Светотехнические единицы

2.3. Светотехнические единицы

Обычно в качестве основной величины для светотехнических расчетов выбирают световой поток P (или F), т.е. мощность потока лучистой энергии, которая измеряется в Вт, фотон/с, свВт или лм.

Как говорилось выше, при  = 555 нм световой поток мощностью 1 Вт создает световое ощущение в 683 лм. Это световое ощущение и называется 1 свВт (световатт). Для других длин волн мощность в свВт всегда меньше мощности, выраженной в Вт, потому что Р_{свВт} = Р_Вт, где  – коэффициент видности, меньший 1 для всех длин волн, кроме  = 555 нм, когда он равен 1.

Для практической ориентации упомянем, что электрическая лампа накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 100 Вт создает световой поток F = 1200 лм, т.е. дает световое ощущение, равное 1,76 свВт. В реальной светопроекционной системе 35-мм киноаппарата на экран попадает уже только 100 лм (т.е. 0,15 свВт), а для 16-мм проектора световой поток на экране составляет только 25 лм (0,04 свВт).

Сила света  определяется как величина светового потока F в единичном телесном угле , т.е. это плотность светового потока в пространстве.

, где [] = 1 стерадиан = сферы

Сила света в радиометрии измеряется в Вт/стер. В фотометрии сила света измеряется в кенделах: 1 кд = 1 лм/1 стер.

Упоминавшаяся 100 Вт лампа накаливания, если ее считать изотропным источником, имеет силу света I = 1200 лм/4 = 95,5 кд.

Хотя в качестве исходной фотометрической величины логично выбирать (как мы и сделали) световой поток F, однако за исходную (основную) величину в фотометрии в действительности была выбрана сила света.

Кендела определяется как 1/60 фотометрической силы света с 1 см² поверхности абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины (2042 К) и наблюдении излучения в направлении нормали к излучающей поверхности. 2042 К называется фотометрической стандартной цветовой температурой. В качестве вторичного стандарта используют вольфрамовые лампы накаливания. Таким образом, изотропный источник излучения с силой света в 1 кд дает световой поток 4 лм (4  12,56).

В действительности изотропных излучателей нет, все они анизотропны. Поэтому надо выражаться достаточно аккуратно, и имеется в виду не просто сила света, а сила света в данном направлении. Поскольку излучатели анизотропны, в том числе лампы накаливания, для их фотометрии берут интегрирующую сферу, у которой коэффициент отражения практически равен 1, а затем измерения ведут через небольшое окно в этой сфере. Полный световой поток сравнивается с известным стандартом (эталоном).

Яркость – отношение силы света к излучающей поверхности в нормальном направлении. Т.е. яркость – это сила света с единицы поверхности (обозначают В или L):

, т.е. I = B  S,

где S – площадь светящейся поверхности.

Если направление наблюдения составляет с нормалью угол , то S_эфф = Scos, поэтому I = BS_эфф = BScos. Для неравномерной (неизотропной) яркости: . В этом случае часто используют понятие средней (габаритной) яркости:

.

Освещенность (светимость – если поверхность светится) – поверхностная плотность падающего (освещающего) потока: ,

.

Для изотропного излучателя:

F = I  , поэтому ,

т.е. освещенность сферы с радиусом R.

Если направление наблюдения составляет с нормалью к площадке угол , то S_эфф=Scos, поэтому I = BS_эфф = BScos. Можно написать: . При необходимости иметь B = B₀ = const для разных углов  надо, чтобы и световой поток зависел от угла  так же, т.е. I = I_o  cos. Тогда.

Это условие соблюдается для ламбертова излучателя, т.е. излучателя в виде равномерно рассеивающей поверхности, излучающей свет с силой, пропорциональной косинусу угла между направлением излучения и нормалью. К ламбертову излучателю близки обычные диффузные отражатели (белая бумага).

Поскольку освещенность и светимость зачастую для внешнего наблюдателя неразличимы (например, свет от Луны), представляет интерес связь между Е и В. Рассмотрим сферу радиуса r, в центре которой находится площадка S, освещенная потоком F_вх и излучающая во все стороны поток F_вых (рис. 2.7). Тогда

dF_вых = I  d, где

I = BScos – сила света в направлении ;

В – яркость площадки S;

d - элемент пространственного угла («угловая щель»);

– по определению пространственного угла;

S_сф= 2r  sin  r  d , тогда d = 2  sin  .

Так что: dF_вых = B  S  cos  2  sin.

Весь выходной поток:

,

с другой стороны: F_вх = E  S, а F_вых =   F_вх =   E  S

Приравнивая F_вых и F_вых, получим:

.

Если  = 1, то В и Е – это одно и то же с точностью до множителя .

Или: – освещенность в фут-ламбертах;

освещенность в кд/фут, или кд/м², т.е.

В =   Е, где Е = фут-ламберт;

В =   Е/, где Е = люкс, т.е. кд/м².

Посмотрим, как связана освещенность задней стенки глаза (сетчатки) с яркостью соответствующего объекта. Заменим глаз одной линзой на месте роговицы (рис. 2.8), которая проецирует объект площадью S и яркостью L, находящийся на расстоянии R от центра линзы. На сетчатке изображение объекта имеет площадь . Сила света от объекта I = L  S, а освещенность в плоскости зрачка составит .

Световой поток F, попадающий в глаз:

, где

q _гл – площадь входного отверстия (зрачка) глаза,

 _гл – коэффициент пропускания глаза.

Этот световой поток F создает на ретине освещенность Е _гл:

.

Отношение определяется расстоянием R и фокусным расстоянием глаза f_гл: , так что . Тогда освещенность ретины: .

Для нас существенно отметить, что освещенность участка ретины определяется яркостью объекта, который проецируется на этот участок.

Обращает на себя внимание тот факт, что светотехнические единицы обычно слабо понимаются и запоминаются. Частично это объясняется дуализмом подхода (энергетический и фотометрический, т.е. физиологический), а также использованием большого количества названий светотехнических единиц, хотя многие из них связаны постоянными коэффициентами. Поэтому полезно некоторые из этих понятий и единиц собрать воедино и представить в виде таблиц.

Достаточно очевидно, что люмен (лм) = 1/683 светового потока мощностью 1 Вт при длине волны  = 555 нм. Кандела (свеча) (кд) = 1 лм внутри телесного угла, равного одному стерадиану (ср). Единицей яркости, кроме нита кд/м², служит стильб (сб), который равен кд/см².

Единицы яркости (в том числе и несамосветящихся объектов):

Некоторые единицы в отечественной литературе не используются, однако еще имеют употребление в англоязычных материалах.

Подобная таблица полезна также для единиц освещенности:

Иногда употребляют также такую единицу освещенности, как фотон, которая определяет освещенность сетчатки глаза при наблюдении поверхности с яркостью 1 кд/м² и площади зрачка 1 мм².

Для практической ориентации проведем значения яркости некоторых объектов в нит:

Поверхность Солнца – 1,6  10⁹

Наиболее яркая точка 60-Вт лампы накаливания с матовым стеклом – 120000

Наиболее яркие кучевые облака – 40000

Белая бумага под прямыми лучами Солнца – 30000

Ясное безоблачное небо – 7000

Яркие участки Луны – 7000

Белая бумага на столе – 85

Телевизионный растр – 70

Белая бумага при свете Луны – 0,03.