Свет. Основные светотехнические величины и единицы

Световой поток (Φ). Световой поток – физическая величина, харак-теризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, это мощность такого излучения, которое доступно для восприятия нормальным человеческим глазом. Единица измерения СИ: люмен (лм). Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд×ср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Для определения величины светового потока, сначала необходимо спектральную плотность мощности излучения  умножить на кривую спектральной чувствительности глаза V_λ, затем проинтегрировать в пределах видимого диапазона длин волны (т.е. от 380 до 780 нм). Затем полученный результат (Φ_e; измеряется в Вт) нужно умножить на фотометрический эквивалент излучения (K_m; константа=683 лм/Вт).

                                                                                                                                 (5.4)

 

Измерение светового  потока от источника света производится при помощи специальных приборов – сферических фотометров, либо фотометрических гониометров. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях – в телесный угол 4π.

Для этого можно использовать сферический фотометр – прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеянный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность  состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м²) по площади сферы (м²), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр. Можно также использовать простой фотоэлемент, если сравнивать измеренный поток с потоком от эталонного источника.

Значение фотометрического эквивалента излучения K_m однозначно задаётся определением основной фотометрической величины – канделы, а именно, одна кандела – это сила света, излучаемая в каком-либо направлении источником монохроматического излучения с частотой 540×10¹² Гц, имеющим в этом направлении мощность излучения 1/683 Ватт/стерадиан. Излучение с частотой 540×10¹² Гц соответствует в воздухе длине волны 555 нм, т.е. максимуму кривой спектральной чувствительности светоадаптированного глаза. Поэтому коэффициент K_m находится из тождества:

                                          1 кд = K_m·V_λ(555)·1/683 Вт/ср,                                     (5.5)

следовательно

K_m = 683 (кд·ср)/Вт = 683 лм/Вт

Для случая ночного зрения значение фотометрического эквивалента излучения изменяется. Поскольку величина канделы не зависит от вида кривой спектральной чувствительности, то все предыдущие соображения остаются справедливыми. Для определения величины фотометрического эквивалента излучения ночного зрения K'_m достаточно заменить значение V_λ(555)=1 на V'_λ(555)=0,402 (на значение кривой спектральной чувствительности для ночного зрения на длине волны 555 нм). При этом получим K'_m=1699 лм/Вт.

Человеческий глаз считается светоадаптированным при яркостях более 100 кд/м². Ночное зрение наступает при яркостях менее 10⁻³ кд/м². В промежутке между этими величинами человеческий глаз функционирует в режиме сумеречного зрения.

Освещённость (Е). Физическая величина, численно равная световому потоку Ф, падающему на единицу поверхности S:

                                                                                                                                 (5.6)

 

Единицей измерения  освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС – фот (один фот равен 10000 люксов). В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется яркостью.

Освещённость прямо  пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Освещённость  от точечного источника находят по формуле:

 

                                                                                                                                 (5.7)

 

где – сила света в канделах;

– расстояние до источника света;

– угол падения лучей света относительно нормали к поверхности.

Освещённость в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии – с помощью люксметров.

 

Значения освещённости в различных условиях

Таблица 5.3

Описание	Освещённость, лк
Солнечными лучами в  полдень	100000
При киносъёмке в студии	10000
На футбольном стадионе (искусственное освещение)	1200
На открытом месте  в пасмурный день	1000
В светлой комнате  вблизи окна	100
На рабочем столе  для тонких работ	400–500
На экране кинотеатра	85–120
Необходимое для чтения	30–50
От полной луны	0,2
От ночного неба в  безлунную ночь	0,0003

 

Яркость (В). Это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле. Отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Или – характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению:

                                                                                                                                 (5.8)

 

В системе СИ измеряется в канделах на м², единицей измерения служит нит (1нт=1кд/1м²).

Существуют также другие единицы измерения яркости – стильб и апостильб. Апостильб (обозначение: асб, asb; от греч. Αποστίλβω – сверкаю) – устаревшая единица яркости освещённой поверхности в системе СГС.

1 апостильб – это яркость поверхности, равномерно рассеивающей свет по всем направлениям и обладающей светимостью 1 лм/м²:

1 асб = 1/π × 10⁻⁴ сб = 0,3199 нт.

Яркость рассчитывается по формуле:

 

                                          Ярк=0,3×R+0,59×G+0,11×B                                        (5.9)

 

Данные коэффициенты обусловлены физиологическими особенностями  человеческого глаза. Формула приведена  для аддитивной системы цветовой передачи RGB.

Коэффициент отражения ( ). Этот коэффициент характеризует способ-ность поверхности к отражению падающего на неё светового потока. Определяется как отношение отражённого светового потока Ф_отр к падающему на поверхность световому потоку Ф_пад. (подробно см. раздел 5.1).

Фон. Поверхность, которая прилегает к объекту различения. Фон характе-ризуется коэффициентом отражения: =Ф_отр/Ф_пад. Если >0,5, то фон считается светлым, если <0,5, то фон средний, если <0,2, то фон тёмный.

Контраст между  объектом и фоном (К). Степень различения объекта и фона характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, знака, пятна, трещины, риски или других элементов) и фона.

 

                                                        К= (В_ф-В_о)/В_ф                                               (5.10)

 

где В_ф – яркость фона (кд/м²);

В_о – яркость объекта (кд/м²).

Контраст считается большим, если К>0,5 (объект резко выделяется на фоне), средним при К=0,2...0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при К<0,2 (объект слабо заметен на фоне).

Видимость ( ). Характеризует способность глаза воспринимать объект. Она зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции. Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т.е.

 

                                                           V = К/К_пор                                                   (5.11)

 

где К_пор – пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличим на этом фоне.

Коэффициент пульсации  освещенности К_E. Это критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока:

 

                                            К_E= (Е_max– Е_min)/(2Е_cp)100%                                     (5.12)

 

где Е_min, Е_max, Е_ср – минимальное, максимальное и среднее значения освещенности за период колебаний; для газоразрядных ламп K_E = 25...65%, для обычных ламп накаливания К_E = 7%, для галогенных ламп накаливания К_Е = 1%.

Показатель ослеплённости (Р_о). Критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой:

                                                    P_o= (V1/V2–1)100                                             (5.13)

 

где V1/V2=S (коэффициент ослеплённости);

V1 и V2 – видимость объекта различения соответственно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения.

Показатель ослепленности  является безразмерной величиной и  регламен-тируется нормами в зависимости от точности зрительной работы: чем точнее работа, тем меньший показатель ослепленности допускается, и изменяется в диапазоне от 10 до 40.

В английских нормах используется индекс блескости GI (glare index). В американских стандартах в течение долгого времени использовался показатель – вероятность зрительного комфорта VCP (visual comfort probability). В новых европейских и международных стандартах для регламентации прямого слепящего действия в производственных помещениях используется обобщенный показатель дискомфорта UGR (unified glare raiting). Он учитывает все светильники, создающие слепящую блескость на рабочем месте. Для оценки прямого слепящего действия используются таблицы UGR, предоставляемые производителями светильников. Оба метода хорошо согласуются друг с другом.

Отраженная  блескость и коэффициент передачи контраста. На практике отражающие свойства объекта и фона отличаются от равномерно-диффузного отражения. Отражения ярких частей осветительных приборов от поверхностей с зеркальным или направленно-рассеянным отражением, попадающие в поле зрения работающего, оказывают отрицательное влияние на зрительную работоспособность. Пространственное распределение светового потока может или увеличить контраст, облегчив работу зрения, или уменьшить его, усложнив зрительную задачу. Направленно-рассеянное, зеркальное или смешанное отражение света приводит к возникновению отраженной блескости, снижающей контраст объекта с фоном. Для характеристики этого процесса Международной комиссией по освещению МКО был введен коэффициент передачи контраста CRF (contrast rendering factor).

Коэффициент передачи контраста  определен как отношение контраста тест-объекта в реальных условиях освещения к контрасту в «стандартных» условиях освещения – при освещении равнояркой полусферой. Его величина может быть как больше, так и меньше единицы. Расчет коэффициента передачи контраста проводится на основе программных средств.

Зрительные  работы с матовыми материалами. При технической невозможности отведения отраженного блика от глаз работающего яркость выходного отверстия светильника, определяющая яркость блика на рабочей поверхности с зеркальным или направленно-рассеянным отражением, должна ограничиваться. Согласно российским строительным нормам СНИП 23-05-95, наибольшая допустимая яркость рабочих поверхностей с зеркальным и направленно-рассеянным отражением определяется в соответствии с табл. 5.4.