Лекция 3

ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Для художника или ремесленника свет одновременно и благословление и проклятие – он не отделим от красоты искусства и вместе с тем, способен физическим или химическим путем принести ему вред.

Томас Брилл

 

Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ фотометрии и светотехники. Фотометрия– совокупность методов измерения энергетических характери­стик электромагнитного излучения и световых величин: светового потока, силы света, освещенности, яркости и др. Основоположником экспериментальной фото­метрии следует считать П. Бугера, который опубликовал в 1729 г. описание визуаль­ного ме­тода количественного сравнения источников света: установления (путём изменения расстояний до источников) равенства освещённостей соседних поверх­ностей с ис­пользованием в качестве прибора глаза.

Основным энергетическим понятием является поток излучения Ф, имеющий фи­зический смысл средней мощности, переносимой электромагнитным излучением. Воспринимаемая глазом энергия оценивается световыми единицами, которые свя­заны с энергетическими единицами. Пространственное распределение Ф описывают энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (или) телесному углу. Соответствующие энергетические фотометриче­ские величины – энергетическая освещённость, энергетическая сила света, энергети­ческая яркость и т.д. Световые величины – это фотометрические величины, редуци­рованные в соответствии со спектральной чувствительностью так называемого среднего светлоадаптированного человеческого глаза (важнейшего для деятельности человека приёмника света).

С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощу­щение яркости при воздействии на человеческий глаз. Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд услов­но принятых стандартов. В 1931г. Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие среднего «стандартного наблюдателя» для людей с нормальным воспри­ятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной свето­вой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 360 до 780 нм.

Световой поток Ф и поток излучения Ф* связаны следующей зависимостью: , (3.1)

где - коэффициент перехода от энергетических единиц к единицам свето­вым, а - относительная спектральная световая эффективность излучения, которая описывает относительную чувствительность среднего человеческого глаза к видимому излучению при нормальных условиях освещенности для разных длин волн. Она измеряется в люменах на ватт в минус первой степени ().

Фундаментальная взаимосвязь между световыми и энергетическими величи­нами содержится в определении люмена, который определяется как световой поток монохроматического излучения желто-зеленого цвета с длиной волны приблизительно 555 нм, энергетический поток кото­рого равен 1/683 Вт.

 

Таблица 3.1

Энергетические и световые характеристики и единицы

Энергетический термин	Единица	Световой термин	Единица
Поток излучения Сила излучения Энергетическая яркость Энер­гетическая освещенность Энергетическая экспозиция	Вт Вт/ср Вт/(ср´м2) Вт/м2 Дж/м2	Световой поток Сила света Яркость Освещенность Световая экспозиция	люмен (лм) кандела (кд) кд/м2 люкс (лк) лк·с

Световой потокФ – часть электромагнитной энергии, которая излучается источником в видимом диапазоне. Его величина равна световой энергии (оцениваемой по зри­тельному ощущению), проходящей через заданную поверхность за единицу вре­мени: Ф = W/t (3.2),где W – количество световой энергии, проходящей через заданную по­верхность за время t. Единицей светового потока в СИ является люмен(лм). Он оп­ределяется как поток, который посылается источником света в одну канделу в телес­ный угол w *, равный одному стерадиану.

Силой света источникаI называется величина, измеряемая световым потоком, приходящимся на единицу телес­ного угла по заданному направлению. Представляет собой отношение величины светового потока Ф, распространяющегося от источника света в некотором телесном угле, к величине этого телесного угла: I = Ф/w (3.3). Полный световой поток от точечного источника света равен Ф = 4p I (3.4).Основной единицей в СИ принимается сила света в одну канделу (кд). Кандела (лат. сandela – свеча) равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10¹² герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется бо́льшая энергетическая интенсивность.

Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.

Таблица 3.2

Сила света типовых источников

Источник	Мощность, Вт	Примерная сила света, кд
Свеча
Лампа накаливания
Обычный светодиод	0,015	0,001
Сверхъяркий светодиод	0,06
Люминесцентная лампа
Солнце	3,9 · 1026	3 · 1027

 

Для характеристики интенсивности потока, падающего на поверхность от источника света, введена величина, получившая название освещенности Е. Освещенностью поверхности называется величина, равная световому потоку, падающему на единицу площади равномерно освещаемой поверхности. В общем случае освещенность Е определяется как отношение светового потока Ф к величине освещаемой поверхности, независимо от того, как расположена эта поверхность. В СИ ос­вещенность измеряется в люксах (лк). 1 люкс - это освещенность по­верхности площадью 1м, на которую падает световой поток в 1 люмен.

Фундаментальный для фотометрии закон освещенности был сформулирован И. Кеплером в 1604 г. Он формулируется следующим образом: освещенность, созда­ваемая точечным источником света на некоторой площадке, прямо пропор­циональна произведению силы света источника I на коси­нус угла падения лучей и обратно про­порциональна квадрату расстояния до пло­щадки от источника R:

(3.5),

где: Е – освещенность; І – сила света; R – расстояние от источника до освещаемой площадки; α– угол между лучом и нормалью к поверхности.

В таблице 3.3 представлены некоторые типичные уровни освещенности источни­ков света.

Таблица 3.3

Типичные уровни освещенности (приблизительные)