Основные понятия светотехники и фотометрии

3. Световые величины

В предыдущем разделе мы познакомились с важнейшим фотометрическим понятием – световым потоком, т.е. мощностью светового излучения, протекающего через некоторую площадку в пространстве. Понятно, что источники света могут излучать энергию в пространство неравномерно то есть практически всегда имеет место зависимость мощности излучения от направления его распространения. Для количественного описания этой зависимости используют такую величину, как сила света. Чтобы ввести это понятие, нам придётся вспомнить, что такое телесный угол. На Рис.3.1. изображен некоторый источник света малого размера. Построим вокруг него сферу радиуса r. Из центра сферы построим конус, который вырежет на сфере площадку площадью S. Пространственный ? угол при вершине конуса называется телесным, количественно его величина определяется отношением ? = S /r².

Рис. 3.1. К определению понятия телесный угол

распространяется от источника световой поток Ф, тогда сила света I определяется как угловая плотность светового потока

I = Ф/? ,

и характеризует распределение светового потока по разным направлениям. Кривую зависимости светового потока от напрвления обычно изображают в полярных координатах и назвают кривой силы света (КСС). В качестве примера КСС на рис 3.2. приведены КСС трёх вариантов потолочных встраиваемых светодиодных светильников DL 00232x2 марки ГАЛС/GLS с различными углами расходимости светового пучка.

Рис. 3.2. Кривые силы света разных вариантов светодиодных светильников DL 00232x2 марки ГАЛС/GLS

Силу света измеряют в канделлах (кд или kd). Канделла – основная единица фотометрии, для неё существует эталон, и именно через неё определяются остальные единицы измерения световых величин. По определению, одна канделла - сила света, излучаемого в перпендикулярном направлении 1/6000000 квадратного метра поверхности абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины и давлении 101325 Па. Тогда один люмен определяется как световой поток в пределах телесного угла один стерадиан при силе света точечного источника, расположенного в вершине телесного угла, равной одной канделле.

Рис. 3.3. К определению понятия освещённость

Для количественной оценки того, насколько хорошо освещена та или иная поверхность используют величину освещённости. Пусть на поверхность площадью S падает световой поток Ф (Рис.3.3), тогда величина освещённости, по определению, будет

Е = Ф/S,

причём предполагается, что выбранная площадка настолько мала, что неравномерность распределения светового потока через её части отсутствует.

Зная силу света от источника в направлении освещаемой поверхности и расстояние до поверхности, легко определить освещённость этой поверхности (Рис.3.4). Учитывая, что световой поток через поверхность Ф = I*? = I*( S*Cos?/r²), получаем

Е = I *Cos?/r².

Если поверхность освещается несколькими источниками света, то полная освещённость равна сумме освещённостей, создаваемых каждым.

Рис. 3.4. Освещённость поверхности точечным источником

Важной светотехнической величиной является яркость светового источника. Она характеризует силу света в некотором направлении, соотнесённую к площади поверхности источника. Яркость зависит от направлени распространения света от источника. На рис 3.4. показана элементарная светящаяся площадка, имеющая площадь S, здесь же построена проекция этой площадки на плоскость, перпендикулярную некоторому направлению распространения света (в котором мы хотим определить величину яркости), площадь проекции соответственно S*Cosn. По определению, яркость равна

L = I/S*Cos?.

Если вспомнить, что I = Ф/T, то

L = Ф/?*S*Cos?,

Где Ф – световой поток, распространяющийся от светящейся площадки под углом ?, в пределах малого телесного угла ?.

Рис. 3.5. К определению понятия яркости

Почему яркость так важна? Оказывается, если смотреть на какую либо светящуюся площадку, то освещённость на сетчатке глаза, в изображении этой площадки, будет пропорциональна именно яркости в направлении от источника на глаз. То есть именно яркость определяет силу зрительного восприятия, когда мы смотрим на светящуюся или рассеивающую свет поверхность. Поэтому, при одной и той же силе света, источник с малой площадью будет восприниматься как более сильный, чем источник с большой площадью светящейся поверхности.

Раньше величину яркости измеряли в нитах (нт или nt), сейчас используют производную единицу канделла на метр квадратный (кд/м ²), что по сути то же самое.

Для полноты картины упомянем ещё одну светотехническую величину – светимость, равную отношению полного светового потока излучаемого малой площадкой к площади этой площадки. Измеряется светимость, соответственно, в люменах на квадратный метр (лм/ м²).

Костюк А.В. (с)

Обсудить статью возможно в блоге автора.

2. Особенности зрительного восприятия. Переход к световым величинам. Световой поток

В предыдущем разделе мы отметили, что распространяющееся в пространстве электромагнитное поле переносит энергию. Для количественного описания этого процесса мысленно представим, что на пути волны расположена некоторая площадка. Пусть за время ?t, через площадку протечёт энергия ?W, отношение ?W/?t, по своей природе, является мощностью энергетического потока через выделенную площадку. Для краткости её называют энергетическим потоком и обозначают Фэ. Понятно, что энергия W измеряется в обычных физических единицах, например джоулях, а энергетический поток, соответственно, в ваттах. Иногда вместо термина энергетический поток используют название лучистый поток, что то же самое. Заметим, что энергетическим потоком обладает любое электромагнитное поле: и радиоволны, и гамма излучение, и все остальные. Но для светотехники представляет интерес только то излучение, которое может восприниматься глазом человека, волны в иных спектральных диапазонах освещения не создают, и, следовательно, переносимая ими энергия в данном случае нас не интересует.

В связи с этим целесообразно от энергетических величин перейти к иным, учитывающим только ту часть излучения, которую воспринимает глаз. Для этого кратко рассмотрим особенности зрительного восприятия человека.

Рис.2.1. Схема устройства глаза человека

Устройство глаза (Рис.2.1.) очень напоминает конструкцию цифрового фотоаппарата. У глаза есть объектив, его роль выполняют роговая оболочка и хрусталик. Есть диафрагма, способная изменять свой диаметр, подстраиваясь под уровень освещения - это радужная оболочка. Есть фоточувствительная матрица - сетчатка глаза, представляющая собой слой специальных нервных клеток (так называемых палочек и колбочек), содержащих пигмент родопсин (палочки) или иодопсин (колбочки), разлагающийся под воздействием света. Наконец часть нашего мозга принимает и обрабатывает информацию об изображении, формируемом хрусталиком на сетчатке, то есть выполняет функцию процессора. Интересно, что колбочки, расположенные ближе к центру сетчатки, способны различать цвета (за счёт того, что существует три разновидности иодопсина, обладающих повышенной чувствительностью к красному, зелёному и синему цветам, о чем мы подробнее поговорим несколько позже). Колбочки менее чувствительны и отвечают за дневное зрение. Всего их немногим более 7 миллионов, так что наша цветочувствительная матрица не так уж и велика, всего 7 мегапикселей, немного по современным фотографическим меркам. Зато палочек, более чувствительных (но не различающих цвет), у нас 130 миллионов. Пока 130 мегапикселей не имеет ни одна профессиональная фотокамера. Палочки расположены преимущественно на периферии поля зрения глаза и более чувствительны к слабому свету. Соответственно они обеспечивают сумеречное и периферийное зрение.

Поглощаемый светочувствительными клетками глаза свет вызывает разложение молекул пигмента. Эта фотохимическая реакция приводит к возникновению электрических импульсов на выходе клеток сетчатки. Чем больше мощность поглощаемого света, тем выше частота электрических импульсов в нервных окончаниях. Но свет разной длины волны, при одном и том же энергетическом потоке через зрачок глаза, вызывает различные зрительные ощущения (различные частоты импульсов в зрительных нервах). Другими словами, чувствительность глаза к свету зависит от длины волны этого света. Если рассматривать дневное зрение (определяемое в основном колбочками), то наибольшая реакция будет на свет с длиной волны ?=0,554 мкм (желто-зелёное излучение). При увеличении или уменьшении длины волны чувствительность глаза падает, стремясь к нулю в длинноволновой части при ? =0,77 мкм, и в коротковолновой при ? =0,38 мкм. Кривую зависимости чувствительности глаза от длины волны излучения в относительных единицах V(?), принято называть кривой относительной видности излучения. Такая кривая для дневного зрения показана на Рис.2.2. Для сумеречного зрения спектральная кривая чувствительности имеет схожую форму, но сдвинута примерно на 0,05 мкм в коротковолновую область.

Рис.2.2. Кривая относительной видности излучения

По соглашению, принятому в 1924 г. международной осветительной комиссией, основной считается функция относительной видности дневного зрения. Именно она положена в основу построения системы световых величин и единиц измерения.

Переход от энергетических параметров излучения к световым рассмотрим на примере излучения лампы накаливания, спектр излучения которой показан красной пунктирной линией на Рис.2.3. Мы его уже видели в предыдущем разделе (Рис.1.4.). Здесь же сплошной синей линией показана кривая видности глаза. Как видим, излучение лампы занимает значительно более широкий диапазон длин волн, нежели зона, воспринимаемая человеческим зрением. Сплошной красной линией показано произведение спектральной энергетической плотностиизлучения лампы на кривую относительной видности глаза, фактически это спектр излучения, который эффективно воспринимается зрительной системой. Если посчитать площадь под этой кривой и поделить на площадь под кривой описывающей энергетический спектр лампы, то мы получим коэффициент использования излучения лампы kи. Аналогичным образом определяется кооэффициент использования для любого иного источника света.

Рис.2.3. К определению понятия светового потока

Световым потоком , по определению, называется мощность излучения, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит. Из изложенного выше можно видеть, что световой поток Ф соотносится с энергетическим потоком Фэ в соответствии с формулой:

Ф = К*kи*Фэ,

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения.

Световой поток принято измерять в люменах (лм). Если энергетический поток выражен в ваттах (вт), то в этом случае коэффициент пропорциональноси К=283 лм/вт. Фактически это величина соотношения люмена и ватта для монохроматического излучения с длиной волны ? =0,554 мкм (для которого V(?)=1).

Световой поток – основная фотометрическая величина, через которую определяются все остальные. С другой стороны полный световой поток – важнейший параметр, указываемый для большинства видов источников света. Ещё раз отметим, что это мощность света, излучаемая лампой по всем направлениям с учетом спектральной чувствительности глаза.

Костюк А.В. (с)

Обсудить статью возможно в блоге автора.

1. Введение. Несколько слов об электромагнитных волнах

Читатель, желающий получить представление исключительно о физических величинах, используемых в светотехнике и фотометрии, и имеющий представление о том, что такое волны, какими параметрами они характеризуются, может пропустить этот вводный раздел, и перейти сразу к следующей статье, посвящённой светотехническим параметрам и характеристикам.

Как известно из школьной физики, электрические заряды притягиваются или отталкиваются (в зависимости от их знаков). Это означает, что каждый заряд создаёт вокруг себя поле сил, действующих на другие заряды. Величина поля в каждой точке пространства характеризуется напряженностью (силой, действующей на заряд единичной величины). Заряд, движущийся с постоянной скоростью (постоянный ток) создаёт постоянное магнитное поле. А если заряд движется с переменной скоростью, например, совершает колебательные движения, то вокруг него возникают изменяющиеся во времени электрическое и магнитное поля. Причём, переменное электрическое поле создаёт переменное магнитное поле, и наоборот. Таким образом, поля начинают существовать уже независимо от вызвавшего их электрического заряда и могут распространяться, подпитывая друг друга, на значительные расстояния. Этот поцесс называется электромагнитной волной. Заряд может перестать двигаться, а вызванная им волна будет расходиться всё дальше и дальше от источника (точно, как круги на воде от упавшего камня).

Рис.1.1. Колебания напряженности электрического поля в фиксированной точке пространства

Электромагнитное поле, в общем случае, характеризуется двумя векторами напряженности – электрического и магнитного полей. Но когда мы имеем дело со световыми явлениями, оказывается, что в каждой точке пространства один из этих векторов полностью определяет и величину, и направление другого, поэтому достаточно рассматривать только один из них. Как правило, считают, что электромагнитная волна (в диапазоне видимого света и вне оптически анизотропных сред – кристаллов) полностью определяется её электрической составляющей - напряженностью электрического поля.

Рис.1.2. Распределение напряженности электрического поля в пространстве в фиксированный момент времени

Рассмотрим простейшую волну – гармоническую, то есть волну в которой в каждой точке пространства напряженность поля изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону. Зависимость напряженности от времени в некоторой фиксированной точке пространства показана на Рис.1.1. Здесь важно отметить, что колебание напряженност поля происходит по периодическому закону с периодом равным Т. Частота колебаний обратно пропорциональна периоду ( f =1/T).

Рис.1.3. Бегущая волна

Теперь давайте выделим некоторое направление в пространстве, вдоль которого распространяется волна и зафиксируем момент времени. Если построить зависимость величины напряженности поля вдоль этого направления (сделать, так сказать, мгновенную фотографию), то мы увидим ту же синусоиду, как показано на Рис. 1.2. Расстояние между двумя гребнями волны называется длиной волны ?, которая равна поизведению скорости света на период колебания ( ?=сТ). Рис.1. 2 соответствует некоторому моменту времени, через малый промежуток картина несколько изменится, точки, в которых напряженность максимальна , несколько сместятся по оси Х. Наглядно этот процесс можно наблюдать на Рис.1.3.

Рис.1.4. Спектральная плотность излучения лампы накаливания

Распространяясь таким образом в пространстве, электромагнитная волна переносит энергию. Надо отметить, что существуют электоромагнитные волны очень отличающиеся по частоте и, соответственно, по длине волны. Различают такие диапазоны длин волн как

- радиоволны (с длинами от 10 км до нескольких микрометров),

- инфракрасные волны (от 2 мкм до 0,76 мкм),

- световые волны, собственно те волны, которые способен воспринимать человеческий глаз (от 0,76 мкм до 0,4 мкм),

-ультрафиолетовые волны (от 0,4 мкм до 10 нм),

- рентгеновские волны (от 10 нм до 0,002 нм),

- гамма-излучение (менее 0,002 нм).

Как видим из всего многообразия электромагнитных колебаний, человеческий глаз воспринимает только очень узкий диапазон.

Очень важно понимать, что в действительности электромагнитные волны, излучаемые различными источниками, представляют собой сумму волн с разными длинами и разными направлениями распространения. Любой источник света излучает волны различной длины. Распределение мощности излучения в зависимости от длины волны называется спектральной плотностью или просто спектром излучения. У световых источников бывают очень разнообразные спектры.

На Рис.1.4 показана спектральная плотность лампы накаливания (линейной галогенной лампы). На видимую область приходится только часть спектра, в то время как его основная часть (показана пунктиром) относится к инфракрасной области. Таким образом, излучение ламп накаливания не может быть использовано для полностью, что и объясняет их малую экономичность.

Рис.1.5. Спектральная плотность излучения люминесцентной лампы

Типичный спектр люминесцентной лампы приведён на Рис.1.5. Характер распределения здесь совершенно другой, в спектре присутствуют несколько ярких линий. Это затрудняет восприятие цветов под таким освещением, но зато экономичность люминесцентных ламп много выше, чем ламп накаливания.

Рис.1.6. Спектральная плотность излучения белого светодиода

Для белых светодиодов или LED источников характерна форма спектра, показанная на Рис.1.6. Специфика спектра белого светодиода объясняется его устройством. Конструкция белых LED источников света представляет собой слой люминофора, свечение которого возбуждается излучением синего светодиода. Узкий всплеск излучения в синей области - это и есть излучение возбуждающего светодиода, а размазанная белая часть спектра- это собственно свет от люминофора. Весь спектр расположен в видимой области длин волн, что обуславливает высокую экономичность светодиодных ламп.

Костюк А.В. (с)

Обсудить статью возможно в блоге автора.