Особый класс ламп накаливания составляют галогенные лампы. Свето вая отдача обычных автомобильных ламп составляет 6–17 лм/Вт. Для уве личения ее надо увеличить температуру нити, но это быстро уменьшает срок службы. Можно продлить срок службы, если организовать в лампе так называемый “галогенный цикл”.

Лампа выходит из строя из-за испарения вольфрама нити, который оса ждается на внутренних стенках колбы, уменьшая ее прозрачность и свето вой поток лампы. Нить утончается и быстро перегорает.

При введении в лампу галогенов (I2, Cl2, Br2) или их соединений (CH2Br2, CH3Br) в ней устанавливается цикл возврата частиц W с колбы на тело накала. Механизм (йодный цикл) заключается в следующем: при 250оС to1200оС пары I2 взаимодействуют с W на стенках колбы. При этом образуется летучее соединение WI2, которое при to1400оС опять разлага ется на W и I2.

Эта температура реализуется на нити, где и осаждается вольфрам, а йод участвует в повторном цикле. Наличие возвратного цикла позволяет увели чить температуру нити ламп до 3000–3200оС. Поскольку необходимо, что бы стенки были нагреты до 600–700оС, колбу таких ламп делают из опти ческого кварца. Нагрев кварцевой колбы в процессе эксплуатации до 600– 700С создает большое давление йода и инертных газов, что замедляет ис парение вольфрамовой нити.

Такие лампы обозначаются символом АКГ или H (H1, H2, H3 – однони тевые, H4 – двухнитевая). Очень простой должна быть конфигурация тела накала (цилиндр), чтобы осаждение происходило равномерно, а это не удобно с точки зрения конструирования фары (см. приложение 3.2).

Рис. 3.9. Блок питания лампы D1 Рис. 3.10. Лампа "Ксенарк" Сегодня используются в основном галогенные двухнитевые лампы, а лампы с инертными наполнителями практически забыты. Главное пре имущество галогенных ламп заключается в том, что их внутренняя по верхность со временем не темнеет. Светоотдача и долговечность таких ламп примерно в 2 раза выше по сравнению с обычными лампами. Кроме того, световая отдача йодных ламп не снижается за весь срок службы, тогда как в обычных лампах световая отдача постепенно снижается до 70 % от расчётной вследствие отложения вольфрама нити на внутренней поверхно сти колбы. Например, лампа категории R2 (такие используются в "жигу левских" фарах) при мощности 55/50 Вт (соответственно ближний и даль ний свет) выдает световой поток в пределах 400–550 лм (люмен – единица светового потока), а близкая к ней по мощности галогенная лампа катего рии Н4 мощностью 60/55 Вт – в пределах 1000–1650 лм.

Не так давно в автомобильные фары стали устанавливать ксеноновые газоразрядные лампы. Они весьма надежны и обладают еще большей све тоотдачей (при электрической мощности 35–40 Вт световой поток достига ет 3200 лм, а световая отдача достигает 80 лм/Вт). Срок службы газораз рядных ламп – 1500 часов. Но чтобы они работали, автомобильных 12-ти вольт не хватает, нужны специальные электронные системы управления и преобразователи напряжения, дающие от 10 до 20 кВ. Подобные импульсы генерируются в катушке зажигания и получить их на автомобиле не столь уж большая трудность. Куда сложнее для поддержания возникшего разряда приложить к электродам лампы переменный ток частотой 300 Гц и напря жением 330 В. С появлением силовых полупроводниковых приборов про блема тем не менее была решена, и в ящичке массой около 0,5 кг размести ли необходимый преобразователь энергии. Сначала в нем с помощью элек тронного устройства из постоянного тока напряжением 10–17 В получают постоянное же напряжение в 300 В, затем преобразуют его в переменное нужной частоты и, наконец, пропускают через устройство запуска, позво ляющее иметь высоковольтный импульс поджига лампы. Сама же лампа D1 мощностью 35 Вт весит всего 15 г и немногим больше своей галоген ной предшественницы.

Естественно, ксеноновая лампа, а точнее, преобразователь энергии для нее – вещь весьма и весьма дорогая.

Приложение 3.2. Конструкция и принцип действия головной фары автомобиля Рассмотрим случай, когда наш осветительный прибор состоит только из источника – лампы накаливания с электрической мощностью Р = 90 Вт, световой отдачей Н = 20 лм/Вт. Тогда полный световой поток Ф = 1800 лм.

Освещенность дороги на расстоянии 100 м от источника Ф 0,01 лк. Это меньше освещенности от полной Луны в 10– E 4R раз.

I cos, т. е. E~I, Однако согласно основному закону освещенности E R и, если можно создать высокую силу света в данном направлении (а не Ф среднюю, которая равна E 143 кд ), то можно осветить дорожное по лотно до удовлетворяющих норм. Для этого необходимо перераспределить световой поток с помощью осветительной арматуры.

В головной фаре основной частью осветительной арматуры является параболическое зеркало 1, в фокусе которого устанавливается источник света. Если параболоид идеальный, а источник идеально точечный, то вы ходящий пучок лучей идеально параллельный. Так как I = Ф/, а 0, то I. Такого, конечно, никогда не бывает, т.к. источник всегда имеет ко нечные размеры.

Тем не менее световой поток, падающий в апертуру отражателя Ф1=Iл1, равен (если отражение идеальное, коэффициент отражения равен 1) потоку, выходящему из отражателя Ф2=I22, т. е.

I л1 I 2 2, где Iл – сила света лампы;

1 – угол охвата параболоида;

I2 – сила света фа ры;

2 – угол расхождения выходящих из параболоида световых пучков (рис.3.11). Все углы – телесные. Если 2 достаточно мал (параболоид бли зок к идеальному, источник близок к точечному), то сила света в полезном направлении может быть весьма высока (до 150000 кд);

1 – угол охвата параболоида должен быть как можно большим. Его проекция обычно со ставляет 240о. При этом 75 % светового потока от источника используется.

Свет источника, исходящий в телесный угол = 4 – 1 теряется бес смысленно (даже вреден), поэтому обычно ставят еще один отражатель (см. рис. 3.11).

Рис. 3.11. Схема перераспределения светового потока Итак, так как 2 1, то I2Iл и I2 ~ 1/2. Угол расхождения лучей пропорционален диаметру нити спирали лампы. Поскольку диаметр нити по вертикали 1–1,5 мм, по горизонтали 5–6 мм, то в результате параболоид выдает пятно в виде эллипса.

Окончательное светораспределение формируется рассеивателем, изго товленным из оптически прозрачного материала. На внутренней поверхно сти рассеивателя выполняются преломляющие элементы разной конфигу рации, при помощи которых добиваются перераспределения сконцентри рованного отражателем светового пучка по нужным направлениям (цилин дрические, сферические, эллипсоидные линзы). Так устроены смешанные системы (отражатель + рассеиватель).

В последнее время в связи с появлением термостойких пластмасс рас пространение получили чисто отражательные светооптические системы, в которых концентрация светового потока и его распределение по направле ниям осуществляется отражателем сложной формы. Рассеиватель не нужен – вместо него ставят только защитное стекло.

Иногда отражатель, рассеиватель и источник света объединены в не разъемную конструкцию, называемую лампа-фара. Ее преимущество со стоит в том, что раскаленная спираль находится в большом объеме газа, и за счет этого лампа лучше охлаждается. Кроме того, лампы-фары герме тичны, поэтому у них не портится зеркальная поверхность отражателя и не загрязняется рассеиватель. Однако когда такая лампа-фара перегорает, при ходится менять ее целиком. Стоит же такое изделие в пять–семь раз больше самой дорогой галогенной лампы для обычных фар.

Расчет силы света фары для движения в ночное время суток Система освещения для движения в ночное время суток должна решать две противоположные задачи:

1) обеспечить достаточную освещенность дороги на расстоянии Sост – остановочного пути;

2) исключить ослепление водителей встречных транспортных средств.

Движение в темное время суток требует, чтобы дальность обнаружения и опознания препятствий (определяемая дальним светом) была достаточ ной для своевременной остановки автомобиля. Из законов кинематики Sост ~ 2, где – скорость автомобиля. Многочисленными экспериментами ус тановлено, что необходимая для обнаружения препятствий освещенность Екр (критическая) достаточно точно определяется эмпирической формулой Екр= 0,2 + 0,01 Sост (лк).

При Sост=100 м Екр= 1,2 лк, что в 10 раз больше, чем освещенность от полной Луны. Тогда необходимая сила света (Е=I/R2) составит I Eкр S ост.

Таким образом, I ~ Sост2~ 4, а значит, I~ 4.

Сила света фары пропорциональна 4-й степени скорости движения авто мобиля. При движении со скоростью до 70 км/ч нас удовлетворяют фары, у которых суммарная (для всех фар дальнего света) сила света 40000 кд. Уве личение скорости до 110 км/ч может быть достигнуто при использовании до полнительных фар и фар-прожекторов при общей силе света 225000 кд.

Они применяются лишь на специальных средствах передвижения и отклю чаются с переходом на ближний свет.

Комбинированная система ближнего и дальнего света С другой стороны, для удовлетворительной адаптации глаз встречных водителей сила света должна быть меньше 1000 кд. Решаются эти две про тивоположные задачи, как известно, с помощью комбинированной системы ближнего и дальнего света путем разделения (временного) режимов осве щения на два: дальнего и ближнего света. Это привело к техническому ре шению: созданию 2-нитевой лампы, одна из нитей которой располагается в фокусе отражателя для формирования сконцентрированного светового пучка, от которого создается пучок дальнего света, а другая – вне фокуса отражателя и при переключении на нее в момент разъезда встречных авто мобилей отраженный расфокусированный, широкий пучок, снижающий освещенность на глазах водителей, обеспечивал бы режим ближнего света.

Существует 2-фарное и 4-фарное исполнение этой конструкции. Во 2-м случае внешние фары двухнитевые, а внутренние – только дальнего света.

Это позволяет последнюю фару исполнить более точно и эффективно.

Дополнительное перераспределение светового потока, как уже говори лось, осуществляется с помощью рассеивателя. На дороге (экране при ре гулировке) выделяют контрольные точки и зоны, освещенность которых должна быть разной, например, зона, опасная в отношении ослепленности встречных водителей;

зона дорожного полотна, зона обочины и т.д. Эле менты рассеивателя (линзы разных форм, призмы) дополнительно пере распределяют световые потоки, чтобы световой поток концентрировался в наиболее ответственных точках дороги и был отклонен от опасных с точки зрения ослепления встречных водителей.

В чисто отражательных системах новые термостойкие пластмассы дали возможность сделать отражатель весьма сложной геометрической формы – его назвали отражателем «с переменным фокусом». Доводка его конфигу рации требует сложнейших компьютерных расчетов. Зато линзопризмати ческий рассеиватель теперь отправили «в отставку», а стеклу фары, глад кому и прозрачному, осталась лишь защитная функция. Новые фары позво лили раза в полтора повысить освещенность при малой высоте отражателя (95–105 мм), а потому прекрасно вписались в аэродинамические кузова со временных автомобилей. Из отечественных машин первой обзавелась эти ми столь красивыми "глазами" новая "Нива" ВАЗ-2123.

«Ксеноновые» фары При использовании в качестве источников света ксеноновых ламп, ко торые принципиально не могут быть двухнитевыми, так как они нитей не имеют, проблема дальнего и ближнего света возникла вновь. Так что же, ставить четыре фары с громоздкими и дорогими преобразователями? Из вестные фирмы "Бош" и "Хелла" нашли два, в сущности, похожих решения этой проблемы. В первом случае внутри фары размещают подвижный не прозрачный экран, управляемый соленоидом. При включении ближнего света экран опускается и отсекает часть светового потока, который мог бы ослепить водителей встречных автомобилей. Во втором – вдоль оптической оси фары с помощью того же соленоида перемещается сама лампа. Ее све тящийся разряд попадает либо в точку, где должна бы находиться нить ближнего света, либо, напротив, дальнего. Процесс переключения длится всего 0,3 с, причем впечатление такое, будто освещенное пространство пе ред автомобилем плавно меняет свои очертания.

Рис. 3.13. Новая фара с волоконно Рис. 3.12. Фара с ксеноновой лам оптическим преобразователем пой на "Мерседесе-W210" Новая фара имеет совсем другой, пока непривычный для нас вид. Фары дальнего света с ксеноновыми лампами (пока их выпускают небольшими партиями) уже стоят, например, на БМВ седьмой серии, "мерседесах W210" (рис. 3.12).

Световолоконные фары От размеров и формы фар во многом зависит форма передний части ку зова, а следовательно, и аэродинамика автомобиля. Значит, размеры фары влияют на коэффициент лобового сопротивления, т.е. косвенно и на расход топлива.

Специалистам отдела перспективных световых приборов НИИ автомо бильной электроники удалось разработать фару, в которой световой пучок формирует не рассеиватель, а специальная вставка из оптоволокна, на язы ке специалистов – факон. Условно можно считать, что этот волоконно оптический преобразователь на входе имеет сечение в форме окружности, а на выходе – такой же профиль сечения, какой должен иметь ”идеальный” световой пучок. Само оптоволокно, опять-таки условно, можно предста вить в виде множества микрокапилляров, по каждому из которых, ”изгиба ясь”, проходит световой луч. В результате входящий свет ”расщепляется” на тысячи ”лучей”, каждый из которых проходит внутри волоконно оптического преобразователя своим маршрутом и превращается на выходе в световой пучок с заданной формой сечения. Поэтому у новой фары с оп товолоконным преобразователем (рис. 3.13) нет вообще рассеивателя как такового, вместо него обычная, относительно дешевая линза.

Главное достоинство приборов головного освещения ”оптоволоконного поколения” – близкое к идеальному светораспределение. Благодаря этому и при маломощном источнике света удается хорошо осветить дорогу – у во дителя создается впечатление, что фары стали светить лучше. Даже с лам пой мощностью 15 Вт удается получить требуемые характеристики свето вого потока при диаметре фары всего 46 мм, а если использовать лампы типа Н1, хватит и диаметра 36 мм. Применение дорогостоящей газоразряд ной лампы типа D1 сократит необходимый диаметр фары до 15–20 мм. Но это еще не все: в конструкцию новой фары заложена возможность встро енной регулировки, так что фару можно устанавливать в кузов автомобиля без регулировочных зазоров. Еще одно преимущество фар с волоконно оптическим преобразователем: оптоволоконный элемент частично от фильтровывает инфракрасное излучение, рассеивая тепловой поток, а по тому нагрев внешней линзы здесь сокращен до минимума. Благодаря этому новую фару можно изготавливать из устойчивой к абразивному износу пластмассы, например из полиметилметакрилата.

Наконец, последнее, о чем нельзя не сказать: новая конструкция обла дает высокой степенью унификации. Ближний или дальний свет, противо туманные фары, приборы для мотоцикла, автомобиля или трактора – все будут иметь один и тот же отражатель, одну и ту же лампу типа Н1 или Н и даже, возможно, один и тот же унифицированный корпус.

Автоматическая коррекция светораспределения В Германии еще с 1990 г. все выпускаемые автомобили обязали осна щать ручным корректором положения фар, дабы луч от тяжело груженной машины не светил в глаза встречным водителям. Однако большинство тех, кто имеет на передней панели ручку гидро- или электрокорректора, редко им пользуется. Производители электроосветительных приборов пошли на встречу автомобилистам. Разработанный фирмой "Хелла" автоматический корректор фар представляет собой компактный блок с микропроцессором и индуктивным бесконтактным датчиком, который с помощью нехитрого рычажного механизма воспринимает положение задней подвески. Полу ченные данные мгновенно обрабатываются, и электродвигатели, управ ляющие положением фар, получают необходимую команду.

Но кардинально решает проблему идеального светораспределения, за щищает встречного водителя от ослепления следующее изобретение. Пока мы спорим, регулировать ли фары, и учимся устанавливать гидро- или электрокорректоры, способные опустить луч, если в багажнике мешки с картошкой, разработчики БМВ переложили все эти заботы на кристаллы компьютера. В канун 2001 г. они представили необычную фару, способную в корне изменить обстановку на ночных дорогах.

Суть изобретения в рефлекторе, поверхность которого не назовешь ни параболической, ни сферической: она такая, какая нужна в данный момент.

Зеркальный слой образован микроскопическими отражателями с индивидуальными приводами, управ ляемыми компьютером.

Компьютер способен учесть множе ство факторов, начиная от скорости движения, загрузки и крена автомобиля и кончая предстоящим поворотом или Рис. 3.14. Граница света и тьмы чет перекрестком. А соединенный с нави кая, как на картинке, а выше встреч гатором, он даже может изобразить на ного капота луч не поднимается ночном шоссе световую стрелу, преду преждающую водителя о скором начале маневра. И еще одно ценное пре имущество системы DMD (Digital Micromirror Devices), ее еще называют "Пикселлайт": такая фара позволяет ехать с дальним светом, не боясь осле пить встречных водителей – компьютер уберет свет из области выше уров ня их фар (рис. 3.14).

Приложение 3.3. Противотуманные фары Туман – опасное явление природы. Число дней в году с туманами и осадками достигает 200. В тумане дорожные объекты кажутся в 2–3 раза более удаленными и смещенными относительно своего действительного положения.

Светотехнические характеристики автомобильных фар головного света таковы, что в тумане не улучшают, а, наоборот, ухудшают видимость доро ги. При включении фар головного света перед глазами водителя образуется молочно-белая пелена, мешающая различать дорогу. Ближний свет дает не сколько лучшую видимость, но ненамного. Лучше всего, когда все огни на автомобиле выключены, но тогда резко увеличивается опасность дорожно транспортного происшествия, которые в тумане часто носят «цепной» ха рактер. Причина всех этих неприятных явлений – рассеяние света на час тицах тумана, в результате чего рассеянный ими обратно свет головной фа ры создает перед глазами водителя плотную светящуюся пелену. Подобные явления возникают при снегопаде, ливневом дожде и т.д.

Г Ф М О О' Препятствие Дорожное полотно М Рис. 3.15. Действие противотуманной фары Наиболее эффективно для улучшения видимости в этих условиях при менять противотуманные фары. Между тем мнения, бытующие у водите лей, об их возможностях и действии весьма ограничены и часто ошибочны.

Так, действие противотуманных фар часто объясняют их желтым спектром и малой высотой установки, что позволяет фарам светить якобы «под ту ман». Все это не имеет ничего общего с истиной.

Для того чтобы водитель различал предметы на фоне дороги, необхо димо, чтобы они отличались от этого фона яркостью или цветом. Иными словами, всякий объект воспринимается зрением только в том случае, если он по яркости или цвету отличается от фона. При низких освещенностях (когда и работают фары) влияние цвета второстепенно (см. следующую главу). Поэтому важен именно яркостной контраст:

Воб Вдор К, Вдор где Воб, Вдор – яркости соответственно объекта-препятствия и дороги.

Он должен быть больше Кпор (порогового контраста).

Туман представляет собой взвешенные в воздухе частицы влаги (аэро золь) диаметром 1–40 мкм. Яркость светящихся частиц воды вуалирует (накладывается) на яркость дороги и яркость препятствия и снижает кон траст объекта и фона, а следовательно, и видимость.

Пусть на рис. 3.15 точки Г – положение головы водителя, Ф – фары, О – наблюдаемый объект-препятствие, линия ГМ2 – линия зрения водителя.

Фара Ф посылает свет в телесный угол. Яркость объекта О будет рав / на Воб Воб В М 1О, где первое слагаемое – ослабленная пеленой М1О яр кость объекта, а второе – яркость светящейся перед объектом участка ли / нии зрения М1О. Яркость дороги Вдор Вдор В М 1М 2, где первое слагаемое – ослабленная яркость дорожного полотна, а второе – яркость вуалирую щей пелены, т.е. участка линии зрения М1М2. Тогда яркостной контраст «дорога-препятствие»

/ / / / Воб Вдор ВМ1О ВМ1М 2 Воб Вдор ВОМ К тум.

/ / Вдор ВМ1М 2 Вдор ВМ1М Таким образом, по сравнению с первой формулой числитель умень шился, знаменатель увеличился. Контраст в условиях тумана снизился.

Подробное рассмотрение причин ухудшения видимости позволяет най ти пути исправления положения. Для этого надо уменьшить ВОМ2 и ВМ1М2, например изменением светораспределения фары в вертикальной плоскости (см. рис. 3.15). Фара выше линии ФОО/ должна иметь минимальную силу света (резкая граница света и тени). Достигается специальной конструкци ей рассеивателя противотуманной фары. Сам угол рассеяния противоту манной фары должен быть минимален (не более 5о), а направление макси мальной силы света должно проходить как можно ближе к верхней светотеневой грани це пучка. Это же достигается изменением уг ла наклона фары (они более наклонны к до роге). Ослабление вуалирования достигается увеличением расстояния между линией глаз водителя и фарой, которое должно быть мак симальным. Поэтому противотуманные фары Рис. 3.16. «Противотуманка" расположены так близко к полотну дороги. В для ВАЗ- этом заключаются основные принципы дей ствия противотуманных фар (рис. 3.16).

Лабораторная работа к главе ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ Среди искусственных источников света наиболее распространенными являются электрические лампы накаливания. Они состоят из стеклянного баллона с вакуумом до 10-2 –10-3 Па или заполнены инертным газом до ат мосферного давления. Нити накала лампы изготовляются из вольфрама.

Отличаясь по конструктивным данным, они имеют световые параметры, позволяющие оценивать источники света по зрительному ощущению, вос принимаемому человеком. Этими характеристиками являются: световой поток Ф, излучаемый источником, сила света I, световая отдача, срок службы лампы.

Световым потоком Ф источника света называется мощность видимой части излучения, оцениваемая по действию этого излучения на нормаль ный глаз, измеряется в люменах. Так, для монохроматического света с дли ной волны =555 нм (зеленый свет) световой поток равен 683 лм, если мощность равна 1 Вт.

Сила света I определяет световой поток, распространяющийся от ис точника света в единичном телесном угле. Измеряется в канделах.

I=Ф/, (3.1) где – угол, в котором распространяется световой поток Ф.

Световая отдача лампы определяется отношением светового потока Ф, излучаемого лампой, к электрической мощности Р, потребляемой лампой:

Ф. (3.2) Р Срок службы лампы – отрезок времени непрерывного горения лампы.

Измеряется в часах.

Все перечисленные параметры ламп являются функциями напряжения (рис. 3.17). Средний срок службы лампы накаливания общего пользования 1000 ч, автомобильных – 200 – 500 ч. Световая отдача колеблется от 6 (ма ломощные лампы) до 300 лм/Вт (прожекторные лампы).

Все характеристики лампы можно определить методом фотометрии, ос нованным на влиянии излучения на зрительное ощущение. Для этой цели используются приборы, называемые фо- тометрами. В них сравнивается излуче 350 Световой ние исследуемого и эталонного источ % от начальных значений поток ников по действию на нормальный глаз. 300 Световая Следует иметь в виду, что из всего диа- отдача пазона видимого света (от 400 до 800 Срок службы нм) чувствительность нормального гла- за наиболее высокая к длине волны =555 нм и быстро падает при удалении от нее. 100 Мощность В данной лабораторной работе пред лагается два типа фотометров: призмен ный и горизонтальный.

Призменный фотометр (рис. 3.18) Рис. 3.17. Зависимости параметров состоит из фотометрической головки А, лампы от напряжения в два окна которой попадает свет от источников I0 и Ix, укрепленных на двух направляющих r0 и rx соответственно. Отразившись диффузно от бе лой матовой пластинки М и пройдя оптическую систему прибора, свет по падает в окуляр В. Наблюдатель видит поле зрения в виде круга, централь ная часть которого (в нее попадает свет от источника I0) может быть либо более, либо менее яркой, чем окружающее ее кольцо (куда попадает свет от источника Ix).

r0 rz A M I0 Ix B Рис. 3.18. Схема призменного фотометра Поле зрения будет иметь одинаковую яркость лишь в том случае, когда освещенность пластинки М источниками I0 и Ix будет одинаковой, т. е. при условии E0=Ex или * * I0 I x. (3.3) a b r02 rx Ф1 Из соотношения (3.3) можно определить силу Ф света исследуемого источника Ix, если известна сила света эталонного I0 и расстояний r0 и rx.

rx I x I0 2. (3.4) r Принцип действия горизонтального фото метра (рис. 3.19) основан на выравнивании све товых потоков, исходящих от источников I0 и Ix путем изменения отверстий диафрагм a и b. Оп тической системой эти два потока направляются С на линзу объектива, и наблюдатель видит поле Е0 Еж зрения в форме круга, разделенного на две поло вины, имеющие в общем случае разную осве щенность. Освещенность левой части поля Е Рис. 3.19. Схема горизон- определяется световым потоком, проходящим тального фотометра через правую диафрагму, а освещенность правой части Еx – через левую диафрагму. При выравнивании освещенностей при разной силе источников света I0 и Ix необходимо уменьшить открытое от верстие на пути того светового потока, который создан источником с боль шей силой света, или наоборот.

Изменение величин диафрагм а и b осуществляется вращением бараба нов A и В, имеющих шкалы (черного цвета), показания N которых пропор циональны площади открытого отверстия:

N ~ S. (3.5) При равной освещенности обеих половин поля зрения световые потоки через диафрагмы равны, и справедливо равенство I x S x I 0 S0, (3.6) где Sx, S0 – площади открытых отверстий диафрагм.

Учитывая (3.5), равенство (3.6) можно записать в виде I x N x I0 N0, (3.7) где N0 и Nx – показания соответствующих шкал барабанов А и В.

Приборы и принадлежности: электролампы I0, Ix;

вольтметры V0, Vx;

реостаты R0, Rx, амперметр А, источники тока, фотометр Ф.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ 1. Замкнуть цепь эталонной лампы I0 и, плавно перемещая ползунок реостата, добиться, чтобы вольтметр показывал то напряжение, на которое рассчитана лампа (номинальное напряжение).

2. Замкнуть цепь исследуемой лампы Ix и, плавно перемещая ползунок реостата, установить номинальное напряжение на исследуемой лампе. За фиксировать напряжение U и ток i в цепи лампы Ix и записать в табл. 3.6.

3. Определить силу света исследуемой лампы.

Измерение силы света призменным фотометром:

а) изменяя расположение ламп I0 и Ix по отношению к головке фотомет ра, добиться равномерной освещенности поля зрения. Измерить расстоя ния r0 и rx, занести показания в табл. 3.6;

б) повернуть головку фотометра на 180°, добиться равномерной осве 1 щенности поля зрения и вновь измерить расстояния r0 и rx. Найти средние значения r r r r r0 0 0 ;

rx x x ;

2 в) найти силу света источника Ix по формуле (3.4), записать результат в табл. 3.6.

Измерение силы света горизонтальным фотометром:

а) вращением барабанов А и В добиться равномерного освещения поля зрения, снять показания шкал барабанов N0 и Nx, занести данные в табл. 3.7;

б) найти силу света исследуемого источника Ix по формуле (3.7).

Таблица 3. I0 U i P Ix Ф r0 rx r0 r0 rx rx кд B A Bт кд лм лм/Вт мм Таблица 3. I0 U i P N0 Nx Ix Ф кд B A Bт кд лм лм/Вт 4. Уменьшая напряжение в цепи исследуемой лампы каждый раз на 1– В, произвести измерения напряжения, силы тока и силы света источника.

Данные занести в табл. 3.7.

5. Для всех значений напряжений и токов подсчитать потребляемую лампой мощность P U i.

6. Считая источник точечным 4, подсчитать световой поток по формуле (3.1) для всех значений напряжения.

7. По формуле (3.2) подсчитать световую отдачу лампы.

8. Построить графики I x f P и f U, дать анализ полученных зависимостей.

9. Выразить для номинального напряжения значение светового потока в ваттах (полагать, что 1 Вт соответствует 683 лм). Определить, какую долю потребляемой мощности Р составляет излучаемая мощность.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Как устроена лампа накаливания и какими параметрами она характе ризуется?

2. Дать определение силы света и светового потока.

3. Как читаются законы освещенности?

4. Как устроены призменный и горизонтальный фотометры?

5. Как изменяются параметры лампы при отклонении напряжения отно сительно номинального?

Глава 4. Цвет и его оптические характеристики 4.1. Спектральные кривые отражения и пропускания.

Цвета предметов. Цвета света Как известно из волновой теории, цвет оптического излучения (света) обусловлен разницей частот или длин волн спектра видимого диапазона.

Так же, как электромагнитные волны в зависимости от частоты делятся на радиоволны, ИК, УФ-излучения, рентгеновское излучение и т. д., видимый диапазон, в свою очередь, состоит из волн от красных до фиолетовых при изменении их от 770 до 380 нм (см. рис.2.3).

Спектр солнечного света – типичный спектр нагретого тела. Здесь пере ход одного цвета к другому происходит непрерывно, поэтому такой спектр называют непрерывным (другой пример – лампа накаливания). Спектр ви димого света лежит в пределах от 380 до 770 нм, иногда приводят более узкий диапазон – от 400 до 750 нм.

Весь спектр можно разделить по цветовым оттенкам на две части: 1) теплые (левая половина табл. 4.1), связанные с ощущением нагретого тела;

2) холодные (правая половина таблицы), цвета льда, металла, воды.

Таблица 4. Границы участков, нм Цвет Границы участков, нм Цвет 770-620 Красный 550-510 Зеленый 620-585 Оранжевый 510-480 Голубой 585-575 Желтый 480-450 Синий 575-550 Желто-зеленый 450-380 Фиолетовый Таблица 4. Длина В энергетич.

Цвет линии Качественная видимость волны, нм ед.

Фиолетовая 406,2 Слабая Сине-фиолетовая 435,8 Яркая Сине-зеленая 491,6 Весьма слабая Зеленая 546,1 Яркая Желтая 578,0 Яркая Красно-оранжевая 623,4 Практически невидимая Другой тип источников света, как известно из предыдущей главы, – линейчатые. Это ртутная лампа, водородная, натриевая лампы. В табл. 4. приведены характеристики спектральных линий, излучаемых ртутной лам пой. На рис. 4.1 представлены спектральные кривые (зависимости какой либо энергетической характеристики излучения, в данном случае светового потока Ф от длины волны или частоты) для ртутной лампы, Солнца (кри вая 1) и лампы накаливания (кривая 2).

Рис. 4.1. Спектральные кривые излучения 4.2. Цвета предметов Пусть на какое-либо тело падает световой поток Ф белого света. Часть этого потока отразится от поверхности тела, часть поглотится, часть же бу дет им пропущена, если тело прозрачное. По закону сохранения энергии Ф = Фа + Фr + Фt, где Фа – поглощенный световой поток;

Фr – отраженный;

Фt – прошедший.

Разделим левую и правую части уравнения на Ф:

Фа Фr Фt a r t 1, (4.1) ФФФ где a, r, t – коэффициенты поглощения, отражения и пропускания, которые могут выражаться также в процентах.

S S Зеркало Белая бумага S Рис. 4.2. Зеркальное и диффузное отражения Следует различать направленное (зеркальное) и диффузное (рассеян ное) отражение и пропускание. При зеркальном отражении телесный угол светового потока не изменяется, при диффузном – происходит его увеличе ние (ламбертовские поверхности, см. выше, рис. 4.2). Аналогично проис ходит направленное и диффузное пропускание (рис. 4.3).

S S стекло «Молочное»

Оконное стекло Рис. 4.3. Зеркальное и диффузное пропускание Речь пока шла об общих или суммарных (интегральных) коэффициен тах отражения, поглощения, пропускания во всем видимом диапазоне. Ес ли же мы будем освещать тело монохроматическим светом с определенной длиной волны, то мы можем измерить спектральные коэффициенты a, r, t. Зависимости этих коэффициентов от длины волны носят названия спек тральных кривых отражения, пропускания, поглощения и характеризуют способность тела или среды отражать или пропускать свет разных длин волн.

На рис. 4.4 представлены спектральные кривые отражения белого снега (кривая 1), желтой бумаги 2, кривые пропускания зеленого 3, красного 4 и синего 5 светофильтров. Если тело отражает или пропускает так, что коэф фициенты одинаковы для всех, то говорят, что оно неизбирательно отра жает или пропускает. Цвета, получаемые в результате этого, – ахроматиче ские (белый, черный, се рые).

Фиолетовый Оранжевый отражения или пропускания (), % Однако это вовсе не оз Красный Голубой Зеленый Желтый Синий начает, что поверхность, скажем, белой бумаги не Коэффициент может казаться нам цвет ной. Например, если мы осветим ее светом натрие- 5 вой лампы (желтый свет), то она будет желтой, если светом через красный све тофильтр – красной, и т.д. Таким образом, цвет пред- 400 500 600 метов зависит, во-первых, Длина волны, нм от их способности отра Рис. 4.4. Кривые отражения и пропускания жать или пропускать па дающий на них свет (спектральных характеристик предметов) и, во вторых, от распределения светового потока в спектре излучения источника света. Например, осветим зеленую ткань лампой накаливания, ртутной и неоновой лампами. Зеленая ткань имеет максимум отражения в зеленой части спектра. Но зеленой она будет казаться только в первых двух случа ях. Под неоновой лампой она будет казаться темно-бурой, так как в неоно вом свете отсутствует зеленый свет. Этот пример объясняет всем извест ную разницу цветов при естественном и искусственном освещении. В ис кусственном свете красные цвета становятся более чистыми, оранжевые – краснеют и оба становятся светлее. Голубые цвета зеленеют, синие и фио летовые – несколько краснеют, приобретая пурпурный оттенок.

4.3. «Естественная» система характеристики цвета Все цвета, встречающиеся в природе, делятся на ахроматические и хроматические. К первым относятся белый, черный и серые – промежу точные. В спектрах источников их нет. Все тела, имеющие ахроматический цвет, в разной степени количественно отражают свет. Они обладают раз личным коэффициентом отражения, но качественно одинаково не избира тельно отражают свет во всем спектре. Наибольшим коэффициентом отра жения обладает окись магния (96 %), наименьшим – черный бархат (0,3 %).

Глаз человека способен различать около 300 ахроматических цветов от бе лого до черного.

Хроматическими цветами являются все цвета, имеющие тот или иной цветовой оттенок. К ним, например, относятся все спектральные цвета, но не только они. Необходимо выбрать более точные критерии для обозначе ния хроматических и ахроматических цветов, чем качественные названия:

красный, синий, серый, желтый и т. д. Хотя существуют и такие качествен ные классификации, например, классификация Манселля. Однако больший интерес представляют системы количественных характеристик цвета.

Профессионалы, работающие с цветом, используют 4, а то и 5 характе ристик цвета и света: цветовой тон, воспринимаемая чистота, светлота, «яркость» цвета, а также «воспринимаемая яркость», относящаяся к осве щению. Однако мы рассмотрим более простые, относящиеся к изолиро ванным цветам, системы количественной характеристики цвета.

Представим, что из спектра излучения мощной лампы выделен моно хроматический (спектральный) зеленый свет с длиной волны 530 нм и на правлен на белый экран. На этот же экран направим пучок белого света. В этом случае экран будет окрашен в зеленый цвет, но другой, более белесый.

По мере добавления белого цвет экрана будет изменяться к все более беле сым оттенкам. Мы получаем множество цветов одного тона, но различных по степени их разбавления белым светом.

Спектральные цвета являются чистыми цветами, их чистота цвета (обозначается Pe) равна 100 %. Цветовой тон d – другая характеристика цвета спектральных цветов, равная его длине волны. Третьей характери стикой цвета в данной системе является количественная характеристика – яркость цвета В, определяемая количеством энергии, излучаемой в едини цу времени с единицы поверхности, перпендикулярной направлению на блюдателя. Среди спектральных цветов нет так называемых пурпурных цветов: малиновых, сиреневых, вишневых, розовых. Чистые цвета данных цветовых тонов можно получить смешиванием в разных пропорциях край них цветов спектра – красного и фиолетового.

Все остальные цвета в этой системе получают смешиванием чистых цветов с белым светом в разных пропорциях. При этом доля в смеси чисто го спектрального или пурпурного цвета в процентах характеризует чистоту полученного цвета, а длина волны чистого спектрального, из которого по лучен данный цвет, называется доминирующей длиной волны d и характе ризует цветовой тон. Предположим, что нам пришлось смешать 40 единиц светового поток Ф спектрального света с цветовым тоном d=530 нм и единиц светового потока белого света. Следовательно, суммарный световой поток будет составлять 100 единиц, чистота цвета Ре=40 %, цветовой тон остался равным 530 нм. Две эти характеристики определяют качество цвета или цветность стимула. Для полного описания цвета добавляют ко личественную характеристику – яркость В. Так, коричневый цвет, который отсутствует в числе спектральных, определяется яркостью. При разной яр кости стимул данной цветности может являться глубоко оранжевым, ин тенсивным коричневым или глубоким коричневым. Бордовый и розовый также являются цветами одной цветности, но разных яркостей. Одинаково качество цвета (Ре+d) у всех ахроматических цветов.

Два цвета тождественны, если:

d1 = d2;

Pe1 = Pe2;

B1 = B2.

Наш глаз при самых благоприятных условиях способен различить меж ду собой около 200 спектральных и пурпурных цветов. Каждый из них, разбавленный белым, способен дать еще множество цветов с разной чисто той цвета. Глаз способен различить разное количество цветовых оттенков от спектрального до белого в зависимости от длины волны спектрального «разбеливаемого». Так, глаз различает всего около 4-х оттенков от желтого до белого, но около 25-ти от красного до белого. Наименьшее восприни маемое глазом различие в цвете носит название порога цветоразличения.

Различают цветоразличение по цветовому тону (между чистыми цветами) и по чистоте (между разбеливаемыми цветами). Число порогов цветораз личения характеризует насыщенность данного цвета. Чем больше порогов цветоразличения имеется для данного цвета, тем более насыщенным он яв ляется. Наиболее насыщенные цвета по чистоте – красный и синий, наиме нее – желтый.

Оценка цветов по цветности и яркости наряду с наглядностью и просто той имеет ряд недостатков. Возникают проблемы с цветовой характеристи кой пурпурных цветов, которых нет в спектре. Нельзя сразу сказать, что получится при смешивании двух цветов, какие характеристики будет иметь результирующий цвет. Трудно также графически представить взаимное расположение существующих цветов.

4.4. Аддитивное смешение цветов. Система RGB Многочисленными опытами установлено, что все существующие цвета световых излучений могут быть получены путем смешения трех взаимно независимых цветов – красного (red), зеленого (green) и синего (blue), взя тых в определенных количествах. Получение цвета смешением цветовых излучений называется аддитивным смешением. Оно играет важную роль в случае получения излучений с заданными цветовыми характеристиками (цветовая сигнализация, цветное телевидение и т. д).

Противоположное – субтрактивное смешивание, основанное на вычи тании цветов из первоначального светового потока, играет важную роль при составлении красок, цветной полиграфии и фотографии. При этом один и тот же цвет может быть получен не одним, а множеством сочетаний трех цветов. Данное явление называется метамеризмом. Особенности смешения цветов и явление метамеризма отражают особенности цветовос приятия человеческого глаза, о которых подробно будет рассказано в сле дующей главе. В сетчатке глаза имеются три вида колбочек – цветочувст вительных клеток, с помощью которых создается ощущение цвета: крас ноощущающие, зеленоощущающие и синеощущающие. Для получения про извольного цвета путем аддитивного смешения выбирают три единичных основных цвета. Их длины волн и световые потоки Ф таковы, что при смешении всех трех в результате получается белый цвет. В первой трех цветной международной колориметрической системе в качестве единич ных основных цветов были приняты следующие монохроматические излу чения:

R: = 700 нм;

ФR = 683 лм = 1 ед. красного цвета;

G: = 546 нм;

ФG = 3180 лм = 1 ед. зеленого цвета;

B: = 436 нм;

ФB = 43 лм = 1 ед. синего цвета.

Если задачей является получение заданного цвета, то излучение от этих источников направляем на абсолютно белую поверхность. Измеряя количе ство r, g, b световых потоков единичных цветов и сравнивая полученный цвет с заданным, мы получим цветовое уравнение для цвета Ц:

Ц = rR + gG + bB, которое показывает, сколько единиц каждого из цветов надо взять, чтобы получить цвет Ц. Коэффициенты r, g, b носят название координат цвета, а их произведения на обозначения цветов – цветовых составляющих.

Опыты по смешиванию цветов показывают, что не все цвета могут быть получены по такой схеме. В ряде случаев, чтобы уравновесить цвета, надо к цвету Ц добавить один из основных цветов. Тогда уравнение цвета вы глядит, например, так:

Ц + bB = rR + gG, или Ц = rR + gG – bB.

Т.е. один из цветов имеет отрицательную координату. Поскольку мы за даем источники R, G, B, то переменными характеристиками являются ко ординаты цвета r, g, b. Чаще нас интересует только качество цвета (цвет ность), а не его количество (яркость). Тогда цветность можно охарактери зовать относительными единицами – координатами цветности:

r' g' b' r g b ;

;

.

r ' g 'b' r ' g 'b' r ' g 'b' Очевидно, что r+g+b=1. Две координаты цветности независимы. Тре тью всегда можно найти по уравнению g =1 – (r + b).

4.5. Цветовой треугольник Одним из достоинств RGB-системы представления цвета является воз можность построения графика цветности в виде так называемого цветово го треугольника (рис. 4.5). Известно, что рав носторонний треугольник обладает следую щим свойством: сумма перпендикуляров, опу щенных из любой точки на противоположные стороны, равна высоте треугольника. Поместив в вершины такого треугольника основные цве та R, G, B и приняв высоту треугольника рав ной единице координаты цветности, можно каждую точку внутри треугольника соотнести Рис. 4.5. Цветовой с определенным цветом, координаты которого треугольник легко определяются по масштабной сетке, на ложенной на график. Цветовой треугольник обладает рядом полезных свойств:

1) точка, соответствующая ахроматическому белому цвету, расположена в центре треугольника. Это точка Е;

2) прямая линия между точками любых разных цветов – это линия сме шивания. Она является траекторией, на которой лежат все точки, представ ляющие цветности всех возможных смесей этих двух цветов;

3) если линия смешивания проходит через точку Е, то эти цвета допол нительные по отношению к равноэнергетическому источнику Е (энергия излучения которого не зависит от длины волны излучения);

если через точ ку Д, – то эти цвета дополнительные относительно стандартного источника Д МКО, соответствующего дневному свету (дневной свет не является абсо лютно белым). Если два луча света, которые значительно различаются по цветовому тону, можно отрегулировать по интенсивности таким образом, чтобы их смесь давала белый круг на белом экране, то в этом случае гово рят, что исходные цвета дополнительные между собой;

4) все спектральные цвета плюс чистые пурпурные лежат на линии спектральных цветностей, которая лежит вне цветового треугольника.

Цветности всех существующих цветов расположены на цветовом графике на площади, ограниченной кривой спектральных цветностей, внутри кото рой находится и цветовой треугольник. Все точки вне цветового треуголь ника имеют отрицательное значение хотя бы одной координаты цветности;

5) цветовой график системы RGB легко совмещается и иллюстрирует естественную систему обозначения цветности. Линия спектральных цвет ностей, как правило, снабжена шкалой длин волн. Линия, соединяющая любой спектральный цвет с точкой Е (либо Д), является геометрическим местом точек цветов с одинаковым цветовым тоном (соответствующей до минирующей длиной волны d) и переменной от 100 до 0 % чистотой цве та. На цветовой график RGB часто накладывается сетка чистоты цветно стей Ре, что очень облегчает перевод характеристик цветностей из одной системы в другую. Пурпурные цвета отсутствуют в спектре, они не могут быть охарактеризованы цветовым тоном. Поэтому пурпурные цвета обо значаются длинами волн соответствующих им дополнительных цветов со знаком «штрих» –d. Например, цвет с d = 540 нм – это пурпурный цвет, которому соответствует дополнительный зеленый с d = 540 нм;

6) большая зона, определяющая зеленый цвет, и относительно малень кая для красного вовсе не означает, что зеленых цветов больше, чем крас ных. Эта неоднородность пространства рассматривается как существенный недостаток, присущий цветовому графику. Другим недостатком цветового графика RGB является наличие отрицательных координат, что значительно усложняет расчеты смешения цветов.

4.6. Цветовой график МКО. Сложение цветов В настоящее время для характеристики цветов пользуются колоримет рической системой XYZ, лишенной недостатков системы RGB. Она утвер ждена в 1931 г. Международной комиссией по освещенности (МКО).

В этой системе выбраны другие основные единичные цвета: X, Y, Z. Они выбраны так, чтобы все существующие в природе цвета находились внутри полученного цветового треугольника и координаты цветности получились положительными. Цвета X, Y, Z – условные, они не имеют иного смысла кроме расчетного. Для цвета Ц:

Ц = xX + yY + zZ, где x, y, z – координаты цвета;

X, Y, Z – обозначения единичных основных цветов. Для координат цветности x' y' z' ;

y ;

.

x z x' y ' z ' x' y ' z ' x ' y ' z ' Координаты цвета RGB могут быть переведены в координаты XYZ, и наоборот:

x= Cr xR r + Cg xG g + Cb xB b ;

y= Cr yR r + Cg yG g + Cb yB b ;

z= Cr zR r + Cg zG g + Cb zB b, где r, g, b – координаты цвета в системе RGB;

xR, yR, zR – координаты еди ничного цветового стимула R в системе XYZ;

Cr, Cb, Cg – коэффициенты, определяющие свойства источника стандартного излучения.

Графики (см. рис. 5.5 и рис. 5.6) позволяют определить положение ре зультата смешивания цветов. Для этого надо найти положения смешивае мых цветов Ц1 (x1, y1, z1) и Ц2 (x2, y2, z2) на треугольнике цветности и соеди нить точки прямой линией. Затем необходимо просуммировать координаты цвета обоих точек:

W = x1+ y1 + z1+ x2 + y2 + z2. (4.6.1) Отрезок прямой, соединяющий точки Ц1 и Ц2, разбивается на W отрез ков, а затем из точки Ц2 откладывается W1= x1+ y1 + z1 (4.6.2) отрезков. Полученная точка и будет результатом смешения. Для определе ния d достаточно провести через точку Д (xD = 0,3127;

yD = 0,3290) пря мую до пересечения с линией спектральных цветностей. Чистоту цвета на ходят по формуле x xD y yD Pe xb x D y b y D, (4.6.3) где x, y – координаты цветности рассматриваемой точки;

xb, yb – координа ты цветности соответствующего спектрального цвета.

4.7. Качественные системы классификации цветов Применяемые до сих пор, особенно в искусстве, дизайне, колористке, системы классификации цветов (наиболее известная – «по Манселлю»), карты наименований цвета, цветовые каталоги и атласы так или иначе при ведены или могут быть привязаны к координатам XYZ-системы. В табл.

4.3 и на рис. 4.10 приведены таблица и карта наименований цвета для све товых потоков К.Л. Келли. Зоны карты Келли в основном обозначают ин тервалы по цветовому тону. Наименования цвета не дают различия в вос принимаемой частоте цвета, исключая введение розовых цветов, и не из меняются при изменении яркости. Не было предложено наименование цве та большой центральной области овальной формы, обозначенной буквой U.


Цветовые тона цветов, представленных цветностями, находящимися в этой зоне, изменяются на границах от неопределенного до едва уловимого.

Таблица 4. Обозначение по Название цвета классификации Пурпурный Р Красновато-пурпурный rP Красно-пурпурный RP Пурпурновато-розовый PPk Пурпурновато-красный PR Красный R Розовый Pk Красновато-оранжевый rO Оранжево-розовый OPk Оранжевый O Желтовато-оранжевый yO Желтый Y Зеленовато-желтый gY Желто-зеленый YG Желтовато-зеленый yG Зеленый G Синевато-зеленый bG Зеленовато-синий gB Синий B Пурпурно-синий PB Пурпурновато-синий PB Приложение к главе Компараторы цвета. Подбор красок по заданным характеристикам Зная спектральные коэффициенты отражения поверхности тела и рас пределение энергии в спектре источника света, освещающего поверхность тела, мы можем рассчитать цвет этой поверхности при данном освещении (правильнее, цвет излучения, отраженного поверхностью). То же самое от носится и к среде, но тогда нужно знать спектральные коэффициенты про пускания. Если источниками света являются лампа накаливания или Солн це, имеющие непрерывный спектр, то расчет цвета занимает достаточно много времени. В настоящее время проблема решается применением со временной вычислительной техники. Математическая основа решения этой расчетной задачи приведена в § 4.6.

Так как обычно кривые спектрального отражения поверхности или рас пределения энергии в спектре источника света неизвестны, то перед расче том необходимо провести спектральные измерения на достаточно сложных и дорогих приборах – спектрометрах.

Естественно возникает вопрос: может ли быть измерен непосредствен но данный цвет? Да. Приборы для непосредственного измерения цвета су ществуют и называются колориметрами.

Колориметры бывают визуальные и фотоэлектрические. Визуальные колориметры основаны на уравнивании глазом по цвету двух полей срав нения, расположенных рядом и разделенных тонкой линией. Визуальные колориметры бывают аддитивными и субтрактивными. Субтрактивные ко лориметры основаны на явлении вычитания цветов. Аддитивные колори метры основаны на получении любого цвета путем смешения в определен ных количествах трех постоянных по качеству цветных световых потоков – красного, зеленого и синего. Одно поле аддитивного визуального колори метра освещается измеряемым светом, а второе – одновременно тремя све товыми потоками: красным, зеленым и синим.

На рис. 4.6 приведена принципиальная схема аддитивного визуального колориметра. Красный, зеленый и синий световые потоки получаются про пусканием светового потока белого света через красный, зеленый и синий светофильтры. Изменение красного, зеленого и синего световых потоков, падающих на одно из полей срав- 0’ Синий нения, осуществляется с помо Зеленый щью заслонок с переменной сте- г пенью закрытия. Эти заслонки в установлены перед каждым из б светофильтров. Чем большую по- а Красный верхность светофильтра перекры- Белый вает заслонка, тем меньший све- свет товой поток этого цвета падает на соответствующее поле сравнения. Рис. 4.6. Схема аддитивного колориметра Изменяя соотношения красного, зеленого и синего световых потоков, мож но добиться равенства обоих полей сравнения по цветности и яркости, сле довательно, по цвету. Степень закрытия заслонками светофильтров может быть прочитана по шкалам колориметра. Показания шкал прибора при цве товом равенстве обоих полей сравнения позволяют рассчитать координаты цветности измеряемого излучения, пользуясь предварительно сделанной градуировкой.

Здесь нам следует уточнить, что же понимать под белым светом. Суще ствует множество источников белого света, при которых может наблюдать ся данный объект. Важнейшим из них является дневной свет. Однако есте ственный дневной свет имеет различные фазы, такие как свет прямых сол нечных лучей, облачного или ясного неба и т. д. Свет прямых солнечных лучей значительно отличается от света ясного неба или солнечного света, рассеянного облаками. Естественный свет, падающий на землю, зависит от времени дня и состояния погоды. Существуют также различные искусст венные источники света: лампы накаливания и газоразрядные лампы, имеющие различное распределение энергии в спектре их излучения. Для того чтобы цветовые измерения были идентичными, Международной ко миссией по освещению (МКО) были приняты стандарты излучения белого света: А, В, С и D65 для использования в колориметрии. Спектральное рас пределение этих излучений стандартизировано МКО. Стандартные излу чения МКО А, В и С представляют собой излучение абсолютно черного те ла при определенной температуре (А) и излучения дневного света с опре деленной цветовой температурой (В и С). Стандартный источник белого света А представляет собой электрическую лампу накаливания с цветовой температурой излучения, равной 2855,6 К. Стандартные источники белого света В и С осуществляются с помощью источника А и определенных жид костных светофильтров и имеют цветовую температуру излучения, равную 4874 и 6774 К соответственно. Стандартный источник белого цвета D имеет цветовую температуру 6504 К и у него нормируется излучение в ультрафиолетовой части оптической области спектра.В субтрактивных ви зуальных колориметрах цветового равенства обоих полей сравнения доби ваются иным путем, чем в аддитивных колориметрах. Так же, как и в адди тивных визуальных колориметрах, одно из полей сравнения субтрактивно го колориметра освещается световым потоком, цвет которого требуется оп ределить. Второе поле сравнения освещается лампой накаливания, перед которой установлены один за другим несколько цветных стеклянных клиньев с переменной толщиной (рис. 4.7). Передвигая цветные клинья (а – пурпурный;

б – желтый;

в – голубой) перпендикулярно направлению пучка света лампы накаливания, мы изменяем толщину каждого клина, че рез который проходит световой поток лампы. Вследствие изменения тол щины клиньев изменяется цветность светового потока белого света после прохождения через все цветные клинья. При некотором положении цвет ных клиньев получается цветовое равенство полей сравнения. По шкалам, 0’ которые связаны с перемещаю щимися цветными клиньями, мо гут быть сделаны отсчеты. По полученным отсчетам и имею щейся градуировке может быть определен искомый цвет. Суб трактивные колориметры мало 0 а применяются на практике, так как в Белый они значительно сложнее в упот б свет реблении, чем аддитивные, и ме Рис. 4.7. Схема субтрактивного колориметра нее точны.

Фотоэлектрические колориметры основаны на совершенно ином прин ципе, чем визуальные. В визуальных колориметрах измерение цвета ведет ся глазом. В фотоэлектрических колориметрах роль глаза выполняют фото элементы. При освещении активной поверхности фотоэлемента светом в его цепи появляется электрический ток. Это свойство фотоэлементов и ис пользуется в фотоэлектрических колориметрах. Принципиальная схема фо тоэлектрического колориметра представлена на рис. 4.8. Световой поток, цвет которого требуется измерить, направляется на систему из трех фото элементов (б1, б2, б3). Каждый из фотоэлементов соединен с чувствитель ным гальванометром (в1, в2, в3). При протекании электрического тока в це пи фотоэлемента стрелка гальванометра отклоняется. Перед каждым из фотоэлементов устанавливается специальный корригирующий свето фильтр (а1, а2, а3). Кривые спектрального пропускания этих светофильтров подбираются таким образом, чтобы отклоне- а б ния стрелок гальванометров фотоэлементов Свет были пропорциональны координатам цвета в х', у и z'. Определив х', у' и z', мы по ним вы х' числяем координаты цветности и при необ- а б ходимости находим цветовой тон d и чисто- Свет ту цвета р с помощью цветового графика. в Измерение цвета на фотоэлектрическом ко лориметре производится с большой точно- у' а стью и требует незначительного времени. В Свет б настоящее время большое применение име в ют фотоэлектрические колориметры, исполь зуемые для цветовых и других измерений в z' разнообразных областях науки и техники и Рис. 4.8. Фотоэлектрический во многих отраслях промышленности. В ка- колориметр честве приемников излучения в фотоэлек трических колориметрах используют селеновые фотоэлементы, вакуумные фотоэлементы и фотоумножители с висмуто-серебряно-цезиевыми или многощелочными фотокатодами, а также кремниевые фотодиоды.

В настоящее время наиболее перспективными приборами для измере ния цветовых параметров поверхностей тел и сред являются спектроколо риметры. В них определение спектральных характеристик объекта измере ния и расчет координат цвета осуществляются с высокой точностью с по мощью ЭВМ.

С помощью описанных выше колориметров цвет определяется в одной из колориметрических систем, и это дает возможность судить о цвете той или иной поверхности или среды. Нанося точки цветности измеряемых об разцов на цветовой график, можно определить их цветовой тон и чистоту цвета, а также выяснить, укладывается ли в нормативы цветности изме ряемый образец при наличии стандартизированных пределов цветности.

Однако встречается задача и иного рода, когда необходимо сравнить по цвету образцы серийной промышленной продукции с эталонным образцом этой продукции. Подобные измерения необходимы в текстильной, лакокра сочной, пищевой, фармацевтической, бумажной, керамической и других отраслях промышленности, где требуется высокая степень одноцветности выпускаемых изделий. Для таких измерений нужны приборы, с помощью которых можно было бы оперативно определять весьма малые цветовые различия.

Точность описанных выше колориметров оказывается недостаточной для измерения весьма малых цветовых различий, поэтому для этой цели используются специальные приборы, называемые компараторами цвета.

Компаратор – измерительный прибор, в котором измеряемая величина сравнивается с эталонной.

На рис. 4.9 показана структурная схема фотоэлектрического компара тора цвета типа ЭКЦ-1. Светооптическая схема прибора представляет со бой двухлучевую схему, позволяющую с помощью оптических элементов и вращающегося диска 4 с отвер 7 4 стием на его периферии осве щать одной лампой 1 попере 1 9 менно испытуемый и эталон ный сравниваемые образцы 9.


В качестве приемника излуче ния применен фотоумножитель 12, который соединен с элек троизмерительным прибором.

При вращении диска с частотой 20 Гц исследуемый и эталон ный образцы попеременно ос вещаются и отраженные от ис пытуемого и эталонного образ 12 ФЭУ- цов световые потоки попадают 15 в интегрирующий шар 8. В ша 16 18 ре размещен светопровод 13 в виде стержня из оргстекла, а под ним, за пределами шара, специальные светофильтры 10, Рис. 4.9. Компаратор цвета 11 и фотоумножитель. Возбуж даемый в фотоумножителе ток имеет форму прямоугольных импульсов.

Электронная схема компаратора логарифмирует 15 и усиливает 16 пере менную составляющую тока фотоумножителя. При равенстве цветовых ха рактеристик испытуемого и эталонного образцов суммарная переменная составляющая тока фотоумножителя равна нулю и стрелка электроизмери тельного прибора 19 не отклонится. При наличии цветового различия меж ду указанными образцами появляется суммарная переменная составляю щая тока фотоумножителя, которая определяется измерительным прибо ром. По градуировке компаратора цвета определяют цветовое различие и коэффициенты отражения или пропускания испытуемого образца. В ком параторе цвета типа ЭКЦ-1 практически отсутствует влияние на конечный результат изменения светового потока источника света и напряжения пита ния фотоумножителя, а также изменения чувствительности последнего.

Бывают случаи в практической работе, когда требуется определить цвет той или иной поверхности при отсутствии колориметра, тогда применяется упрощенный способ определения цвета с помощью атласа цветов. Атласом цветов называется альбом, в котором собрано большое число цветных и ах роматических накрасок, расположенных в определенном порядке. На каж дой странице размещены накраски одного цветового тона, но различной чистоты цвета. В таблицах приводятся характеристики каждой накраски (цветовой тон, чистота цвета и суммарный коэффициент отражения).

С накрасками атласа цветов может быть сравнен цвет, который требуется определить. При сравнении выбирается та накраска, которая имеет цвет, наиболее близкий к цвету измеряемой поверхности. Цветовые характери стики этой накраски могут быть приняты в качестве приблизительных цве товых характеристик измеряемой поверхности. Цветовые атласы имеют до вольно большое распространение. Так, с 1780 по 1956 гг. в разных странах было издано более двадцати различных цветовых шкал и атласов цветов.

Некоторые из них многократно переиздавались. Наибольшее распростране ние получили цветовые атласы Оствальда и Манселля. Однако недостатком этих атласов является то, что в них цветность определяется некоторыми ус ловными цифровыми обозначениями. Таким образом, в этих атласах нельзя получить результат измерения в Международной колориметрической систе ме XYZ.

В 1937 г. Всесоюзной академией архитектуры был выпущен атлас архи тектурных цветов, в котором были приведены накраски архитектурных цве тов и даны их характеристики и рецепты. Атлас архитектурных цветов в ос новном был предназначен для стандартизации рецептов архитектурных кра сок, но не для определения цветов.

В 1948 г. был издан атлас архитектурных цветов В. В. Чернова. Ориги нальный атлас цветов, разработанный Е. Б. Рабкиным, был издан у нас в 1956 г. Этот атлас цветов отличается тем, что все имеющиеся в нем цветные поля характеризуются координатами цветности в системе XYZ и для них од новременно даются цветовой тон и чистота цвета, а также коэффициенты отражения. Цветные таблицы представлены в атласе двумя сериями таблиц для двенадцати цветовых тонов. Обе серии совершенно одинаковы по соста ву и отличаются друг от друга только формой цветных полей. В первой се рии цветные поля даны в виде сплошных кружков, а во второй – в виде по лукружков со сквозными полукруглыми вырезами для возможности непо средственного сравнения измеряемых образцов с полями атласа.

Область применения цветовых измерений весьма широка. Цветовым из мерениям подвергают всевозможные источники света, светофильтры, при меняемые в самых разнообразных областях техники, естественные земные покровы, ткани, архитектурные накраски, некоторые продукты питания, различные цветные растворы, бумажные изделия, керамику и др. Одно из применений цветовых измерений – восстановление окраски изделий, в ча стности поверхности корпуса автомобиля, после жестяного ремонта. Данная операция выполняется после предварительного измерения цвета одним из вышеперечисленных методов. После определения цвета составляют краску, смешивая компоненты с известными цветовыми характеристиками. При этом используют расчеты и правила смешивания цветов.

Лабораторная работа к главе КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВЕТА.

СЛОЖЕНИЕ ЦВЕТОВ Цвета окружающих нас предметов есть результат сложных физических и психофизических процессов, протекающих как в окружающем нас мире, так и внутри человека, в его глазах и головном мозгу. Цвет тела определяется спектральным составом освещающего его излучения, пропускающими, отра жающими и рассеивающими свойствами самого предмета, а также цветами окружающих тел. Кроме того, учитывая, что цвет – это ощущение, возни кающее в головном мозгу в ответ на свет, падающий на сетчатку, результат ощущения зависит от индивидуальных особенностей зрения. Поэтому при использовании строгой терминологии принято говорить не о цвете предмета, а о цветовом стимуле – термине, характеризующем свет, достигающий сет чатки и вызывающий то или иное цветовое ощущение.

Цель работы – познакомиться с помощью компьютерной программы с тремя системами количественной оценки света, с понятиями «насыщенность цвета», «дополнительные цвета», получить представление о способах расчета результата смешения двух и более цветов.

Задание к лабораторной работе 1. Войдите в пункт меню “Смешение цветов” (рис. 4.11). Поработайте с тремя цветовыми источниками, или “стимулами”, дающими представление о RGB-системе получения цветов. Получите несколько цветовых тонов из классификации Келли по указанию преподавателя, меняя количество R, G, B источников.

Рис. 4. 10. Зоны Келли Выберите способ работы с программой:

1. Информация о программе.

2. Теоретические основы модели.

3. Расчет по треугольнику цветности.

4. Смешение цветов.

Esc - выход Рис. 4.11. Главное меню Запишите для них название, обозначение по Келли и координаты цвета в табл. 4.4.

Таблица 4. r’ G' b’ Название цвета Обозначение по Келли 1.

2.

3.

2. Для всех трех цветов получите оттенки данных цветов до белого, вы брав пункт меню 1 (рис. 4.12). Непосредственно в ходе выполнения работы сделайте вывод о насыщенности сравниваемых цветов. Чем больше цвето вой контраст между оттенками цвета до белого, выдаваемыми программой, тем более насыщенным является цвет.

В ыбер и т е цв ет нажат и ем кл ав и ши E nter К ол и чест в о цв ет а в % от м акси м ал ьног о К р асн ог о цв ет а З ел еног о цв ет а С и нег о цв ет а Вв еди т е р ежи м р абот ы с цв ет ом == 1. П осм от р ет ь от т енки дан ног о цв ет а д о бел ог о.

2. П осм от р ет ь до пол ни т ел ьн ый цв ет.

3. С м еш ат ь со в т ор ым цв ет ом.

4. В ыбр ат ь нов ый цв ет.

5. В ыход.

Рис. 4.12. Рабочее окно программы 3. У одного из цветов получите дополнительный к данному цвет (2-й пункт меню). Подберите по своим ощущениям значения RGB-координат, соответствующих дополнительному цвету. Запишите координаты в табл.

4.5. Подсчитайте сумму координат этих цветов.

Таблица 4. Название цвета r g b 1.

2.

3.

4. Смешайте предложенные цвета. Для этого создайте первый цвет, по том, войдя в пункт меню 3, смешайте его со вторым. Запишите подсчитан ные программой координаты всех трех цветов и их названия. Выйдите в главное меню. Выбрав пункт 3, переведите координаты из системы RGB в систему XYZ. Запишите координаты цвета x, y, z всех трех цветов, полу ченных ранее, и их координаты цветности в табл. 4.6.

Таблица 4. x y z Название цвета r g b x y z 1.

2.

3.

5. Найдите положение смешиваемых цветов Ц1 и Ц2 на диаграмме цвет ности, выданной преподавателем. Обозначьте их точками на кальке. Най дите по диаграмме результат смешивания, пользуясь методикой и форму лами (4.6.1), (4.6.2) из § 4.6. Определите для точек Ц1 и Ц2 цветовой тон и чистоту цвета по формуле (4.6.3). Занесите результаты в табл. 4.7.

Таблица 4. х y Z Pe Название цвета d 1.

2.

3.

6. Ответьте на следующие вопросы:

а) совпали ли ваши представления о цветовом тоне с классификацией по Келли? Пользуйтесь рис. 4.10 и координатами табл. 4.7.

б) какой из предложенных цветов более насыщенный? почему?

в) что можно сказать о сумме координат основного и дополнительного цветов? как объяснить полученные значения?

г) сравните результаты смешения с помощью компьютера и с использо ванием цветового графика;

д) проанализируйте результаты расчета цветового тона и чистоты. Со ответствуют ли полученные значения положению точек цветов на цветовом графике?

Подробный и верный вывод и беседа по нему с преподавателем являют ся основой защиты данной лабораторной работы.

Глава 5. Субъективные аспекты восприятия цвета 5.1. Строение глаза человека. Оптическая система глаза и её недостатки Глаз человека (рис. 5.1) состоит из склеры 5 – полупрозрачной упругой оболочки белого цвета (белок), которая обеспечивает глазу защиту и сохра нение формы. Толщина склеры около 1 мм. К склере крепятся наружные мышцы 8, которые обеспечивают перемещение глазного яблока. Снаружи склера (а также внутренняя поверхность век) покрыта тонкой прозрачной пленкой – конъюнктивой. В передней части склера переходит в прозрачную роговую оболочку, или роговицу 1, которая представляет собой с оптиче ской точки зрения собирающую линзу с неизменным фокусным расстояни ем. Роговица соприкасается непосредственно с окружающей средой. От высыхания она защищена только тонкой пленкой слезной жидкости. При различных повреждениях она может терять свою прозрачность, что ведет к слепоте (бельмо).

За роговицей находится передняя камера глаза, заполненная водянистой жидкостью. Под роговой оболочкой находится радужная оболочка 9, по цвету которой судят о цвете глаза. Радужка представляет собой слой сильно пигментированной мышечной ткани. В центре радужки находится круглое отверстие – зрачок. Все излучение, попадающее в глаз, проходит через зра чок. Диаметр отверстия зрачка под действием мышц радужки может меняться от 2-х до 8-ми мм и тем регу лировать количество света, попадающего в глаз. Далее находится хрусталик 10 – двояковыпуклая линза с различной кривизной пе редней и задней поверхно сти. Эта линза может ме нять свою кривизну и, сле довательно, фокусное рас стояние под действием спе циальных мышц цилиарно го тела 7. Оптическая сила Рис. 5.1. Строение глаза человека хрусталика меняется в пре делах 19–33 диоптрий. При приближении предмета мышцы сжимают хрусталик, оптическая сила уве личивается, фокусное расстояние уменьшается, и наоборот. В результате на экране – сетчатке 3 – получается резкое изображение в широком диапазоне расстояний от глаза до предмета. Этот процесс называется аккомодацией.

Повреждение хрусталика, нарушение его прозрачности приводит к тяже лому заболеванию зрения – катаракте. Пространство позади хрусталика на зывается задней камерой глаза 2. Она заполнена стекловидным телом, представляющим собой прозрачную студенистую массу.

Далее идет самая важная часть глаза. К склере с внутренней стороны примыкает сосудистая оболочка 4, а к сосудистой оболочке – сетчатая оболочка 3, или сетчатка, которая соприкасается со стекловидным телом.

Сетчатка практически является частью мозга, состоит из нескольких слоев нервных клеток и соединяется с мозгом через зрительный нерв 6.

Роговица, хрусталик и радужка-диафрагма составляют оптическую систему глаза. Первые – собирающие линзы. Причем большая часть преломляющей силы глаза создается постоянной линзой – роговицей, а хрусталиком – лишь небольшая добавка ( 30 %). Хрусталик – очень сложная линза. Кроме кривизны, у него также изменяется показатель преломления от периферии к центру.

Границы аккомодации глаза определяются ближней и дальней точками ясного видения. Ближняя точка ясного видения lб характеризуется наи меньшим расстоянием от глаза наблюдателя до предмета, отчетливо разли чаемого при максимальной аккомодации. Дальняя точка ясного видения lд характеризуется расстоянием до наблюдаемого предмета, отчетливо види мого при полном покое аккомодационной мышцы. Расстояние между эти ми точками – мера пространства, в пределах которого наблюдатель благо даря аккомодации может отчетливо видеть все предметы:

A.

lб lд Для нормального глаза lб 0,25 – 0,3 м;

lд =. У близорукого глаза lб 0,25 м;

lд. У дальнозоркого lб 0,3 м;

lд =. Таковы самые распро страненные, но не единственные дефекты человеческого глаза. Ему, в част ности, как любой оптической системе, присущи такие же недостатки: сфе рическая, хроматическая и некоторые другие аберрации.

5.2. Строение сетчатки. Механизм зрительного ощущения Для понимания механизма свето- и цветовосприятия необходимо хоро шо знать строение сетчатой оболочки, или сетчатки. Зрительными рецеп торами являются светочувствительные клетки, расположенные именно там.

Сетчатая оболочка состоит из переплетения волокон зрительного нерва, за канчивающихся светочувствительными клетками 2-х типов: палочками и колбочками. Толщина сетчатки 0,4 мм, причем ее можно разделить на основных слоя:

1) «мозговой» слой, обращенный к стекловидному телу;

2) светочувствительный слой, прилегающий к сосудистой оболочке.

«Мозговой» слой прозрачен (рис. 5.2). Он состоит из слоев нервных во локон 3–5, зернистых слоев 6–7, ганглиозных клеток 8, вновь слоя нервных волокон 9 и, наконец, внутренней ограничивающей оболочки 10, на ко торую как на экран падает поток из лучения. Светочувствительный слой 2 содержит слой пигментных клеток и слой, содержащий основные эле менты зрительного восприятия – клетки двух типов: колбочки и па лочки.

Пигментный эпителий содержит темный пигмент фусцин, переме щающийся по направлению свето чувствительных клеток по мере уве личения освещенности сетчатки.

Фусцин, заполняя пространство ме жду колбочками и палочками, по глощает часть потока, падающего на сетчатку, и защищает тем самым све точувствительные клетки от чрез мерного возбуждения при больших освещенностях.

Рис. 5.2. Строение сетчатки Светочувствительные клетки, па лочки и колбочки по-разному устроены и имеют разные размеры. Длина палочек около 0,06 мм, колбочек – около 0,035 мм. Диаметр палочек со ставляет около 2 мкм, колбочек – около 6 мкм. Число колбочек и пало чек очень велико (около 7 млн. колбочек и более 100 млн. палочек). Свето чувствительные клетки соединены с корой головного мозга нервными во локнами слоя 1 (на рис. 5.2 отсутствует). Зрительный нерв включает в себя около 1 млн. отдельных волокон. Место входа зрительного нерва в сетча тую оболочку лишено чувствительных клеток, вследствие чего это место сетчатки «не видит». Это место носит название «слепого пятна».

Колбочки и палочки распределены по сетчатке неравномерно. На рис.

5.3 видно распределение колбочек и палочек по дну глаза. По оси абсцисс отложено угловое расстояние соответственного места сетчатки от «цен тральной ямки», по оси ординат – число колбочек К или палочек П на один квадратный миллиметр. Кривые прерываются «слепым пятном». Из рисун ка видно, что в середине сетчатки преобладают колбочки, к периферии идет преобладание палочек. В центре сетчатки находится так называемое желтое пятно овальной формы (наибольшая длина – 2 мм, наименьшая – 0,8 мм). В центре этого пятна преобладают колбочки, палочки совершенно исчезают в «центральной ямке» (на оси 12, несколько смещенной от глав ной оптической оси глаза 11 – см. рис. 5.1);

это место наиболее отчетливо го, резкого зрения.

П П Число колбочек или палочек на 1 кв. мм КП 1, 2104 К К 60 40 20 0 20 40 60 80 Рис. 5.3. Распределение палочек П и колбочек К по сетчатке Волокна зрительного нерва в сетчатой оболочке разделяются на 3 по следовательно связанных нейрона, которые соединяют «синапсы», обеспе чивающие одностороннюю проводимость сигналов от светочувствитель ных клеток к коре головного мозга. Палочки соединены с нервными волок нами целыми «кустами», в которые входят 15–400 палочек. Колбочки со единены по одной или несколько на одно волокно, иногда вместе с палоч ками. В центральной ямке каждая колбочка соединена с одним нервным волокном.

В колбочках и палочках находятся светочувствительные вещества. В палочках таким веществом является родопсин. В результате поглощения фотонов видимого излучения молекула родопсина распадается на ионы (заряженные частицы). Вследствие этого формируются электрические им пульсы, которые протекают по нервным волокнам и передаются коре го ловного мозга. Электрические импульсы различного значения (амплитуды) и частоты, возбуждаемые падающим на глаз светом, и вызывают воспри ятие света в коре головного мозга. Распавшиеся молекулы могут регенери ровать, восстанавливаться при содействии клеток пигментного эпителия.

В колбочках находится другое светочувствительное вещество – иодоп син. Механизм его действия тот же. Но они различаются чувствительно стью к фотонам света: более чувствителен родопсин, несколько менее – иодопсин. Обладают они также разной степенью и скоростью регенерации:

большая скорость восстановления у иодопсина. Таким образом, палочки обладают повышенной чувствительностью, а колбочки – большей скоро стью восстановления своих светочувствительных свойств. Благодаря этому наш глаз характеризуется чрезвычайно широким диапазоном восприятия световой энергии от самого малого до весьма большого.

5.3. Дневное и ночное зрение. Эффекты световосприятия При малых уровнях освещенности сетчатки (малой яркости объектов и фона) ответственными за наше зрение являются палочки. При малых уров нях яркости (В 0,01 кд/м2) концентрация молекул родопсина в палочках максимальна. Чувствительность глаза тоже максимальна и соответствует способности увидеть свечу на расстоянии 4–5 км (в пределе – 8–10 км) при достаточной прозрачности атмосферы. При этом особенно важно, что па лочки соединены к нервному волокну группами, и поэтому формируемый электрический импульс достаточен для возникновения зрительного ощу щения. Колбочки при этом в формировании зрительного ощущения не уча ствуют. Мы имеем палочковое, так называемое ночное зрение.

Увеличение яркости 0,1 кд/м2, особенно 10 кд/м2, приводит к резко му снижению концентрации молекул родопсина. Палочки «выцветают».

Процесс регенерации родопсина не успевает за процессом распада. В па лочках практически не формируются электрические импульсы. Зато в кол бочках образуются уже достаточные для зрительного ощущения заряды, а скорость восстановления иодопсина значительно выше, т.е. в колбочках все время имеются молекулы светочувствительного вещества, достаточные для зрительного ощущения. Мы имеем в этом случае колбочковое, так назы ваемое дневное зрение.

Таким образом, наш зрительный аппарат способен действовать как в условиях малых, так и больших, а также промежуточных яркостей. При малых яркостях (В 0,01 кд/м2) работают в основном палочки;

при боль ших (В 10 кд/м2) – колбочки, в промежуточной области работают одно временно палочки и колбочки. Различия в механизмах ночного (сумеречно го) и дневного зрения проявляются в ряде интересных эффектов.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.