Techniki świetlne. Wykład 5. Reakcja światła z materią

Transkrypt

1 Techniki świetlne Wykład 5 Reakcja światła z materią Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej Miejsce konsultacji: pokój 18/11 bud. A-1

2 Światło a materia Światło, jako fala elektromagnetyczna, jest samoistnie niewidoczne Obserwator nie dostrzega propagacji fali elektromagnetycznej, ale efekt tej propagacji np. w postaci plamki świetlnej na oświetlonym obiekcie. OMG! Fizyka to jeszcze, czy już filozofia? No tak, w zasadzie wektor natężenia pola elektrycznego czy magnetycznego to abstrakcja Jak zwał, tak zwał faktem jest, że WIDZIMY obiekty które albo wysyłają światło, albo stojąc na drodze fali elektromagnetycznej, jakoś z nią reagują i TO oddziaływanie widzimy! W wyniku napromieniowania światłem pewnych obiektów materialnych staną się one widoczne (= same promieniują?!) a dostrzeganie ich będzie miało cechy fotometryczne (jaskrawość), kolorymetryczne (wrażenie barwy) i geometryczne (kształt = rozkład wielkości fotometrycznych).

3 Światło a materia Światło, padające na powierzchnię ciała materialnego, wywołuje w zetknięciu z nim trzy różne możliwe reakcje: 1) Odbicie; 2) Pochłanianie (absorpcja); 3) Przepuszczanie. Odbicie to zwrot promieniowania przez powierzchnię bez zmiany częstotliwości jego składowych promieniowań monochromatycznych. Pochłanianie (absorpcja) to przemiana energii promienistej w inną formę energii w wyniku wzajemnego oddziaływania z materią. Przepuszczanie to przechodzenie promieniowania poprzez ośrodek bez zmiany częstotliwości jego składowych promieniowań monochromatycznych.

4 Światło a materia W wyniku zarówno odbicia, jak i przepuszczania, może zachodzić rozpraszanie światła zmiana w rozkładzie przestrzennym wiązki promieniowania, odchylanej w wielu kierunkach przez powierzchnię (odbicie) czy ośrodek (przepuszczanie) bez zmiany częstotliwości jego składowych promieniowań monochromatycznych. W wyniku samego przepuszczania z kolei może zachodzić załamanie (czyli refrakcja) światła zmiana kierunku rozchodzenia się promieniowania na skutek zmiany prędkości rozchodzenia się w ośrodku niejednorodnym optycznie albo przejściu przez powierzchnię rozgraniczającą dwa różne (optycznie) ośrodki.

5 Światło a materia Współczynniki charakteryzujące odbicie, pochłanianie i przepuszczanie opisują ilościowo właściwości fotometryczne materii. Właściwości fotometryczne materii zależą od: - Widmowego składu padającego promieniowania; - Sposobu uformowania padającej wiązki promieniowania z uwzględnieniem kąta padania; - Polaryzacji promieniowania; - Temperatury ciała materialnego; - Grubości tego ciała; - Jego stanu powierzchni. Właściwości fotometryczne materii są wykorzystywane w technice świetlnej w celu odpowiedniego formowania brył fotometrycznych źródeł światła i opraw oświetleniowych, ale też w celu nadawania powierzchniom wnętrza (ściany, sufity, lustra) charakteru wtórnych źródeł światła (w wyniku wielokrotnych odbić).

6 Światło a materia Współczynniki charakteryzujące odbicie, pochłanianie i przepuszczanie opisują ilościowo właściwości fotometryczne materii. Współczynnik odbicia to stosunek strumienia świetlnego odbitego do strumienia świetlnego padającego : Współczynnik przepuszczania to stosunek strumienia świetlnego przepuszczonego do strumienia świetlnego padającego : Współczynnik pochłaniania (absorpcji) to stosunek strumienia świetlnego pochłoniętego do strumienia świetlnego padającego :

7 Światło a materia Jeżeli ciało nie ma właściwości fluoryzujących i fosforyzujących*: 1 *Hmm, czym się różni fluorescencja od fluoryzacji? Czemu wtedy powyższe różności nie mają zastosowania? Strumienia wychodzącego może być więcej, niż padającego? A co z zasadą zachowania energii?

8 Światło a materia Ponieważ światło jest mieszaniną promieniowań monochromatycznych wszystkie podane współczynniki są funkcjami długości fali są to widmowe (spektralne) współczynniki odbicia, przepuszczania, pochłaniania: 1 Wartości tych współczynników nie zależą od składu widmowego promieniowania, ale są cechą charakteryzującą dane ciało materialne. Całkowite współczynniki odbicia, przepuszczania bądź pochłaniania można określić dzięki współczynnikom widmowym: d d

9 Światło a materia Materiał (odbicie) (przepuszczanie) (pochłanianie) Szkło przezroczyste 2-4 mm Szkło mleczne 1-3 mm Szkło opalizowane 1-3 mm Tkanina lniana biała Tkanina bawełniana biała Tkanina jedwabna Metale: mosiądz polerowany Metale: stal polerowana Metale: chrom polerowany Farba klejowa biała Farba klejowa brązowa Farba klejowa szara Wyprawa gipsowa Beton Cegła czerwona nowa Cegła czerwona stara Drewno surowe jasne Marmur biały Papier biały drukowy Papier kreślarski

10 Światło a materia Przebieg widmowego współczynnika odbicia wybranych materiałów, stosowanych na odbłyśniki opraw oświetleniowych:

11 Światło a materia Widmowe właściwości odbiciowe też są kształtowane w technice świetlnej! PROBLEM I: żarówki halogenowe Szkło kwarcowe, stosowane na bańki, przepuszczają zarówno promieniowanie widzialne, jak i nadfioletowe trzeba było wymyślić sposób na blokowanie promieniowania UV przez ukształtowanie charakterystyki widmowego współczynnika przepuszczania szkła bańki. PROBLEM II: efekty termiczne koncentrowania wiązki świetlnej w reflektorach Reflektor zwierciadlany (np. aluminiowy) tak samo odbija i koncentruje wiązkę światła widzialnego jak i promieniowania podczerwonego (IR, ponad 780nm), czyli ciepło.

12 Światło a materia PROBLEM II: efekty termiczne koncentrowania wiązki świetlnej w reflektorach cd. Reflektor zwierciadlany (np. aluminiowy) tak samo odbija i koncentruje wiązkę światła widzialnego jak i promieniowania podczerwonego (IR, ponad 780nm), czyli ciepło. Czasami ta koncentracja ciepła jest wykorzystywana: ogrzewanie dystansowe, terapia termiczna. Czasami jest to mocno szkodliwe: reflektory oświetlające obrazy w galerii, lampy na sali operacyjnej czy w gabinecie stomatologicznym. Pomysł na odbłyśniki dichroiczne: odbłyśniki szklane, których wewnętrzna powierzchnia pokryta jest mikroskopijnymi kropkami aluminiowymi o tak dobranej grubości i rozłożeniu, że powłoka ta przepuszcza promieniowanie termiczne a odbija promieniowanie widzialne.

13 Światło a materia PROBLEM II: efekty termiczne koncentrowania wiązki świetlnej w reflektorach cd. Reflektor zwierciadlany (np. aluminiowy) tak samo odbija i koncentruje wiązkę światła widzialnego jak i promieniowania podczerwonego (IR, ponad 780nm), czyli ciepło.

14 Odbicie strumienia świetlnego Ze względu na charakterystyczne cechy geometryczne i fotometryczne można wyróżnić 4 różne charaktery odbicia światła: 1. Odbicie zwierciadlane (kierunkowe); 2. Odbicie równomiernie rozproszone (zgodnie z prawem Lamberta); 3. Odbicie kierunkowo-rozproszone; 4. Odbicie współdrożne.

15 Odbicie zwierciadlane Zjawisko odbicia zwierciadlanego (kierunkowego) ma miejsce wówczas, gdy: a) światło pada na powierzchnię nieprzezroczystą o bardzo dużej gładkości (mikrostrukturalnej) b) światło pada na powierzchnię graniczną, dzielącą dwa ośrodki przezroczyste. Pierwszy przypadek to oczywiście tzw. zwierciadła. Drugi wiąże się z częściowym przepuszczaniem strumienia świetlnego, więc będzie omówiony przy okazji przepuszczania Odbicie zwierciadlane ma pewne cechy charakterystyczne, które opisują zarówno zmiany geometryczne (znane?!) jak i fotometryczne.

16 Odbicie zwierciadlane Odbicie zwierciadlane polega na zmianie kierunku rozchodzenia się światła wynikające ze zjawiska odbicia fal elektromagnetycznych. Prawo odbicia zwierciadlanego dla dowolnego kształtu powierzchni można zapisać w postaci wektorowej: V 2 V 1 2( nˆ V1 ) nˆ gdzie n(n x, n y, n z ) to wektor normalny do powierzchni w punkcie odbicia.

17 Odbicie zwierciadlane Odbicie wiązki świetlnej od powierzchni zwierciadlanej może skutkować zmianą rozwartości tej wiązki.

18 Odbicie zwierciadlane Zmiana parametrów fotometrycznych charakteryzujących wiązkę odbitą od zwierciadła: Jeżeli powierzchnia zwierciadlana a dokładniej: małe otoczenie jednego jej punktu zostanie oświetlona wiązką świetlną, scharakteryzowaną parametrami fotometrycznymi: strumieniem świetlnym, światłością I oraz luminancją L, to w wyniku odbicia zwierciadlanego od tego punktu wiązka odbita, niezmieniona pod względem geometrycznym, charakteryzować się będzie odpowiednimi parametrami pomniejszonymi w skali współczynnika odbicia: I L I 1 2 L 1 Ale wymiar kątowy wiązki odbitej się zmienia Tym niemniej, można mówić wciąż o proporcji strumienia świetlnego i w jakimś sensie o proporcji luminancji.

19 Odbicie zwierciadlane Połyskiwanie materiałów gładkich, takich jak szkło, woda, metale, plastiki, to tak naprawdę obserwacja przez oko odbić przedmiotów o dużej luminancji, znajdujących się w otoczeniu powierzchni lustrzanych. Na powierzchni zwierciadlanej tworzy się obraz całej półprzestrzeni otaczającej zwierciadło, ale najłatwiej dostrzega się obrazy źródeł światła o dużej luminancji. Tę część powierzchni lustra, na której utworzony jest obraz pozorny źródła światła, nazywa się w literaturze figurą jasnych punktów (FJP).

20 Odbicie zwierciadlane W przypadku zwierciadła płaskiego, obraz pozorny źródła światła ma oczywiście wymiary identyczne jak rzeczywiste źródło. Na powierzchni wypukłej obraz pozorny źródła jest mniejszy. Te wszystkie błyski powierzchni metalicznych i nie tylko to po prostu obrazy (bardzo pomniejszone, więc geometrycznie nieobserwowalne ) źródeł o dużej luminancji włącznie z błyskiem w oku, który najczęściej jest odbiciem światła słonecznego W przypadku powierzchni wklęsłej powstaje na niej powiększony wielokrotnie obraz źródła światła (ale pod warunkiem, że je się odpowiednio względem tej powierzchni umieści!). Na tej zasadzie skonstruowane są reflektory: obraz małego żarnika źródła zajmuje całą powierzchnię zwierciadła, co skutkuje wzmocnieniem światłości źródła.

21 Odbicie zwierciadlane Pozornym obrazem źródła światła na powierzchni odbijającej kierunkowo jest figura o bardzo dużej luminancji (stąd ta nazwa figura jasnych punktów ) i kształcie, który jest bardzo wrażliwy na zmianę kierunku obserwacji. Wielkość, kształt i położenie FJP zależy od: - kształtu przestrzennego i wielkości powierzchni zwierciadła; - kształtu, wielkości i położenia bryły świecącej w stosunku do powierzchni odbijającej; - kierunku, dla którego FJP jest określane. Z powodu dużej wrażliwości na zmiany parametrów układu optycznego FJP może być używana jako jego jednoznaczna identyfikacja można kontrolować dokładność wykonania układu optycznego zwierciadło-źródło przez porównanie rzeczywistego obrazu FJP z teoretycznym kształtem, obliczonym dla modelu matematycznego (teraz: numerycznie).

22 Odbicie równomierne rozproszone Inaczej: lambertowskie. CZEMU? W wyniku odbicia równomiernie rozproszonego wiązka promieni oświetlających przekształca się geometrycznie tak, że po odbiciu rozprasza się w całą półprzestrzeń dostępną z punktu odbicia. Właściwość ta jest niezależna od kierunku padania wiązki oświetlającej! O własnościach odbicia równomiernie rozproszonego (dyfuzyjnego) decyduje stopień chropowatości powierzchni oceniany w skali mikro. Decydujące znaczenie ma proporcja długości fali świetlnej do wymiaru pojedynczych zniekształceń powierzchni.

23 Odbicie równomierne rozproszone Najważniejszą cechą odbicia lambertowskiego jest stała luminancja powierzchni L()=const wynika to z faktu, że światłość wiązki odbitej oraz pole powierzchni pozornej ciała odbijającego zmieniają się tak samo: I IMAX cos Charakter odbicia strumienia świetlnego w tym przypadku powoduje poza tym, że luminancję elementu powierzchni odbijającej można powiązać z natężeniem oświetlenia na niej (mierzoną!) prostą proporcją: L E

24 Zależność: Odbicie równomierne rozproszone L E może być pomocna w wyznaczaniu wartości współczynnika odbicia. Wystarczy zmierzyć luminancję (i to teoretycznie z dowolnego kierunku!) i natężenie oświetlenia w tym samym miejscu powierzchni. Jeżeli jeszcze z równań definicyjnych określimy związek natężenia oświetlenia, pochodzące od nieskończenie wielkiej płaszczyzny jako: to współczynnik odbicia będzie można zmierzyć jako: E / E E L W ten sposób można np. zmierzyć współczynnik odbicia materiału, którego nie można przenieść do laboratorium, np. starego muru zamku, który chcemy oświetlić.

25 Odbicie kierunkowo-rozproszone Dwa poprzednie przypadki opisywały pewna idealizację stanu faktycznego w rzeczywistości, odbicie posiada obie cechy: kierunkową i równomiernie rozproszoną w różnych proporcjach. Rozpoznawalną wizualnie cechą odbicia kierunkowo-rozproszonego jest pewien stopień połyskliwości próbki materiału, zależny od kąta obserwacji. Rozpoznawalną cechą fotometryczną odbicia kierunkowo-rozproszonego jest kształt brył fotometrycznej (przestrzennego rozsyłu światłości).

26 Odbicie kierunkowo-rozproszone Niezależnie od tego, który rodzaj odbicia ma przewagę, wykres rozsyłu strumienia świetlnego jest zwykle na tyle skomplikowaną krzywą, że nie spotyka się prób jej opisu analitycznego, które przydałyby się w obliczeniach fotometrycznych Nawet całkowity współczynnik odbicia może się dla takiego odbicia zmieniać! Tym niemniej, stosuje się metody wykorzystujące superpozycję odbicia kierunkowego i rozproszonego głównie dla celów oszacowań.

27 Odbicie kierunkowo-rozproszone Wykres światłości wiązki odbitej od próbki kierunkowo-rozpraszającej nie jest podstawowym zapisem graficznym właściwości fotometrycznych materiałów. Znacznie częściej używa się wykresu luminancji próbki w funkcji kąta obserwacji jest to tzw. wykres wskaźnikowy rozpraszania. Graficznie, w postaci względnej, pokazuje on, jak zmienia się luminancja próbki. DEFINICJA: Wskaźnikowa rozpraszania (krzywa luminancji względnej) jest to zależność luminancji powierzchni odbijającej od kąta obserwacji, odniesiona do luminancji maksymalnej, w funkcji kąta obserwacji próbki, dla określonego kąta jej oświetlenia.

28 Odbicie kierunkowo-rozproszone Wskaźnikowa rozpraszania podawana jest zawsze w postaci graficznej, ponieważ nie ma praktycznej możliwości jej zapisu za pomocą wzoru analitycznego. Wykresy tej krzywej podaje się zarówno we współrzędnych biegunowych jak i kartezjańskich a obliczenia luminancji bezwzględnej w danym kierunku przeprowadza się w sposób graficzny bądź numeryczny.

29 Odbicie współdrożne Odbicie współdrożne (powrotne) to taki charakter odbicia strumienia świetlnego, w wyniku którego równoległa wiązka światła oświetlającego próbkę jest zawracana w kierunku, z którego nastąpiło oświetlanie, w znacznym zakresie kątów oświetlenia tej próbki. Jest to specyficzna odmiana odbicia kierunkowego, która wynika zarówno z gładkiej mikrostruktury próbki, jak i z jej ukształtowania w skali pośredniej pomiędzy mikro a makro. PRZYKŁADY: - odbicie od kropelek deszczu na płaskiej powierzchni (każda z kropelek daje malutki obraz źródła światła, niezależnie od kierunku obserwacji (przynajmniej w pewnym kącie ); - światła odblaskowe samochodów (specjalnie tak zrobione!).

30 Odbicie współdrożne W efekcie odbicia współdrożnego obserwuje się tak intensywne odbicie, że powstaje wrażenie samoświecenia oświetlanej powierzchni. Zjawisko powstawania odbicia powrotnego opiera się na takiej konfiguracji geometrycznej powierzchni odbijającej, która umożliwia dwukrotne odbicie każdego promienia świetlnego padającego i to w taki sposób, aby promień opuszczający powierzchnię miał kierunek zbliżony do kierunku promienia oświetlającego.

31 Odbicie współdrożne Ilościowo odbicie współdrożne jest charakteryzowane przez następujące parametry, wyrażające skuteczność zamiany światła oświetlającego na światło odbite w kierunkach obserwacji, dla określonego zakresu kątów oświetlenia: - Współczynnik odblasku R (motoryzacja: CIL) - Gęstość powierzchniowa współczynnika odblasku R - Współczynnik luminacji powrotnej R L. R E I R' R A RL E L I światłość powierzchni odblaskowej w kierunku obserwacji; E natężenie oświetlenia na powierzchni odblaskowej w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku oświetlenia L luminancja powierzchni odblaskowej w kierunku obserwacji; A pole powierzchni odbijającej.

32 Kolorymetryczne cechy odbicia strumienia świetlnego Odbicie zwierciadlane jest zawsze nieselektywne rozkład widmowy światła odbitego ma jest taki sam jak światła padającego. Odbicie dyfuzyjne (rozproszeniowe) może być widmowo selektywne bądź nieselektywne tak naprawdę, widzenie barwnych przedmiotów jest właśnie skutkiem odbicia dyfuzyjnego, a próbka materiału nabiera barwy, która wynika zarówno z rozkładu widmowego światła oświetlającego, jak i rozkładu widmowego współczynnika odbicia. Odbicie kierunkowo-rozproszone jest równocześnie selektywne i aselektywne w kierunkach, w których dominują cechy odbicia zwierciadlanego, jest ono aselektywne, w pozostałych wykazuje cechy oświetlenia dyfuzyjnego, czyli selektywne.

33 Kolorymetryczne cechy odbicia strumienia świetlnego Odbicie dyfuzyjne (rozproszeniowe) może być widmowo selektywne bądź nieselektywne tak naprawdę, widzenie barwnych przedmiotów jest właśnie skutkiem odbicia dyfuzyjnego, a próbka materiału nabiera barwy, która wynika zarówno z rozkładu widmowego światła oświetlającego, jak i rozkładu widmowego współczynnika odbicia.

34 Przepuszczanie i pochłanianie strumienia świetlnego Ze względu na przepuszczanie światła, oświetlone materiały dzielimy na: 1) Materiały nieprzeświecalne nie przepuszczają strumienia świetlnego. I już. Ale może się zdarzyć, że (jeśli np. próbka jest zbyt cienka a ilość światła zbyt duża) coś tam przejdzie 2) Materiały przeświecalne przepuszczają strumień świetlny głównie w sposób rozproszony (np. matowe szkło). Oznacza to rozmazanie obrazu kształtu przedmiotu (źródła światła) oglądanego przez płytkę z takiego materiału. 3) Materiały przezroczyste przepuszczają strumień świetlny w sposób kierunkowy. Widok obiektów przez płytkę z takiego materiału nie zmienia ich obrazu, w sensie ostrości, kształtu, ale może ulec zmianie skład widmowy promieniowania (filtry transparentne).

35 Przepuszczanie i pochłanianie strumienia świetlnego Przepuszczanie kierunkowe zmienia cechy wiązki świetlnej: - zmieniać się mogą parametry fotometryczne wiązki; - dochodzi do załamania światła i częściowego odbicia na powierzchni granicznej; - część strumienia świetlnego ulega pochłonięciu; - może zmienić się barwa wiązki; - wiązka może ulec rozszczepieniu. 1) Załamanie światła znakomicie znane

36 Przepuszczanie i pochłanianie strumienia świetlnego Przepuszczanie kierunkowe: częściowe odbicie światła na powierzchni granicznej. no i całkowite wewnętrzne odbicie!

37 Przepuszczanie i pochłanianie strumienia świetlnego Przepuszczanie kierunkowe: częściowe pochłonięcie strumienia świetlnego. Pochłanialność właściwa jest to stosunek jednostkowego ubytku strumienia świetlnego do jednostkowej drogi przebytej w ośrodku. a a d dx Można pokazać, że: ax e x l 0 l x albo: 0

38 Przepuszczanie i pochłanianie strumienia świetlnego Przepuszczanie równomiernie rozproszone: I IMAX cos L E

39 Przepuszczanie i pochłanianie strumienia świetlnego Przepuszczanie kierunkowo-rozproszone: Parametry charakteryzujące przepuszczanie kierunkowo-rozproszone: - Krzywa światłości światła przepuszczonego (rys. lewy powyżej); - Wskaźnik rozpraszania; - Stopień rozpraszania γ; I40 - Kąt połówkowy luminancji (rys. prawy). I0