Как подчинить себе свет

Здравствуйте!

В прошлых уроках мы разобрались, как образуется свет в разных источниках. Сегодня перейдем на следующий уровень и посмотрим, как управлять светом.

Свет от источника распространяется во все стороны. Чтобы научиться управлять им, нужно знать, что с ним происходит, когда он попадает на ту или иную поверхность.

Свет распространяется во все стороны, нужно уметь им управлять

Светодизайнеры и архитекторы, которые не знают, как ведет себя свет при попадании на разные поверхности, часто ошибаются при выборе светильников и мест их расположения. Например, ставят там, откуда излучаемый свет портит обстановку или слепит глаза. Изучив этот урок, вы убережете себя от подобных ошибок.

Когда свет попадает на какую-либо поверхность, происходит следующее:

• одни лучи отражаются от поверхности;
  
• вторые проходят сквозь нее и преломляются;
  
• третьи проходят сквозь поверхность без изменений;
  
• четвертые поглощаются;
  
• пятые отражаются и врезаются в другие отраженные лучи (интерференция света).
  

У всех этих явлений есть соответствующие названия: отражение, преломление, пропускание, поглощение и интерференция света. Рассмотрим каждое явление подробно.

Отражение света происходит, когда световые лучи отражаются от поверхности, на которую упали. Какие и сколько лучей отразятся, зависит от спектрального состава и угла падения света, а также от самой поверхности. Например, от черного бархата отражается мало лучей, а от алюминия, серебра и некоторых видов белой краски — почти 90% лучей.

Отражение света бывает четырех видов: зеркальное, диффузное, смешанное и полное внутреннее.

Зеркальное отражение происходит, когда свет падает на гладкую поверхность: стоячую воду, полированное стекло или зеркало. В этом случае угол падения равен углу отражения.

У зеркала гладкая поверхность, поэтому оно отражает все лучи в одном направлении. Однако отраженный свет можно увидеть только под определенным углом наблюдения.

Угол отражения равен углу падения. Углы измеряют от перпендикуляра к поверхности. Перпендикуляр ведут от точки, куда упал луч.

Производители светильников используют зеркальное отражение, чтобы задавать точное направления света. Они оснащают светильники отражателями сферической, эллиптической или параболической формы, чтобы собирать пучок света от источника и направлять его в нужную сторону. Форма отражателя влияет на то, какими будут отраженные лучи: расходящимися, параллельными или сходящимися.

Направление отраженных лучей в зависимости от формы отражателя

Диффузное отражение происходит, когда свет падает на шероховатую поверхность. В этом случае лучи света после отражения расходятся в разные стороны.

На поверхность падает несколько параллельных лучей. Так как поверхность шероховатая, они отражаются в разные стороны.

Когда на лист бумаги падает несколько параллельных лучей света, они отражаются в разные стороны, потому что поверхность бумаги — шероховатая и рассеивает свет. Благодаря этому отраженные лучи можно заметить под разными углами наблюдения.

Смешанное отражение происходит, когда часть лучей света отражается от поверхности зеркально, а часть — диффузно. Бывает несколько форм. Расскажем о самых распространенных: расходящемся и составном.

Расходящееся отражение. По сути это зеркальное отражение, однако лучи при отражении расходятся. Так свет отражают влажное дорожное покрытие, гофрированные, рельефные, гравированные и матовые поверхности.

Составное отражение — это диффузное отражение с явно выраженным зеркальным отражением. Так отражают свет камни, сухое дорожное покрытие и поверхности, окрашенные матовой краской.

Полное внутреннее отражение происходит, когда от поверхности отражаются все лучи. Чтобы произошло полное внутреннее отражение, должны совпасть два условия:

• свет переходит из более плотной среды в менее плотную — например, из воды в воздух;
  
• угол падения света больше предельного угла полного отражения.
  

Предельный угол полного отражения — это угол падения, при котором свет не переходит в другую среду, а скользит по границе двух сред. Значение этого угла зависит от среды, из которой идет свет. Например, для воды этот угол равен 49°.

Слева на картинке угол падения света равен предельному углу полного отражения. Поэтому его лучи не выходят за пределы воды, а скользят по границе воды с воздухом. Справа — угол падения больше предельного угла полного отражения, поэтому свет отражается полностью.

Полное внутреннее отражение можно увидеть, если смотреть из-под воды на поверхность под определенным углом: перед вашими глазами предстает не небо, а отражение того, что находится в воде. Например, отражение рыбки:

Эффект полного внутреннего отражения применяется в оптоволокнах. Их сердцевина сделана из стекла, а предельный угол полного отражения стекла и воздуха равен 42°.

У оптоволокна нет прямых углов, свет не проходит через стенки, а полностью отражается от них и двигается к концу кабеля. Таким образом свет передается на большие расстояния, при этом по пути поглощается лишь малая его часть.

Внимательно изучайте поверхности с точки зрения их отражательных способностей. Взять к примеру ткани: при одном и том же освещении каждый тип смотрится по разному, потому что у каждого своя отражательная особенность. Так же происходит со всеми предметами.

Частая ошибка при разработке освещения — не учесть того, что отраженный свет может слепить глаза. Если это бутик, где используется много зеркальных поверхностей и глянцевых витрин, то там следует ставить светильник так, чтобы отраженный свет был ниже или выше уровня глаз. В других случаях можно подобрать материалы и предметы, которые слабо отражают свет.

Кроме этого, используя высокую отражательную способность гладких поверхностей, можно перенаправлять часть света в нужное место. То есть создавать достаточный уровень освещенности без установки дополнительных светильников.

Свет идет не туда — отрази

Преломление света происходит, когда световые лучи меняют свое направление при переходе из одной среды в другую.

Кажется, что та часть карандаша, которая в воде, надломилась. Так происходит из-за того, что свет преломился.

Из-за преломления света случаются удивительные вещи. Для примера возьмем аквариум с рыбкой. Если посмотреть на него под определенным углом, можно заметить, что рыбку видно в двух местах, хотя она одна. Так происходит потому, что свет, отраженный от рыбки, преломляется при выходе из аквариума на воздух и попадает в наши глаза двумя путями:

Свет преломляется из-за того, что меняется скорость его движения. При переходе из плотной среды в менее плотную скорость увеличивается, и наоборот. Чтобы представить, как ведут себя лучи света при переходе из одной среды в другую, достаточно посмотреть на газонокосилку:

Степень преломления светового луча, зависит от угла падения и скорости света. Чем плотнее среда, тем ниже скорость, потому что больше помех на пути. Представьте человека, идущего по пустой дороге, и человека, пробирающегося сквозь густой лес. Первый движется быстрее, потому что перед ним нет препятствий.

Тут все то же самое, что и с отражением: внимательно изучайте преломляющие способности поверхностей. Например, в бутике с помощью стеклянной витрины можно добиться улучшения или ухудшения вида в зависимости от преломляющих свойств стекла, из которого она сделана.

Свет идет не туда — преломи

Если свет падает на прозрачную поверхность, то часть его лучей пройдет сквозь нее. Это называется пропускание. На этом явлении построена работа абсорбционных светофильтров.

Некоторые вещества и предметы пропускают почти весь свет. Например, чистая вода и стекло. А другие — лишь малую часть. Например, бумага.

Отношение количества света, прошедшего через поверхность, и количества света, упавшего на эту поверхность, называется коэффициентом пропускания.

Коэффициент пропускания зависит от свойств поверхности, спектрального состава и угла падения света. Например, красный прозрачный материал пропускает только красные и оранжевые лучи света, остальные поглощает.

Бывает, что выбранные источники света излучают жесткий и яркий свет. Такое излучение создает резкие тени, отчего в помещении находится некомфортно. В этом случае выход такой: применить рассеиватели. Они поглощают часть света, а тот, что проходит сквозь них, преломляется, становится мягким, рассеянным и похожим на приятный солнечный свет.

Кроме этого, если необходимо, чтобы цвет света время от времени изменялся, можно использовать соответствующие светофильтры. Они будут пропускать лучи определенных цветов, а остальные поглощать.

Всем лучам стоять! Красный, проходи

Если луч упал на предмет, но не отразился и не прошел через него, значит, предмет его поглотил. Это явление называется поглощением света.

Поглощенная часть света преобразуется внутри предмета в тепло, от этого предмет нагревается.

Какие лучи будут поглощены, зависит от угла падения и длины волны лучей. Например, синий предмет поглотит лучи всех цветов, кроме синих.

Снова приведем пример с бутиком. В нем важно, чтобы предметы выглядели под светом естественно. А для этого в составе света должны быть лучи всех цветов. Иначе может случиться, что синий костюм освещается светом, в котором нет синих лучей.

В этом случае костюм поглотит все лучи и ничего не отразит. В результате посетители не смогут разобрать его натуральный цвет. Более подробно этот момент разбирается в 6-м уроке, посвященном цветопередаче.

Кроме этого, если необходимо, чтобы свет был определенного цвета, можно использовать фильтры, которые будут поглощать все цвета, кроме нужных.

— Нужно отразить только синие лучи!
— Хорошо, а что делать с остальными?
— Поглотить.

Благодаря волновой природе свет может производить любопытное явление — интерференцию. Разноцветные полосы и узоры на мыльных пузырях, компакт дисках и масляных пятнах — результат интерференции.

Интерференция происходит, когда один луч света врезается в другой луч с такой же длиной волны. После столкновения происходит одно из двух:

1. Лучи сливаются в один более яркий луч. Это называется конструктивная интерференция. Она случается, когда оба луча находятся в фазе. В этом случае гребень волны одного луча совпадает с гребнем волны второго:

2. Гасят друг друга. Это называется деструктивная интерференция. Она случается, когда лучи находятся в противофазе. В этом случае гребень волны одного луча совпадает с впадиной волны второго:

При деструктивной интерференции лучи исчезают и не достигают наших глаз

Интерференцию можно наблюдать только на поверхностях и предметах, которые по размерам не превышают длины волн видимого света.

Для примера возьмем мыльный пузырь. Он представляет собой пленку определенной толщины, которая с двух сторон окружена воздухом.

А теперь внимательно посмотрим на картинку ниже:

Свет состоит из лучей с разной длиной волны. От длины волны зависит цвет луча. Если у лучей одинаковый цвет, значит, длина волны у них одинакова, и между ними может произойти интерференция. Чтобы было понятнее, как происходит интерференция, мы убрали на этой картинке все лучи света, кроме синего.

Давайте разберемся, что происходит на картинке.

Луч 1 доходит до мыльного пузыря, проходит сквозь внешнюю поверхность пленки, направляется к внутренней, отражается от нее, выходит наружу и врезается в луч 2.

А в это время луч 2 доходит до мыльного пузыря, отражается от внешней поверхности, и тут его догоняет луч 1.

Итог. Если в каком-то месте мыльного пузыря вы видите желтые узоры, значит, в этом месте произошла конструктивная интерференция лучей желтого цвета. Остальные лучи либо прошли сквозь мыльный пузырь, либо с ними произошла деструктивная интерференция.

На заметку

На мыльных пузырях можно заметить и темные места. В этих местах пленка настолько тонкая, что все лучи, отраженные от внешней и внутренней поверхностей пленки, оказываются в противофазе и гасят друг друга. Обычно в этом месте и происходит разрыв, из-за которого лопается мыльный пузырь.

Черные места на мыльном пузыре — самые тонкие. А цветные — результат конструктивной интерференции

В каких областях светотехники используют интерференцию света

Интерференция света применяется в изготовлении антибликовых стекол для мониторов и очков. Для этого на них наносят очень тонкое дихроическое покрытие: свет попадает на такое стекло, отражается и гасится, не успев дойти до наших глаз.

Кроме этого, на интерференции построено действие светофильтров. Дихроичные (или интерференционные) светофильтры действуют лучше абсорбционных. Они не нагреваются, потому что не поглощают свет.

Еще дихроическое покрытие применяют, когда нужно сделать так, чтобы видимый спектр излучения прошел сквозь поверхность, а инфракрасный (тепло) отразился и погасился. Эта технология используется в галогенных лампах с холодным светом и в натриевых лампах низкого давления.

Доверь сложную оптику профессионалам

Итак, теперь вы знаете: чтобы подчинить себе свет и сделать так, чтобы он светил в нужные стороны, светотехники и светодизайнеры применяют разные материалы, которые отражают, преломляют, пропускают, поглощают, усиливают или гасят лучи света.

Принцип работы этих материалов построен на явлениях, которые происходят со светом, когда он попадает на ту или иную поверхность. Вот эти явления: отражение, преломление, пропускание, поглощение и интерференция.

1. Отражение света — это когда поверхность отражает световые лучи, которые на нее попали. Сколько лучей она отразит, что это будут за лучи — зависит от строения и состояния поверхности, от угла падения и спектрального состава света.

2. Преломление — это когда световой луч, пройдя через поверхность, преломляется и меняет свое направление. Так происходит из-за того, что скорость света меняется при переходе из одной среды в другую. При переходе из менее плотной среды в более плотную скорость света падает, и угол преломления получается больше угла падения. И наоборот. Представить это поможет пример с газонокосилкой.

Как сильно преломится свет, зависит от угла падения и показателей преломления той среды, из которой он выходит, и той среды, в которую он входит.

3. Пропускание — это когда световые лучи проходят сквозь поверхность без изменений. Сколько лучей пройдет без изменений, зависит от свойств поверхности, спектрального состава и угла падения света. Например, чем прозрачнее поверхность, тем больше лучей она пропустит. А красная прозрачная поверхность пропустит только красные лучи, остальные поглотит.

4. Поглощение — это когда поверхность, на которую падает свет, поглощает световые лучи. В этом случае они проникают внутрь поверхности, там световая энергия превращается в тепловую. От этого поверхность нагревается. Какие лучи будут поглощены, зависит от угла падения и длины волны лучей. Например, зеленая поверхность поглотит все лучи, кроме зеленых.

5. Интерференция — это когда один отраженный луч врезается в другой отраженный луч с такой же длиной волны. В результате два луча сливаются в один более яркий луч, либо гасят друг друга.

6. Интерференция случается на очень маленьких объектах. Размеры таких объектов не превышают длину волн света. Например, на мыльных пузырях в виде разноцветных узоров.

7. На интерференции построены принципы работы дихроичных светофильтров и антибликовых стекол.

На сегодня все. В следующем уроке разберем световые величины и единицы измерения. Это поможет вам по характеристикам светильников определять, годятся ли они для вашего проекта. А если будете заказывать особые светильники под свой проект, то сможете понятно объяснить светотехникам, какими свойствами они должны обладать.

Всегда ваша,
команда Азбуки Света

Отписаться от бесплатного курса по основам света можно здесь