klasyfikacja odbicia światła od materiałów stosowanych na odbłyśniki

KLASYFIKACJA ODBICIA ŚWIATŁA OD MATERIAŁÓW
STOSOWANYCH NA ODBŁYŚNIKI
Przemysław Tabaka
Instytut Elektroenergetyki Politechniki Łódzkiej
Streszczenie: Przedstawino sposoby podziału odbicia światła od różnych powierzchni, wraz z
krótką charakterystyką, na podstawie literatury krajowej i zagranicznej.
1. WSTĘP
Jednym z głównych zadań każdej oprawy oświetleniowej jest przekształcenie bryły
fotometrycznej źródła światła tak, aby wysyłany przez nie strumień świetlny wykorzystany
był w możliwie maksymalnym stopniu. Można to osiągnąć przez zmianę biegu promieni
świetlnych w wyniku ich interakcji z materią.
Strumień świetlny padający na dowolny materiał ogólnie rzecz biorąc może zostać odbity
od jego powierzchni, przepuszczony lub pochłonięty przez nią. Na ogół w naturze występują
równocześnie co najmniej dwa z wymienionych zjawisk – odbicie i pochłanianie w
przypadku ciał nieprzeświecalnych. Nie ma bowiem w przyrodzie ciał doskonale
odbijających, czy też ciał doskonale pochłaniających. Natomiast w przypadku materiałów
przeświecalnych, czy też przezroczystych wystąpi dodatkowo trzecie zjawisko –
przepuszczanie, a z nim związane odchylenie biegu promieni (załamanie).
Załamanie światła jest podstawowym zjawiskiem na którym opiera się funkcjonowanie
soczewek i pryzmatów. Dzięki odpowiednio zaprojektowanym kloszom pryzmatycznym
można np. zmienić rozkład kątowy światłości źródła światła w wybranych strefach
przestrzeni. Takie klosze można spotkać np. w oprawach oświetlenia zewnętrznego (starszej
generacji), czy w reflektorach samochodowych. W obu tych przypadkach elementami
wpływającymi na kształt bryły fotometrycznej jest odbłyśnik wraz z kloszem. Z uwagi jednak
na to, że obecnie w procesie projektowania większości opraw oświetleniowych, głównym
czynnikiem wpływającym na zmianę kierunku biegu promieni świetlnych (a co za tym idzie,
formułowanie rozkładu przestrzennego światła) jest odbicie światła od odbłyśnika, główna
uwaga zatem zostanie skupiona na tym zjawisku kontaktu światła z powierzchnią.
2. PODZIAŁ ODBICIA ŚWIATŁA
W technice świetlnej wg przyjętego nazewnictwa wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje
odbić światła:
⇒ kierunkowe,
⇒ rozproszone,
⇒ kierunkowo-rozproszone czyli mieszane.
Odbicie kierunkowe tzn. teoretycznie – idealne. Każde inne to już będzie kierunkoworozproszone. Rozproszone natomiast tzn. równomiernie rozproszone. Występuje jeszcze
czwarty rodzaj specyficznego odbicia, a mianowicie odbicie współdrożne.
Odbicie zwierciadlane powstaje wówczas, gdy promieniowanie świetlne pada na płaską,
bardzo gładką (w skali mikrostrukturalnej) powierzchnię którą może być np.:
• powierzchnia zwierciadlana (powlekana odpowiednią powłoką),
• powierzchnia polerowana (pokryta warstwą chromu, niklu itp.),
• powierzchnia naturalnie gładka (np. lustro wody).
Cechą charakteryzującą ten rodzaj odbicia jest:
• zmiana kierunku rozchodzenia się wiązki świetlnej zgodnie z prawem Snella,
• powstanie pozornego obrazu źródła światła na tle powierzchni odbijającej.
Odbicie zwierciadlane może mieć także miejsce w przypadku powierzchni wyposażonych w
licznie nierównomierności (w skali makroskopowej), przy założeniu, że powierzchnie
poszczególnych nierównomierności są gładkie. W tym przypadku jednak wiązka świetlna nie
utworzy obrazu optycznego.
Pewną odmianą odbicia zwierciadlanego jest odbicie współdrożne nazywane też
powrotnym. Pomimo, że nie występuje ono w typowym sprzęcie oświetleniowym, to warto o
nim wspomnieć z uwagi chociażby na istotną rolę jaką odgrywa ono w zwiększeniu
bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Cechą charakteryzującą to odbicie jest:
• powrót promieniowania w kierunku przeciwnym do kierunku padania,
• utrzymanie się powyższej prawidłowości przy znacznych zmianach kierunku padania
promieniowania,
• kilkukrotne (najczęściej dwukrotne) odbicie każdego padającego promienia świetlnego.
Odbicie wpółdrożne można zaobserwować:
• w urządzeniach odblaskowych (np. szkła odblaskowe, folie, taśmy tekstylne z
naniesioną warstwą odblaskową)
• w naturze (np. kropla wody, gałka oczna zwierząt – zwłaszcza u kotów).
W przypadku gdy odbita wiązka świetlna rozchodzi się w całą półprzestrzwń, to wówczas
mówi się o drugim rodzaju odbicia – o odbiciu rozproszonym. Występuje ono w przypadku
interakcji światła z powierzchnią matową (w skali mikroskopowej), pozbawioną połysku (np.
papier rysunkowy, matowe pokrycia farb klejowych). Cechą charakteryzującą jest:
• odbicie światła w różnych kierunkach, przy których (w skali makroskopowej) odbicia
kierunkowe nie występują,
• brak obrazu źródła światła,
• w przypadku doskonale rozpraszających powierzchni (wg prawa Lamberta) ich
luminancja jest stała i nie zależy od kierunku obserwacji oraz od kierunku świecenia.
I wreszcie trzeci rodzaj odbicia światła, będący niejako sumą składowych odbić
kierunkowego i rozproszonego – odbicie mieszane. Ten rodzaj odbicia wykazują
powierzchnie trochę matowe, trochę połyskujące. Charakteryzuje się ono:
• tym, że łączy w sobie cechy odbicia kierunkowego jak i równomiernie rozproszonego,
• zależnością charakteru odbicia od kąta oświetlania powierzchni odbijającej,
• zależnością całkowitego współczynnika odbicia od kąta padania światła.
Teoretycznie rzecz biorąc podział odbicia światła na kierunkowe (idealne), rozproszone
(idealne) i każde pośrednie - czyli kierunkowo-rozproszone jest najprostszym skutecznym
rozwiązaniem. Rzeczywistość jednak nie jest idealna, bo ani kierunkowe (idealne), ani
rozproszone (idealne) nie występują. W praktyce (stosując się do przedstawionego podziału)
oznacza to, że mamy doczyniania wyłącznie z jednym rodzajem odbicia – mieszanym, a więc
takim jakie wykazują wszystkie rzeczywiste materiały, bo przecież nawet najlepiej
wypolerowane lustro rozprasza jednak pewną część strumienia świetlnego, natomiast
powierzchnie matowe – odbijające w sposób dyfuzyjny, wykazują pewną kierunkowość. A
zatem taki podział wydaje się być troszkę niepraktyczny. Można by zatem zrobić subpodział
odbicia kierunkowo-rozproszonego na – z przewagą kierunkowego i na – z przewagą
rozproszonego. Ale to z kolei wymagałoby ustalenia pewnej granicy podziału. Z uwagi
jednak na brak jakichkolwiek przesłanek gdzie taką granicę postawić, taki podział wydaje się
bezzasadny. Takiego problemu nie mają Anglosasi, którzy wyraźnie rozróżnili odbicie
idealne od rzeczywistego i tak np. w przypadku odbicia kierunkowego bez rozproszenia,
odpowiadające prawom optyki geometrycznej nazwali je „specular mirror” (z ang. odbicie
lustrzane) – jako typ odbicia idealnego, natomiast w przypadku odbicia kierunkowego z
pewnym rozproszeniem – „specular glossy” co należy rozumieć jako odbicie z połyskiem
(czyli przypadek odbicia kierunkowego rzeczywistego) [3].
Jeśli chodzi o odbicie rozproszone, to i tutaj zachodzi potrzeba dokonania podziału na
idealne i rzeczywiste. Ponieważ odbicie rozproszone w polskiej normie [2] wymienione jest
dwa razy (jako rozproszone i drugi raz jako równomiernie rozproszone) zatem to pierwsze
zostało nazwane na potrzeby niniejszej pracy odbiciem rzeczywiście rozproszonym.
Podobnie można by postąpić w przypadku odbicia współdrożnego, rozróżniając je na:
odbicie idealne i rzeczywiste (a więc takie, w którym występuje pewne rozproszenie) ale
z uwagi na to, że jest ono na tyle marginalne można odstąpić od takiego podziału.
Rodzaje odbić światła, wg zaproponowanej klasyfikacji, graficznie zostały przedstawione
na rys. 1.1.
Odbicie światła
Rys. 1. Rodzaje odbić światła
3. PODSUMOWANIE
W produkcji opraw oświetleniowych wykorzystuje się materiały odbłyśnikowe
o różnorodnych powierzchniach, odbijających strumień świetlny w sposób rzeczywiście
kierunkowy, rzeczywiście rozproszony i mieszany. Dlatego też rodzaj powierzchni i jej
kształt, które decydują o charakterze odbicia światła, mają kluczowe znaczenie w procesie
projektowania opraw oświetleniowych. W zależności od celu jaki się chce osiągnąć, należy
zastosować odpowiedni odbłyśnik. I tak np. w oprawach oświetlania bezpośredniego
wykorzystuje się odbłyśniki odbijające w sposób rzeczywiście kierunkowy, natomiast
w oprawach oświetlenia pośredniego stosuje się materiały odbijające w sposób mieszany.
4. LITERATURA
1.
2.
3.
Cohen M.F., Wallace J. R.: Radiosity and Realistic Image Synthesis, Academic Press
Professional, Harcourt Brace & Company Publishers, 1993
PN-90/E01005, Technika Świetlna – Terminologia
Tabaka P.: Wpływ kierunku oświetlania powierzchni na bryłę fotometryczną,
Sympozjum naukowe ELEKTROTECHNIKA 2006, Warszawa 12-13 grudnia 2006 r.