Что называется световым потоком: Что такое световой поток? | ivd.ru

Содержание

Что такое световой поток? | ivd.ru

Световой поток — термин, косвенно характеризующий то, какое количество света излучается световым прибором, а также то, как именно прибор излучает и распределяет этот свет. Для оценки и сравнения традиционных световых приборов чаще всего используется понятие светового потока, измеряющегося в люменах. Люмен — это единица измерения всего воспринимаемого светового потока, испускаемого источником света.

В быту специалисты, занимающиеся освещением, покупатели и просто пользователи для оценки осветительного оборудования часто прибегают к термину «яркость». Это не только ошибочно, но и может ввести в заблуждение, особенно в отношении светодиодных световых приборов. В чём здесь загвоздка? Итак, суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света в диапазоне длин волн видимого света, называется световым потоком и измеряется в люменах (лм). Но так как «видимость» относится только к человеку, фотометрические данные учитывают чувствительность глаза человека, которая зависит от длины волны видимого света (цвета). Зависимость чувствительности глаза человека с нормальным зрением от длины волны представляет собой колоколообразную кривую.

Функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях. Фото: Philips

Эта кривая известна часто называется кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Согласно ей, наивысшая чувствительность глаза достигается в зелёной спектральной области (длина волны 550 нм) и постепенно снижается как к красному, так и к синему краям спектра. Лампа накаливания излучает на всём протяжении видимого спектра, а вот светодиоды — только в узкой «синей» его части. Поэтому и возникает парадокс: при излучении одинакового количества энергии источник с зелёным светом даёт световой поток в несколько раз большей мощности, нежели источник с синим светом.

Для оценки светодиодных осветительных приборов вместо понятия «световой поток» лучше использовать термин «освещённость». Освещённость характеризует интенсивность света, падающего на поверхность. Если площадь поверхности измеряется в квадратных метрах, то единицей освещённости является люкс (лк). Световой поток в один люмен, падающий на поверхность площадью один квадратный метр, даёт освещённость в один люкс. Нормы освещённости для всех типов помещений можно узнать из СНиП или из специализированных справочников, например, таких как «Строительное проектирование» Эрнста Нойферта.

Таблица. Нормы освещённости для некоторых помещений, лк
Помещение Освещённость, лк
Вестибюль 30
Ванные комнаты, санузлы, душевые 50
Кабинет, библиотека 300
Детские 200
Кухня 150
Жилые комнаты 150
Лестницы 20

Упрощённо — зная площадь помещения и требуемую освещённость, мы можем посчитать нужное количество и мощность ламп. Например, для освещения кухни площадью 10 м2 нам потребуется источник света в 1500 лм, то есть, две светодиодные лампы со световым потоком 750 лм каждая (мощностью примерно 5-6 В). На практике же, весьма вероятно, потребуется вдвое большее количество ламп, потому что значительная часть светового потока (40-50%) пропадает зря из-за несовершенства конструкции ламп и светильников. Точный расчёт лучше поручить профессионалам. Редакция благодарит компанию Philips за помощь при подготовке материалов

Что такое световой поток?

Информация о материале
Обновлено: 21 апреля 2021

Световым потоком называется физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения. Световой поток пропорционален потоку излучения, оценённому в соответствии с относительной спектральной чувствительностью человеческого глаза. В международной системе измерений световой поток, или яркость, измеряется в люменах (Лм). Для замера мощности светового потока от источника света, например, от светодиодной лампы, используются специальные приборы — сферические фотометры.

Сферический фотометр

представляет собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к единице. Для определения яркости светодиодной лампы она 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. Освещенность фотоэлемента, 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 светодиодной лампы.

Световой поток служит характеристикой мощности любого источника света и определяется как количество световой энергии, которая проходит через единицу площади за единицу времени.

Световой поток

обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм). Самые распространенные на данный момент источники света имеют следующие значения светового потока: Лампа накаливания мощностью 100Вт создает 1300-1600 лм светового потока. Компактная люминесцентная лампа мощностью 26 Вт – 1600 лм. 1-ваттная светодиодная лампа создает световой поток равный 120 лм.

А это важно!

Самое главное, о чем следует помнить, количество люмен не определяет дальнобойность светильник или лампы. А вот что влияет на дистанцию, так это скорее фокусировка луча и оптика. Таким образом, люмены практически не влияют на яркость света на самом объекте освещения, дальность света и ширину луча. Это значит, что свет от например от фонарей с одинаковым количеством люменов, но разной оптикой будет восприниматься по-разному и создавать разное освещение пространства. Он определяет количество света, излучаемое фонарем в целом.

Поэтому для измерения дальнобойности применяются именно данные об освещенности, а не о световом потоке. Максимальная дальность рассчитывается, так же, как и сила света, исходя из значений освещенности в люксах. Большей дальнобойностью будет обладать тот фонарь, у которого значение пиковой силы света выше, даже если значение светового потока у него будет меньше.

Освещенность и световой поток — это две разные вещи!

Что такое световой поток? | ОАО «Энергия»

Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучевую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, которое излучается за единицу времени, называется потоком излучения или лучевым потоком. Измеряется лучевой поток в ватах, обозначается Фе.

Поток излучения характеризуется распределением по времени, спектру и в пространстве.

В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения по времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, которая дает изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, которые излучаются источником в единицу времени очень большое.

По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейным, полосным и сплошными спектрами. Поток излучения источника с линейным спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:

У источников с полосным спектром излучение проходит в пределах достаточно широких участков спектра — полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосным спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения

Спектральная плотность светового потока — это характеристика распределения лучевого потока по спектру и ровна отношению элементарного потока , что соответствует бесконечно малому участку, к ширине этого участка:

Спектральная плотность светового потока измеряется в ваттах на нанометр.

В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия лучевого потока, вводится понятие светового потока. Световой поток — это лучевой поток, который оценивается его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО (рис. 1).

В светотехнике используется и такое определение светового потока: Световой поток это мощность световой энергии. Единица светового потока — люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.

Таблица 1 показывает, что нет какого-то стойкого отношения между электрической энергией, которая рассевается в лампе, и излучаемым световым потоком. Это отношение называется световой отдачей, которая измеряется в лм/Вт.

Таблица 1.

Типичные световые величины источников света

 

Электрическая энергия (Вт)

Световой поток (лм)

Световая отдача (лм/Вт)

Лампа накаливания

100

1360

13,6

Люминесцентная лампа

58

5400

93

Натриевая лампа высокого давления

100

10000

100

Натриевая лампа низкого давления

180

33000

183

Ртутная лампа высокого давления

1000

58000

58

Металлогалогенная лампа

2000

190000

95

 

Рис. 1. Среднее значение спектральной чувствительности глаза V(л).

Световые единицы.

Количественные показатели:

Свет — это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие <стандартного наблюдателя> как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО — не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм.

Поток световой энергии (световой поток) измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была <свеча>, которая считалась единицей силы света. Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 — лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята <международная свеча>, которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540×1012 Гц (l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный светильник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4p лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м2, т.е. одному люксу.

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2. (Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.)

Название

Единица измерения (обозначение)

Физический смысл

Световой поток (Ф)

 

Люмен (лм)

Световым потоком Ф называется вся мощность излучения источника света, оцениваемая по световому ощущению глаза человека.

Сила света (I)

 

Кандела (кд)

Источник света излучает световой поток Ф в разных направлениях с различной интенсивностью. Интенсивность излучаемого в определенном направлении света называется силой света I.

Яркость (L)

 

Яркость (кд/м2)

Яркость света L источника света или освещаемой площади является главным фактором для уровня светового ощущения глаза человека.

Освещенность (E)

 

Люкс (лк)

Освещенность Е отражает соотношение падающего светового потока к освещаемой площади. Освещенность равна 1 лк, если световой поток 1 лм равномерно распределяется по площади 1м2

 

Качественные показатели.

 

По качественным характеристикам различают следующие характеристики:

 

Распространение света в пространстве (пространственное распространение)

  • Равномерность распространения света, измеряется в %, (1 — (Emax-Emin)/2*Eср*100%)
  • Слепящее действие

 

Распределение света во времени

  • Пульсация освещения, измеряется в %, считается как (Emax-Emin)/2*Eср*100%, нормальным считается показатель не более 10%
  • Изменение освещенности в течении суток

 

Распределение света по спектру

  • Цветовая температура, Единица измерения: Кельвин [K]. Цветовая температура источника света определяется путем сравнивания с так называемым «черным телом» и отображается «линией черного тела». Если температура «черного тела» повышается, то синяя составляющая в спектре возрастает, а красная составляющая убывает. Лампа накаливания с тепло-белым светом имеет, например, цветовую температуру 2700 K, а люминесцентная лампа с цветностью дневного света — 6000 K.

· Цветность, Цветность света очень хорошо описывается цветовой температурой. Чем выше цветовая температура, тем холоднее свет. Существуют следующие три главные цветности света: тепло-белая < 3300 K, нейтрально-белая 3300 — 5000 K, белая дневного света > 5000 K. (см. таблицу). Лампы с одинаковой цветностью света могут иметь весьма различные характеристики цветопередачи, что объясняется спектральным составом излучаемого им света.

Температура, К

1900-2000

2700-2800

3000

4000

5000

6500

10000

Цветность

<Пламя>

 

 

Нейтрально белая цветность, <облачное небо>

Дневная цветность

Холодная дневная цветность

<тропическое небо>, голубое-фиол.

Тип лампы

Натриевая лампа

Лампа накаливания

Галогеновая

Люминисцентная лампа

 

 

 

 

  • Цветопередача — способность воспроизводить цвета, характеризуется индексом цветопередачи Ra (0-100).

В зависимости от места установки ламп и выполняемой ими задачи искусственный свет должен обеспечивать возможность наиболее лучшего восприятия цвета (как при естественном дневном свете). Данная возможность определяется характеристиками цветопередачи источника света, которые выражаются с помощью различных степеней «общего коэффициента цветопередачи» Ra.

Коэффициент цветопередачи отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Для определения значения фиксируется Ra сдвиг цвета с помощью восьми указанных в DIN 6169 стандартных эталонных цветов, который наблюдается при направлении света тестируемого источника света на эти эталонные цвета. Чем меньше отклонение цвета излучаемого тестируемой лампой света от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы. Источник света с показателем цветопередачи Ra = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, как свет эталонного источника света. Чем ниже значение Ra, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта.

Основные светотехнические понятия и их практическое применение

18 Апреля 2014

В природе существует множество электромагнитных волн с различными параметрами: рентгеновские лучи, γ-лучи, микроволновое излучение и др. (см. рис. 1). Природа всех электромагнитных волн одинакова, отличаются они лишь длиной волны (или частотой). Из всего этого многообразия человеческий глаз воспринимает только узкий интервал волн в диапазонеот 380нм до 780 нм, вызывающий зрительные ощущения. Электромагнитное излучение, сосредоточенное в этом диапазоне, называется светом. Благодаря свету мы способны получать информацию об окружающем нас мире посредством зрения.

Рис. 1 Многообразие электромагнитных волн

Чувствительность глаза к излучениюна разных длинах волн видимого диапазона неодинакова и характеризуется так называемой кривой относительной спектральной световой эффективности излучениия (см. рис. 2).

Рис. 2. Кривая относительной спектральной световой эффективности излучения

Максимум кривой лежит в жёлто-зелёной области спектра и приходитсяна длину волны 555 нм. Это значит, что глаз наиболее чувствителен к излучениюна этой длине волны.
Для оценки количественных и качественных параметров света введена система световых величин и единиц, которая построена на основе кривой относительной спектральной световой эффективности излучения, т. е.по сути, на чувствительности глаза к излучениюна разных длинах волн.
Рассмотрим основные величины этой системы и то, какое значение они имеют в практической светотехнике.
Для начала остановимся на параметрах, относящихся в первую очередь, к источникам света и световым приборам. Это такие величины, как световой поток, сила света и кривая силы света, КПД, световая отдача, цветовая температура, индекс цветопередачи, коэффициент пульсаций светового потока.
Общее количество света, которое излучается источником света, называется световым потоком (измеряется в люменах — лм). Другими словами, это мощность излучения в видимом диапазоне, оцениваемая по его воздействию на глаз.
На практике источники света используются в составе осветительного прибора (светильника). При этом на выходеиз светильника световой поток оказывается ниже, чем у самостоятельного источника света. Причина тому — потери в оптической системе светильника. Поэтому говорят о коэффициенте полезного действия — КПД, который показывает отношение светового потока светильника к световому потоку источника света. КПД является важнейшим показателем эффективности оптической системы светильника.
На практике световой поток является одним из основных параметров, и производители источников света обязательно приводят его в своих каталогах и информационных материалах. Однако потребителю зачастую важнее знать поток системы «световой прибор + источник света», но здесь ситуация с указанием этого параметра не так однозначна. Следует различать два направления развития осветительной техники: традиционные ламповые приборы и светодиодные. Для традиционных светильников световой поток не приводится, поскольку такой подход является некорректным. Это связано с тем, что лампа в такомсветильнике — сменный элемент, и не является его частью. В одноми том же светильнике могут быть применены лампы, имеющие разный световой поток. Это приводит к тому, что световой поток светильника может различаться в зависимостиот того, какая лампа в нём применяется. Поэтому производители традиционных светильников в каталогах приводят КПД (см. рис. 3). Зная поток лампы и КПД, не трудно определить поток светильника.

Рис. 3 Технические параметры традиционных приборов уличного освещения на примере данных, приведённых в каталоге светильников GALAD

В светодиодных приборах светодиоды интегрируются в конструкциюна стадии производства и являютсяих бессменной частью, поэтому ничто не мешает приводить в информационных материалах световой поток светильника (см. рис. 4).

Рис. 4 Технические параметры светодиодных приборов уличного освещения на примере данных, приведённых в каталоге светильников GALAD

Интересная ситуация сложилась на рынке относительно КПД светодиодных светильников. Он условно принимается равным 100%, хотя по сути это не так. Поскольку некоторая доля света светодиодов в любом случае теряется: при прохождении через защитное стекло, на вторичной оптике, могут быть и другие факторы, определяемые конструктивными особенностями прибора. Если производитель настаивает на том, что КПД его светильников на самом деле близок к 100%, следует насторожиться, ведь в большинстве случаев это не так.
В свете вышесказанного возникает резонный вопрос, если КПД светильников всегда меньше 100%, то зачем вообще нужен световой прибор? Почему быне использовать источники света самостоятельно, получая при этом больше света? Дело в том, что одной из главных функцией осветительного прибора является перераспределение светового потока от источника света в пространстве. Распределение светового потока в пространстве характеризуется кривой силы света — КСС. Говоря бытовым языком, кривая силы света показывает, в каком направлении свет более интенсивный, а в каком — менее интенсивный. А понятиесилы света можно объяснить как поток в заданном направлении. Сила света измеряется в канделах — кд. Строго говоря, распределение потока в пространстве определяется 3-мерным фотометрическим телом, а КСС — это сечение фотометрического тела определённой плоскостью (см. рис. 5).

Рис. 5. Вид фотометрического тела и КСС, характерный для светильников дорожного освещения

Свет лампы распространяется во все стороны более-менее равномерно, а в большинстве задач необходимо, чтобы свет падал на конкретную плоскость. Тот свет, который не попадаетна эту плоскость, оказывается бесполезным. Поэтому для максимальной концентрации света в нужном месте необходимо специальное светораспределение, которое обеспечивается благодаря отражателю светового прибора. Например, для дорожного освещения максимально эффективно работает тип КСС, представленный на рис. выше. В случае светодиодных светильников ситуация похожая, только свет перераспределяется за счёт вторичной оптики (см. рис. 6).
Таким образом, получается выгоднее применять источник света в составе светильника, теряя световой поток, но получая более эффективное его распределение. КСС светильника — одна из его основных характеристик, которая зачастую определяет целесообразность применения прибора для освещения данного типа объектов.

Рис. 6. Формирование КСС на примере ламповых и светодиодных светильников уличного освещения

Для оценки целесообразности применения того или иного светильника не менее важно знать, насколько эффективно расходуется электроэнергия при его работе. В светотехнике есть параметр, который называется световая отдача. Это отношение светового потока к потребляемой мощности, т. е. другими словами, сколько люмен получается с 1Вт затрачиваемой электроэнергии. Данный параметр имеет непосредственное отношение к источникам света, ведь сам процесс преобразования электроэнергии в свет происходит именно в источнике. Светильник такой функции не несёт, поэтому применение этого термина к светильникудо некоторых пор считалось некорректным. Однако на практике потребителю важно сравнивать, насколько один светильник эффективнее другого в плане потребления электроэнергии. Поэтому в последнее время на практике прижилось понятие «световая отдача светильника».
Светильники и источники света конкурируют не толькопо показателям количества света, но и по его качеству. Объективными показателями качества света являются: индекс цветопередачи, цветовая температура и коэффициент пульсации светового потока.
Индекс цветопередачи (Ra или CRI) показывает, насколько источник света хорошо передаёт цвета объектов по сравнениюс эталонными источниками света. За эталонный источник света принимается, например, солнечный свет. Наш глаз видит объекты, потому что отраженный от них свет попадает к намв глаза. Поэтому и восприятие этих объектов зависит от их освещения (см. рис. 7). Невооруженным глазом можно заметить, что при освещении предметов разными типами ламп, передача цвета будет существенно отличаться. Максимальное значение Ra для эталонных источников света принимается равным 100.
Цветовая температура (измеряется в Кельвинах, К), в практическом смысле означает оттенок белого света, который излучает источник. Цветовая температура 2500 — 3500К соответствует тёплому оттенку белого света, 3500 —4500К — нейтральному оттенку, 4500 — 6000 К — холодному.

Рис. 7. Освещение объекта разными типами источников света

Коэффициент пульсации светового потока показывает, насколько сильно будет заметно мерцание лампы светильника. У газоразрядных источников света, работающих с электромагнитными ПРА, величина светового потока меняется с удвоенной частотой силы тока. В России частота переменного тока в сети равна 50 Гц, следовательно, световой поток ламп пульсирует с частотой 100 раз в секунду (см. рис. 8). Электронный ПРА обеспечивает работу ламп на более высоких частотах, и максимально снижает коэффициент пульсации. Светодиоды тоже могут иметь пульсации потока, что определяется параметрами их блока питания. Глаз не воспринимает такое мерцание, но оно может влиять на утомляемостьне только глаз, но и всего организма человека.

Рис. 8. Пульсация светового потока разрядных ламп, работающих с электромагнитным ПРА

Указанные параметры качества света наиболее важно учитывать во внутреннем освещении. Например, для офисов и торговых залов в СП52.13330.2011 регламентируется значение Ra не менее 80. Для улиц и дорог этот показатель не задаётся, поскольку не является значимым. Всё дело в том, что в офисахи на улице происходит абсолютно разная зрительная работа. В офисах необходимо хорошо различать мелкие детали и цвета объектов, и для этого важно качество света. На улицах достаточно различать крупные объекты, чтобы ориентироваться в пространстве, и для этого высокое качество света не требуется. К примеру, на улицах распространено освещение светильниками с натриевыми лампами высокого давления, индекс цветопередачи которых Ra = 20, и объективно этого вполне достаточно (см. рис. 9).

Рис. 9. Освещение автомагистрали, выполненное на основе светильников с натриевыми лампами высокого давления GALAD ЖКУ15 Сириус. Натриевые лампы высокого давления дают белый свет характерного оранжевого оттенка с Ra = 20

Рассмотрим другие светотехнические понятия, которые применимы к освещаемым поверхностям. К ним относятся: освещённость, яркость, равномерность распределения яркости и освещённости.
Освещённость — это величина светового потока, приходящаяся на единицу площади освещаемой поверхности. Единица измерения — люкс (лк). По сути, освещённость характеризует количество света на поверхности.
Для понимания, какое значение освещённости является высоким, а какое — низким, можно привести следующие характерные примеры:
 — освещённость от полной Луны на поверхности Земли зимой на широте Москвы не превышает 0,5 лк;
 — прямая освещённость от Солнцав летний день на широте Москвы может достигать более 10 000 лк;
 — нормируемая освещённость на рабочем столе в офисе — 400 — 500 лк;
 — нормируемая освещённость на дорогах — 6 — 30 лк.
Яркость поверхности. Далее не приводится физическое определение яркости, а лишь ненаучным языком объясняется суть этого параметра. Количество света на поверхности определяется освещённостью. Однако, глаз видит предмет не за счёт упавшего, а счёт отражённого от него света. Свет, упавший на поверхность, может отражаться по-разному: во-первых, может отражаться сильнее или слабее, что зависит от свойств материала, а во-вторых, он может отразиться в разных направлениях с разной интенсивностью. Поэтому введено понятие яркости, которая представляет собой количество света, попавшего в глаз наблюдателя с единицы площади освещённой поверхности. Глаз человека реагирует именно на яркость. Единицы измерения — кд/м2. В тех случаях, когда материал предмета отражает свет неравномерно в разных направлениях, яркость зависит от направления взгляда на предмет. В таких случаях освещённость и яркостьне связаны прямой зависимостью. Если взять лист обычной матовой бумаги, то подкаким бы углом мы на негоне смотрели, он кажется одинаково светлым, поскольку яркость его по всем направлениям одинакова. Но еслимы возьмём полированную металлическую поверхность, у которой практически весь падающий свет отражается в одну сторону, то заметим, что при её рассмотрении с разных углов меняется её яркость (см. рис. 10).

Рис. 10. Пример объектов, обладающих разными отражающими свойствами. Слева — яркость предмета не зависитот направления взгляда на предмет, справа — яркость предмета зависит от направления взгляда

В российских нормах освещения объектов основной регламентируемой величиной является освещённость рабочей поверхности внутри и вне помещений. Хотя глаз, как было отмечено, реагирует не на освещённость, а на яркость, нормируется именно освещённость, т. к. она значительно проще рассчитывается и измеряется. Однако в основу нормирования дорожного освещения положена яркость. Это связано с тем, что для современных дорожных покрытий яркость в значительной степени зависит от угла падения, и прямой зависимости между яркостью и освещённостью нет, что не позволяет осуществлять нормирование по освещённости.
Также в нормах ограничивается слепящее действие, которая создаёт осветительная установка, т. е. зрительное неудобство, возникающее при наличии в поле зрения ярких источников. Это характеристика качества освещения. Для общественных зданий для этих целей вводится показатель дискомфорта M, в промышленности — показатель ослеплённости P, в дорог — пороговый коэффициент приращения яркости TI. Слепящее действие осветительной установки может не только причинять дискомфортные ощущения, но и снижать контраст объекта с фоном, снижая видимость объектов.
Слепящее действие осветительной установки зависит от многих факторов, среди которых основными являются: расположение светильников относительно линии зрения и их тип. То, насколько сильное слепящее действие будет оказывать светильник, во многом определяется его конструктивными особенностями. Установлено, что в случае дорожного освещения слепящее действие зависит от значений силы света в зоне углов? 75?, что в свою очередь определяется оптической системой светильника (см. рис. 11). Поэтому эта часть КСС должна быть ограничена. При этом яркость дорожного полотна в большей степени определяется формой КСС в интервале углов 0 — 80?. Поэтому для создания действительно эффективной КСС для дорожного освещения — непростая инженерная задача. Компания-производитель светильников GALAD, понимая исключительную важность такого подхода, традиционно при разработке светильников уделяет особое внимание именно оптической системе, ведь от неё зависит эффективность КСС светильника.

Рис. 11. Характерная КСС светильника для дорожного освещения

Что касается светильников для освещения интерьеров, в последнее время всё более ярко выражена тенденция использования светодиодных светильников в данной сфере. Такой подход оправдывает себя с точки зрения энергоэффективности, однако многие светильники, представленные на рынке, обладают высокой габаритной яркостью (это яркость видимой светящейся поверхности светильника). Связано это с тем, что светодиоды являются очень яркими источниками света, и иногда даже при наличии матовых рассеивателей не удаётся снизить этот показатель до приемлемого уровня. А применение специальной оптики нецелесообразно с точки зрения стоимости светильника. Зачастую меры по снижению габаритной яркости путём применения хорошо рассеивающих свет материалов, приводят заодно и к значительному снижению световой отдачи прибора, поэтому здесь важно соблюдать баланс. Компания-производитель светильников GALAD решает этот вопрос за счёт комплектации светильников большим количеством светодиодов меньшей мощности (и соответственно, малой яркости). Это позволяет получать низкую габаритную яркость светильника и очень высокую равномерность яркости светящей поверхности, что выгодно отличает эти модели от обычных светодиодных светильников.
На рис. 12 слева — прибор с неравномерно яркой поверхностью и более высокой габаритной яркостью, справа — светильник GALAD Кайро premio, отличающийся более высокой равномерностью яркости и пониженным значением габаритной яркости. С точки зрения внешнего вида, светильник слева больше подходит для технических помещений, а светильниксправа — для классчического офисного освещения.

Рис. 12. Светильники с разной равномерностью яркости светящейся поверхности

Итак, мы рассмотрели основные светотехнические параметры. Основная цель, которую мы преследовали при подготовке статьи, заключается в том, чтобы описать их смысл простым и понятным языком, а также объяснить их практическое значение. Мы надеемся, что статья будет полезна тем, кто начинает свою деятельность в сфере светотехники.


Скачать в PDF (743.51 KB)

Полезная информация » 3. Световые величины

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

Пусть внутри малого телесного угла ? 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 00232×2 марки ГАЛС/GLS с различными углами расходимости светового пучка.

Рис. 3.2. Кривые силы света разных вариантов светодиодных светильников DL 00232×2 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.

Световой поток, освещенность, сила света

Любой кто начинает изучать характеристики светильников и отдельных видов ламп, обязательно сталкивается с такими понятиями как освещенность, световой поток и сила света. Что они означают и чем отличаются друг от друга?

Давайте попробуем простыми, понятными для всех словами, разобраться в этих величинах. Как они связаны между собой, их единицы измерения и каким образом все это дело можно замерить без специальных приборов.

Что такое световой поток

В старые добрые времена, основным параметром по которому выбирали лампочку в прихожую, на кухню, в зал, была ее мощность. Никто никогда и не задумывался спрашивать в магазине про какие-то люмены или канделы.

Сегодня с бурным развитием светодиодов и других видов ламп, поход в магазин за новыми экземплярами сопровождается кучей вопросов не только по цене, но и по их характеристикам. Одним из наиболее важных параметров является световой поток.

Говоря простыми словами, световой поток – это количество света, которое дает светильник.

Однако не путайте световой поток светодиодов по отдельности, со световым потоком светильников в сборе. Они могут существенно отличаться.

Надо понимать, что световой поток это всего лишь одна из множества характеристик источника света. Причем его величина зависит:

  • от мощности источника

Вот таблица этой зависимости для светодиодных светильников: 

А это таблицы их сравнения с другими видами ламп накаливания, люминесцентных, ДРЛ, ДНаТ: 

Лампочка накаливанияЛюминесцентная лампаГалогеннаяДНаТДРЛ

Однако есть здесь и нюансы. Светодиодные технологии до сих пор еще развиваются и вполне возможен вариант, когда светодиодные лампочки одинаковой мощности, но разных производителей, будут иметь абсолютно разные световые потоки.

Просто некоторые из них ушли более вперед, и научились снимать с одного ватта больше люмен, чем другие.

Кто-то спросит, для чего нужны все эти таблицы? Для того, чтобы вас тупо не обманывали продавцы и производители.

На коробочке красиво напишут:

  • светопоток 1000Лм
  • аналог лампы накаливания 100Вт
На что вы будете смотреть в первую очередь? Правильно, на то что более знакомо и понятно — показатели аналога лампы накаливания.

Но с такой мощностью вам и близко не будет хватать прежнего света. Начнете ругаться на светодиоды и технологии их несовершенства. А дело то оказывается в недобросовестном производителе и его товаре.

  • от эффективности

То есть, насколько эффективно тот или иной источник преобразует электрическую энергию в световую. Например, обычная лампа накаливания имеет отдачу 15 Лм/Вт, а натриевая лампа высокого давления уже 150 Лм/Вт. 

Получается, что это в 10 раз более эффективный источник, чем простая лампочка. При одной и той же мощности, вы имеете в 10 раз больше света!

Измеряется световой поток в Люменах – Лм.

Что такое 1 Люмен? Днем при нормальном свете, наши глаза больше всего чувствительны к зеленному цвету. К примеру, если взять два светильника с одинаковой мощностью синего и зеленого цвета, то для всех нас более ярким покажется именно зеленый.

Длина волны зеленого цвета равна 555 Нм. Такое излучение называется монохроматическим, потому что содержит в себе очень узкий диапазон.

Конечно, в реалии зеленый дополняется и другими цветами, чтобы в итоге можно было получить белый.

Но так как чувствительность человеческого глаза максимальна именно к зелени, то и люмены привязали к нему.

Так вот, световой поток в один люмен, как раз таки и соответствует источнику, который излучает свет с длиной волны 555 Нм. При этом мощность такого источника равняется 1/683 Вт.

Почему именно 1/683, а не 1 Вт для ровного счета? Величина 1/683 Вт возникла исторически. Изначально, основным источником света была обычная свечка, и излучение всех новых ламп и светильников как раз таки и сравнивались со светом от свечи.

В настоящее время эта величина 1/683 узаконена многими международными соглашениями и принята повсеместно.

Для чего нам нужна такая величина как световой поток? С ее помощью можно легко произвести расчет освещенности помещения.

Это напрямую влияет на зрение человека.

Отличие освещенности от светового потока

При этом многие путают единицы измерения Люмены с Люксами. Запомните, в люксах измеряется именно освещенность.

Как наглядно объяснить их разницу? Представьте себе давление и силу. С помощью всего лишь маленькой иголки и небольшой силы, можно создать высокое удельное давление в отдельно взятой точке.

Также и с помощью слабого светового потока, можно создать высокую освещенность в отдельно взятом участке поверхности.

1 Люкс – это когда 1 Люмен попадает на 1м2 освещаемой площади.

Допустим, у вас есть некая лампа со световым потоком в 1000 Лм. Внизу этой лампы стоит стол.

На поверхности этого стола должна быть определенная норма освещенности, чтобы вы могли комфортно работать. Первоисточником для норм освещенности служат требования сводов правил СП 52.13330

Для обычного рабочего места это 350 Люкс. Для места, где производятся точные мелкие работы – 500 Лк.

Данная освещенность будет зависеть от множества параметров. К примеру, от расстояния до источника света.

От посторонних предметов рядом. Если стол находится около белой стены, то и люксов соответственно будет больше, чем от темной. Отражение обязательно скажется на общем итоге.

Любую освещенность можно замерить. Если у вас нет специальных люксометров, воспользуйтесь программами в современных смартфонах.

Правда заранее приготовьтесь к погрешностям. Но для того, чтобы сделать навскидку первоначальный анализ, телефон вполне сгодится.

Расчет светового потока

А как узнать примерный светопоток в люменах, вообще без измерительных приборов? Здесь можно воспользоваться значениями светоотдачи и их пропорциональной зависимости к потоку.

  • для светодиодных ламп с матовой колбой — мощность лампы умножьте примерно на 80лм/Вт и узнаете сколько в ней люмен
  • для филаментных – умножайте мощность лампы на 100
  • энергосберегайки КЛЛ – на 60лм/Вт
  • ДРЛ = мощность * 58лм/вт

Безусловно, свет от разных источников распространяется не равномерно. Один светильник бьет очень узким пучком света, а другой наоборот максимально широким.

Но если сравнить их паспортные данные, оба они могут иметь одновременно одинаковое количество люмен.

Именно поэтому ориентироваться только на люмены, в корне не правильно.

Например, при покупке светильника через интернет, можно получить вовсе не то освещение, на которое изначально рассчитывали.

Еще раз запомните, световой поток показывает только КОЛИЧЕСТВО света, без учета направления его распространения.

Поэтому здесь еще нужно учитывать и другую характеристику – силу света. Что это такое?

Это величина светового потока разделенного на телесный угол, внутри которого он распространяется.

Проще говоря, если световой поток это количество света, то сила света – это его ”плотность”.

Измеряется сила света в канделах – Кд.

1 кандела – это 1 люмен распространяющийся в пределах конуса с углом в 65 градусов.

Чтобы визуально представить себе силу в 1 канделу, посмотрите опять же на обыкновенную свечу. Именно поэтому определение кандела произошло от латинского слова ”candela” – что в переводе означает свеча.

Кстати, теоретически человеческий глаз может увидеть свет от такого источника на расстоянии почти 50км!

Однако из-за кривизны поверхности земли, данное расстояние фактически сокращается до 5км.

Общие сведения о световом потоке (люмен) и освещенности (люкс) _ YUJILEDS

Мы часто видим данные о световом потоке или освещенности на упаковке лампочек или других ламп. Возможно, вы знаете, что эти два параметра используются для описания яркости света. Но каковы конкретные определения светового потока и освещенности? В чем разница между ними?

Что такое световой поток?

Световой поток — это мера общего количества видимого света, излучаемого лампой.Он отличается от лучистого потока. Поток излучения — это измерение всего испускаемого электромагнитного излучения (включая инфракрасное, ультрафиолетовое и видимое), которое представляет собой общее количество света объектива. Световой поток — это количество света, которое воспринимает человеческий глаз. Он отражает чувствительность человеческого глаза путем взвешивания каждой длины волны с помощью функции яркости. Таким образом, это взвешенная сумма всех длин волн мощности в диапазоне видимого света, исключая инфракрасный и ультрафиолетовый.

Что такое функция яркости?

Функция яркости описывает относительную чувствительность глаз человека к свету с разной длиной волны путем субъективной оценки яркости света разных цветов.Его не следует считать абсолютно точным, но он дает хорошее представление о зрительной чувствительности человеческого глаза и является ценным исходным показателем для экспериментальных целей.

Рисунок 1: Фотопическая (черная) и скотопическая (зеленая) функции светимости

Единица светового потока — Люмен

Единицей светового потока в системе СИ является люмен (лм). Люмен определяется по отношению к канделе, которая является единицей силы света, как

1 лм = 1 кд sr

То есть, когда световой угол источника света равен одному телесному углу, а световой поток равен 1 люмену, его сила света составляет 1 канделу.Когда световой поток источника света также составляет 1 люмен, но световой угол становится 1/2 телесного угла, сила света этого источника света считается равной 2 канделам.

И наоборот, когда сила света точечного источника света, излучающего свет во всех направлениях, равна 1 канделе, поскольку полная сфера имеет телесный угол 4π стерадиан, световой поток этого источника света составляет 4π люмен или 12,56 люмен.

Рисунок 2: Графическое представление 1 стерадиана.

Что такое освещенность?

В фотометрии освещенность — это полный световой поток света, падающий на единицу площади. Другими словами, световой поток представляет собой общее количество света, излучаемого источником, а освещенность — это общее количество света, получаемого объектом.

Связь между освещенностью и световым потоком аналогична соотношению между энергетической яркостью и потоком излучения, то есть потоком излучения, принимаемым на единицу площади.Однако освещенность взвешивается в соответствии с чувствительностью человеческих глаз к свету с разными длинами волн, что представляет собой интенсивность света, воспринимаемого человеческими глазами.

Единица освещенности — люкс

Единица освещенности в системе СИ — люкс (лк). Он равен одному люмену на квадратный метр.

1 лк = 1 лм / м2 = 1 кд · ср / м2.

В фотографии также есть неметрическая единица освещенности — фут-свеча.Фут-свеча означает «освещение источника свечи на поверхности на расстоянии одного фута». Таким образом, одна фут-свеча равна одному люмену на квадратный фут или примерно 10 люксам.

И расстояние, и наклон влияют на освещение

Освещенность — это количество люмен на квадратный метр. Это означает, что когда источник света в 1000 люмен освещает площадь в 1 квадратный метр, освещенность в этой плоскости составляет 1000 лк. Когда источник света в 1000 люмен освещает площадь в 10 квадратных метров, освещенность на плоскости становится 100 лк.

Так что, покупая лампочки, мы не должны выбирать их только по количеству люменов. Это связано с тем, что, когда в гостиной и туалете устанавливаются лампы с одинаковым световым потоком, из-за разного размера комнат различие в освещенности, которое может восприниматься глазами, может быть значительным.

люмен, световой поток и ватт (о боже!) — ilumi

Всем привет,

Я Джои Никотера. Я освещал всевозможные среды и объекты большую часть своей жизни, и я увидел МНОГО изменений.Освещение превратилось из того, что было необходимо, в то, что теперь основано на выборе. Мы больше не ограничены только включением / выключением или даже просто диммированием. Наше освещение может быть любого цвета, любой яркости, которую мы хотим, и даже может работать с нами, чтобы улучшить наше настроение и нашу жизнь в целом. Вместе со всеми этими вариантами появляется множество новых терминов и концепций. В течение следующих нескольких недель я буду вести блог о новых способах говорить о свете и показывать вам несколько интересных вещей, которые можно сделать с помощью источников света нового поколения, а именно Ilumi.Пожалуйста, дайте мне знать в комментариях, если есть что-то, что вы хотите узнать или прочитать больше.

Без лишних слов ….

Давайте обсудим

LUMEN

Люмен — стандартная единица светового потока. Световой поток — это мера воспринимаемой человеческим глазом мощности света. Мы измеряем световой поток в люменах, так же как мы измеряем скорость в милях в час. Почему бы нам просто не сказать «яркость»? Что ж, световой поток можно измерить, в отличие от яркости, которая является восприятием.Яркость означает что-то свое для всех, так же как «быстро» для одного человека «медленно» для другого. Однако «скорость» можно измерить. Тем не менее, вы всегда будете видеть, как я пишу «кажется ярче» и «воспринимаемая яркость», поскольку яркость у всех разная.

Скорость в милях в час

как

Световой поток до люменов

Чем больше люмен излучает источник света, тем ярче будут объекты, освещаемые этим источником.Заметьте, я снова сказал «появляются». Это потому, что люмен не учитывает площадь, по которой распространяется свет. Источник света, излучающий 1000 люмен в комнате размером 8×8 с высотой потолка 8 футов, сделает эту комнату намного ярче, чем если бы тот же источник света освещал футбольный стадион. Люмены на площади измеряются в люксах, но об этом в другом посте.

Как узнать, сколько люмен нужно искать в источнике света? Это хороший вопрос. Как правило, если ваш источник света — умный светильник или светильник с регулируемой яркостью, чем больше люмен, тем лучше.Вы всегда можете уменьшить яркость источника, но вы не можете увеличить его яркость выше максимума. Однако вы можете добавить более одного источника, чтобы увеличить световой поток. В случае с ilumi это определенно то, что вы захотите сделать, потому что пять разных цветов одновременно (или 50, если на то пошло) всегда веселее, чем один. Кроме того, наличие нескольких источников света в области — это рекомендуемый способ осветить пространство, но подробнее об этом в другом посте.

А как насчет ватт?

А, ватт, эталон, по которому лампочки измерялись десятилетиями. Забудьте об этом . Ватт — это мера энергии. Да, именно энергия, а не свет. Вы платите своей электрической компании за то, что она снабжает вас энергией, обычно за киловатты, которые вы используете в час. Лампа накаливания мощностью 60 Вт говорит только о том, сколько энергии она будет потреблять, а не о том, сколько люмен она выдает (хотя в среднем это около 800 люмен). Светодиодный светильник ilumi с максимальной яркостью 800 люмен и мощностью 10 Вт, и это НАМНОГО веселее и полезнее. Он может точно воспроизводить цвет света, который излучает старый 60 Вт, и может быть любым из более чем 16 миллионов цветов, когда вы выберете.

Спасибо за чтение, и на следующей неделе вернемся к обсуждению: Цветовая температура и индекс цветопередачи!

Сила света, объясненная энциклопедией RP Photonics Encyclopedia; определение, фотометрия, источник света

Энциклопедия> буква L> сила света

Определение: световой поток на единицу телесного угла

Немецкий: Lichtstärke

Категория: обнаружение и определение характеристик света

Обозначение формулы: I v

Единицы: кандела (кд = лм / ср)

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/luminous_intensity.html

Сила света — это величина, характеризующая источник света. Он определяется как световой поток на единицу телесного угла. Интенсивность света — это величина фотометрии, учитывающая спектральный отклик человеческого глаза — обычно для фотопического зрения, то есть при достаточно высокой интенсивности света (яркости) для цветного зрения. Этот термин в основном применяется с приближением точечного источника, т.е.е., на расстояниях, больших по отношению к источнику.

Аналогичной величиной в радиометрии является сила излучения.

В системе СИ единицы силы света: кандела = люмен на стерадиан (кд = лм / ср). Одна кандела примерно соответствует силе света обычной свечи.

В простейшем случае, когда сила света не зависит от направления (равномерное всенаправленное излучение), сила света — это световой поток, деленный на 4π ср.Если излучение света ограничено меньшим телесным углом, например Благодаря корпусу лампы, содержащему отражатель, сила света может соответственно увеличиваться при том же световом потоке. С другой стороны, размер излучающего объема не имеет значения.

Для равномерного всенаправленного излучения сила света не зависит от расстояния от источника света — в отличие от освещенности, которая масштабируется пропорционально квадрату расстояния от источника света.

Обратите внимание, что визуальная яркость источника света определяется его яркостью, а , а не — его силой света, потому что она также зависит от размера источника.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также наше заявление о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, свяжитесь с ним e.грамм. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала проверяются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: фотометрия, световой поток, интенсивность излучения
и другие статьи в категории обнаружение и определение характеристик света

Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.грамм. через соцсети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья об интенсивности света

в
Энциклопедия RP Photonics

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
alt = "article">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/luminous_intensity.html 
статья «Интенсивность света» в энциклопедии RP Photonics]

люмен_ (шт.)


люмен (обозначение: лм ) — это единица светового потока в системе СИ, мера воспринимаемой мощности света. Световой поток отличается от лучистого потока, меры общей мощности излучаемого света, тем, что световой поток регулируется так, чтобы отражать изменяющуюся чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн света.

Рекомендуемые дополнительные знания

Определение

1 лм = 1 кд · ср = 1 лк · м 2

Пояснение

Если источник света излучает одну канделу силы света равномерно по телесному углу в один стерадиан, его общий световой поток, излучаемый под этим углом, составляет один люмен.В качестве альтернативы, изотропный источник света в одну канделу излучает полный световой поток ровно 4π люмен. Просвет можно случайно рассматривать как меру общего «количества» видимого света в некотором определенном луче или угле или испускаемого из какого-либо источника.

Стандартная североамериканская лампа накаливания мощностью 100 Вт излучает примерно 1700 люмен, а натриевая лампа мощностью 100 Вт излучает примерно 15000 люмен, что примерно в 8 раз больше. См. «Световая отдача» для получения информации об эффективности различных типов электрических источников света.

ANSI люмен

Световой поток проекторов (включая видеопроекторы) обычно измеряется в люменах. Стандартизованная процедура тестирования проекторов была установлена ​​Американским национальным институтом стандартов, которая включает в себя усреднение нескольких измерений, выполненных в разных положениях. [1] В маркетинговых целях световой поток проекторов, которые были протестированы в соответствии с этой процедурой, может быть указан в «ANSI люменах», чтобы отличить устройства, которые были протестированы таким образом, от устройств, протестированных другими методами.Измерения люменов ANSI в целом более точны, чем другие методы измерения, используемые в производстве проекторов. [2] Это позволяет легче сравнивать проекторы на основе их характеристик яркости.

Блок фотометрии СИ

SI фотометрические блоки

просмотр • обсуждение • редактирование

Количество Символ единица СИ Сокр. Примечания
Световая энергия Q v люмен секунда лм · с единиц иногда называют талботами
Световой поток Ф люмен (= кд · ср) лм также называется сила света
Сила света I v кандела (= лм / ср) кд базовый блок СИ
Яркость L v кандел на квадратный метр кд / м 2 единиц иногда называют нитами
Освещенность E v люкс (= лм / м 2 ) лк Используется для света, падающего на поверхность
Световой поток M v люкс (= лм / м 2 ) лк Используется для света, излучаемого поверхностью
Световая отдача люмен на ватт лм / Вт отношение светового потока к лучистому потоку; максимально возможное — 683. Руководство по проектору. CPILive.net (февраль 2004 г.). Проверено 20 декабря 2006.

Сила света и фотометрия

Обзор

Сила света — это одна из семи основных величин, определенных Международной системой единиц , и по существу является мерой того, сколько света излучается источником света в заданном направлении.Это также фотометрический блок , что означает, что мы измеряем видимый свет, , используя параметры, определенные в соответствии с человеческим восприятием. На этой странице будет рассмотрен ряд фотометрических значений, способы их измерения и их взаимосвязь.

Фотометрия — это отрасль науки, связанная с измерением яркости света с точки зрения человека , то есть видимого света .Его не следует путать с радиометрией , другой областью науки, связанной с измерением всего электромагнитного излучения (включая видимый свет). Фотометрия по существу измеряет яркость различных длин волн видимого света в зависимости от того, насколько чувствителен человеческий глаз к каждой длине волны.

Сила света — одна из семи основных единиц, определенных Международной системой единиц .Это мера мощности , взвешенной по длине волны, , излучаемой источником света в определенном направлении и с определенной частотой на единицу телесного угла (мы расширим это описание позже).

Используемая эталонная частота составляет 540 × 10 12 герц, что соответствует длине волны приблизительно пятьсот пятьдесят пять нанометров (555 нм) и помещает ее прямо в середину спектра видимого света.Обычно считается, что свет этой частоты и длины волны наиболее чувствителен для человеческого глаза. Единица измерения силы света в системе СИ — кандела (кд), которая формально определяется как:

«сила света в заданном направлении источника, который испускает монохроматическое излучение с частотой 540 × 10 12 герц и имеет силу излучения в этом направлении 1 / 683 ватт на стерадиан»

Видимый свет

Основным источником видимого света на Земле является Солнце.Примерно сорок четыре процента солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, составляет видимый свет. Для сравнения, только около десяти процентов энергии, излучаемой свечой, можно увидеть как видимый свет. Остальное выделяется в виде тепловой энергии (инфракрасное излучение). Солнечный свет важен, потому что он обеспечивает энергию, необходимую для фотосинтеза — химического процесса, который производит сахар (в форме крахмала) в зеленых растениях. Эти сахара потребляются другими живыми организмами, когда они поедают растения, и обеспечивают почти всю энергию, используемую всеми живыми организмами.

Когда мы говорим о видимом свете , мы обычно имеем в виду свет, который может быть обнаружен человеческим глазом, потому что этот «видимый свет» — это то, что позволяет нам видеть. Оценки диапазона длин волн, которые мы можем видеть, различаются, но нижний предел диапазона составляет около четыреста нанометров (400 нм), что соответствует частоте около семисот пятидесяти терагерц (750 × 10 12 Гц).Верхний предел диапазона составляет около семьсот нанометров (700 нм), что соответствует частоте около четыреста тридцать терагерц (430 × 10 12 Гц).

Длины волн от четырехсот нанометров до примерно десять нанометров (10 нм) относятся к ультрафиолетовой части электромагнитного спектра (EM) . Эти длины волн не могут быть обнаружены фоторецепторами (известными как стержни и колбочки ) в светочувствительной части человеческого глаза (сетчатка , ), потому что они поглощаются прозрачной передней частью глаза ( роговица ) и внутреннюю линзу глаза.Если поглощается слишком много ультрафиолетового света, это может повредить глаз и даже вызвать слепоту.

Длины волн от четырехсот до семисот нанометров обнаруживаются человеческим глазом, потому что они проходят через роговицу и хрусталик и обладают достаточной энергией, чтобы вызвать крошечные химические изменения в светочувствительных стержнях и колбочках сетчатки. Эти химические изменения стимулируют выработку нервных импульсов, которые отправляются в зрительную кору головного мозга через зрительный нерв.

Длины волн от семисот нанометров до примерно одного миллиметра (1 мм) относятся к инфракрасной части ЭМ-спектра. Некоторые длины волн инфракрасного излучения поглощаются роговицей и внутренней линзой. Волны других инфракрасных диапазонов действительно достигают сетчатки, но не обладают достаточной энергией, чтобы вызвать химические изменения в сетчатке, которые могут вызвать нервные импульсы.


Видимый свет — лишь небольшая часть электромагнитного спектра.


Многие источники тепла излучают как инфракрасное излучение, так и видимый свет.Пиковые длины волн этого теплового излучения становятся короче при повышении температуры. Вы можете увидеть эффект, когда кусок металла медленно нагревается. Сначала излучается только тепловое (инфракрасное) излучение. По мере того, как металл нагревается, пиковые длины волн перемещаются в видимую часть электромагнитного спектра, и можно увидеть слабое красное свечение.

При дальнейшем повышении температуры металла свечение становится все ярче и ярче, пока не станет почти белым.При очень высоких температурах он может даже стать бело-голубым, поскольку пиковые длины волн начинают перемещаться в ультрафиолетовую часть электромагнитного спектра.

Сначала, кроме луны и звезд, у наших предков не было другого источника света в темное время суток. В конце концов человек научился разводить огонь и изобрел различные формы искусственного освещения, в том числе факелы, сжигающие смолу, свечи из воска или животного жира и масляные лампы.

Сегодня мы полагаемся на производство электроэнергии для освещения наших домов и рабочих мест. Большинство видов транспорта вырабатывают собственную электроэнергию для освещения навигации и удобства пассажиров. Даже велосипеды могут генерировать собственный свет, если оснащены динамо-машиной. И, конечно же, чтобы предотвратить перебои в подаче электроэнергии, у большинства из нас есть хотя бы один или два фонарика с батарейным питанием и запас свечей!

Фотометрические величины

Фотометрия использует множество различных единиц измерения яркости из-за разнообразия самих источников света.Некоторые источники света излучают свет одновременно во всех направлениях (например, лампочка), а некоторые фокусируют весь свой свет в одном направлении (например, фонарик).

Другие источники света можно увидеть только на темном фоне. Восприятие яркости также меняется с расстоянием, потому что свет распространяется по мере удаления от источника света. И, конечно же, свет отражается от разных поверхностей в разной степени и в разных направлениях, в зависимости от природы поверхности и угла, под которым свет падает на нее.

Таким образом, фотометрия — довольно сложный бизнес, и количество различных единиц, используемых для измерения фотометрических величин, является отражением этой сложности. В таблице ниже перечислены основные фотометрические величины и единицы, используемые для измерения яркости, и дано краткое описание каждой из них. Обратите внимание, что некоторые фотометрические величины имеют суффикс «v». Это сделано во избежание путаницы с радиометрическими величинами.


и стерадианов Люминесцентный свет
яркость 9 0167 люмен на ватт Яркость
СИ Фотометрические величины и единицы
Кол-во Обозначение Единица Единица
Обозначение
Описание
Сила света
I v мощность на единицу телесного угла
Световой поток
Φ в люмен
(кд · ср)
лм Световая энергия в единицу времени — произведение силы света
Световая энергия
Q v люмен-секунда лм · с Энергия, излучаемая в виде света — произведение светового потока и его продолжительности
Яркость 9024 В 9008 23 L кандел на квадратный метр кд / м 2 Световая мощность на единицу телесного угла на единицу спроецированная площадь источника
Освещенность E v люкс
(лм / м 2 )
лк Световая мощность, падающая на поверхность в люменах на квадратный метр
M v люкс
(лм / м 2 )
лк Световая мощность, излучаемая с поверхности в люменах на квадратный метр
Яркость Яркость v люкс в секунду лк · с Произведение освещенности и ее продолжительности
Световая энергия

плотность
ω v люмен в секунду лм168 лм168 лм168 лм168 лм168 · М -3 Световая энергия на кубический метр
Световая отдача
η лм / Вт Отношение светового потока к лучистому потоку или потребляемой мощности, в зависимости от контекста
Световой КПД
В доля максимально возможной световой отдачи — безразмерная величина, обычно выражаемая в процентах

Функции светимости

Средняя чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн видимого света может быть смоделирована с использованием одной из широко используемых функций яркости (или световой эффективности ).В зависимости от преобладающих условий используются разные функции, потому что глаз по-разному реагирует на определенную длину волны в зависимости от того, насколько она светлая или темная.

При дневном свете или при достаточном искусственном освещении наше зрение считается фотопическим . Фотопическое зрение позволяет нам ясно видеть вещи и достаточно быстро обрабатывать визуальную информацию, которую мы получаем. Это также позволяет нам видеть цвета. В темноте или в условиях очень низкой освещенности наше зрение становится scotopic .Это означает, что мы теряем четкость зрения, и обработка визуальной информации занимает значительно больше времени. Мы также теряем способность видеть цвета.

Существует также третий тип зрения, называемый мезопическим зрением , который сочетает в себе элементы фотопического и скотопического зрения. Обычно мы используем эту третью форму зрения, когда еще не совсем темно или когда (например) нам приходится полагаться на уличное освещение.

Хотя фотометрия обычно основана на реакции глаза на источник света в хорошо освещенных условиях (т.е.е. ответ photopic ) был использован ряд различных функций яркости. Одна из причин этого заключается в том, что, как мы уже сказали, реакция глаза на разные длины волн будет различаться в зависимости от условий освещения, при которых она оценивается. Другой причиной является тот факт, что такие измерения основаны на субъективных суждениях , о том, какой из пары разноцветных огней ярче, чтобы определить относительную чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн.

Чтобы уточнить, здесь мы не используем инструменты для измерения яркости источника света (то есть его фактической мощности излучения). Функция световой отдачи описывает среднюю спектральную чувствительность человека для человеческого зрительного восприятия яркости — другими словами, это мера того, насколько ярким «средний» человек воспринимает свет на определенной длине волны. Он основан на интерпретации ответов, полученных от людей в течение многих десятилетий, и исследования продолжаются.

Различные стандартные функции световой отдачи были опубликованы Международной комиссией по освещению (CIE) или Международной комиссией по освещению , давшей ему французское название. Эта организация, базирующаяся в Вене, является международным авторитетом в области света, освещения, цвета и цветовых пространств.

Мы будем рассматривать только две функции световой отдачи для целей этого обсуждения — функцию световой отдачи для фотопических изображений , которая наилучшим образом приближает реакцию человеческого глаза при дневном свете, и функцию для скотопической световой отдачи , которая отражает изменения в световой отдаче. реакция человеческого глаза при низком уровне освещенности.

Функция фотопической яркости

В условиях хорошего освещения чувствительность человеческого глаза к видимому свету на разных длинах волн лучше всего представлена ​​функцией яркости photopic . Первоначальная функция светоотдачи В, (λ) была предложена К.С. Gibson и E.P.T Tyndall Национального бюро стандартов США в 1923 году и принят CIE в 1924 году.

Функция моделирует отношение энергии источника света с длиной волны, к которой глаз наиболее чувствителен (λ макс. ), к энергии источника света с длиной волны λ, которая вызывает такую ​​же реакцию у испытуемого. Функция была основана на данных испытаний, полученных в ряде различных лабораторий и с использованием ряда различных методов.

Были реализованы различные изменения в функции V (λ).Первое изменение произошло в 1951 году по предложению американского физика Д.Б. Джадд . Дальнейший пересмотр был предложен J. J. Vos из Instituut voor Zintuigfysiologie (Институт сенсорной физиологии) в Нидерландах в попытке исправить некоторые незначительные аномалии, внесенные предложением Джадда. Результат известен как Джадд-Вос, модифицированный CIE V (λ) , и полученная кривая проиллюстрирована ниже.

Новая функция световой отдачи V2 * (λ) была предложена в 2005 году Lindsay T.Sharpe и Andrew Stockman из Университетского колледжа Лондона, и Wolfgang Jagla и Herbert Jägle из Eberhard-Karls-University, Германия. Авторы утверждают, что новая функция улучшает исходную функцию CIE 1924 V (λ) и ее последующие модификации.

Тестирование проводится на так называемых «стандартных наблюдателях». Обычно испытуемого — человека с нормальным зрением — просят сравнить яркость монохроматического источника света на эталонной длине волны пятьсот пятьдесят пять нанометров (длина волны, к которой глаз имеет наибольшую чувствительность. ) с яркостью второго монохроматического источника света, имеющего другую длину волны.

Эталонной длине волны (555 нм) соответствует нормализованное значение световой отдачи 1,0. Первоначально, даже если оба источника света будут иметь одинаковую интенсивность излучения , эталонная длина волны будет казаться более яркой, потому что глаз более чувствителен к ней. Его яркость постепенно уменьшается до тех пор, пока испытуемый не покажет, что оба источника света имеют одинаковый уровень яркости. Затем доля, на которую была уменьшена яркость опорной длины волны, вычитается из 1.0, чтобы получить значение световой отдачи для второй длины волны. Для длин волн на обоих концах видимого спектра это значение будет стремиться к нулю.

Для получения значимых результатов большое количество «стандартных наблюдателей» должно быть протестировано во всем диапазоне видимых длин волн. Результаты для каждой длины волны усредняются, чтобы получить относительную чувствительность глаза к этой длине волны, и выводится кривая световой отдачи, подобная показанной выше (эту кривую иногда называют V-лямбда-кривой ).

Функция скотопической светимости

В условиях низкой освещенности чувствительность человеческого глаза к видимому свету на разных длинах волн изменяется и лучше всего представлена ​​функцией скотопической яркости . Это связано с тем, как работают палочки и колбочки в сетчатке глаза. Колбочки используются в основном для дневного зрения. Они не особенно чувствительны к изменениям уровня освещенности, но могут различать красные, синие и зеленые длины волн.

Жезлы играют преобладающую роль в ночном видении. Они гораздо более чувствительны к свету, чем колбочки (и их гораздо больше), но гораздо менее чувствительны к цвету. Их пиковая чувствительность в синей части спектра видимого света составляет пятьсот семь нанометров (507 нм), и они не особенно чувствительны к красному свету. Как следствие, кривая скотопической световой отдачи смещается в сторону синего конца спектра.Стандартная функция скотопической светимости V, ′ (λ) была принята CIE в 1951 году на основе измерений, полученных американскими учеными Джордж Уолд и B.H Crawford , как показано ниже.

Кривая скотопической световой отдачи была построена почти так же, как и фотопическая кривая, путем тестирования большого количества субъектов во всем диапазоне видимых длин волн и усреднения результатов для каждой длины волны.Единственное отличие состоит в том, что эталонная длина волны установлена ​​на пятьсот семь нанометров (507 нм).

Интенсивность света

Сила света является мерой взвешенной по длине волны мощности, излучаемой источником света в определенном направлении на единицу телесного угла . Чтобы полностью понять это определение, возможно, потребуется немного его разбить.Вероятно, мы должны начать с того, что сила света — это не то же самое, что интенсивность излучения , хотя эти две концепции тесно связаны.

Интенсивность излучения измеряется как полная мощность излучения, излучаемая на единицу телесного угла от точечного источника по всему электромагнитному спектру. Сила света применяется только к видимой, части электромагнитного спектра и является воспринимаемой мощностью на единицу телесного угла.

Наше восприятие яркости для данной длины волны будет зависеть от чувствительности глаза к этой длине волны. Как мы видели выше, чувствительность глаза к видимому свету достигает пика на длине волны пятьсот пятьдесят пять нанометров и может быть смоделирована с помощью функции яркости (или световой эффективности ). Это то, что мы имеем в виду, когда говорим о мощности , взвешенной по длине волны.

Другая вещь, которая может потребовать дальнейшего объяснения, — это то, что мы имеем в виду, когда говорим о единичном телесном угле (если вы достаточно хорошо знакомы с трехмерной геометрией, вы, вероятно, уже знакомы с этой концепцией).В двумерной геометрии мы часто говорим о радианах . Радиан — это угол, образуемый в центре круга дугой на окружности круга, имеющей ту же длину, что и радиус круга. Этот принцип проиллюстрирован ниже.


Дуга длиной r образует угол в 1 радиан (57,3 °).


Теперь представьте сферу радиуса r .Предположим, у нас есть часть сферы, отсеченная плоскостью (она известна как сферический колпачок или сферический купол ) и имеет площадь поверхности r 2 . Если мы проведем линию от каждой точки по периметру этой области к центру сферы, у нас будет сферический сектор . Сферическая крышка с площадью r 2 образует телесный угол (вы можете думать об этом как трехмерный угол) на один стерадиан в центре сферы.Принцип показан ниже.


Сферический колпачок площадью r 2 образует телесный угол в 1 стерадиан.


В контексте мощности, излучаемой источником света, вы можете представить стерадиан как световой конус, распространяющийся из точки в центре сферы с радиусом в один метр. Свет будет освещать площадь в один квадратный метр на внутренней поверхности сферы.

Единица силы света — кандела, (кд), базовая единица СИ. До появления канделы для определения силы света использовалось несколько различных единиц, большинство из которых основывались на яркости «стандартного» пламени свечи (обычная свеча излучает свет со средней силой света примерно в одну канделу). Одна из проблем заключалась в том, что спецификации, используемые для «стандартной» свечи, варьировались от страны к стране.Фактически, в некоторых странах вместо свечей использовались масляные лампы, поэтому в целом было мало единообразия.

Дело немного продвинулось вперед в 1909 году, когда США, Франция и Великобритания приняли единицу под названием международная свеча на основе мощности определенного типа лампы накаливания с углеродной нитью, но этот стандарт не был принят в других частях страны. Вскоре стало очевидно, что стандарт, основанный на лампах накаливания, будет лишь временным решением.Требовалась гораздо более строго определенная единица.

В начале 1930-х годов идеальное решение, казалось, представило себя в виде планковского радиатора . Планковский радиатор — это идеальный излучатель черного тела (материал, который поглощает и излучает лучистую энергию). Он подчиняется закону излучения Планка , названному в честь немецкого физика-теоретика Макса Карла Эрнста Людвига Планка (1858-1947).

Планковский излучатель не только поглощает все падающее излучение, но и излучает излучение на всех длинах волн, при этом спектральное распределение мощности зависит только от длины волны и температуры. Другими словами, если у нас есть идеальный планковский излучатель при известной температуре, мы можем предсказать мощность испускаемого излучения для данной длины волны.

В 1939 г. Консультативный комитет по фотометрии внес предложение в Международный комитет мер и весов (CIPM) о новом определении единицы силы света.Переопределенный блок должен был называться «новая свеча» и был основан на силе света планковского радиатора при температуре замерзающей платины — две тысячи сорок пять кельвинов (2045 k). Процессы были прерваны Второй мировой войной, но к 1946 году определение «новой свечи» было более или менее согласовано и выглядело следующим образом:

«Стоимость новой свечи такова, что яркость полного радиатора при температуре застывания платины составляет 60 новых свечей на квадратный сантиметр.»

Новая единица измерения была принята CIPM на 9-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) в 1948 году. В 1967 году 13-я CGPM решила отказаться от названия «новая свеча» в пользу «кандела» (латинское слово для свечи) и изменили определение канделы, указав, что затвердевающая платина подвергалась давлению 101 325 паскаль или 101 325 ньютон на квадратный метр (другими словами, стандартное атмосферное давление).Таким образом, пересмотренное определение было следующим:

«Кандела — это сила света в перпендикулярном направлении поверхности 1/600 000 квадратных метров черного тела при температуре замерзания платины под давлением 101 325 ньютонов на квадратный метр».

Однако новое определение будет недолговечным. Оказалось, что создать радиатор Planck с требуемыми характеристиками в лабораторных условиях оказалось гораздо сложнее, чем предполагалось, не в последнюю очередь из-за высоких температур.Кроме того, успехи в радиометрии означали, что стали доступны новые методы измерения электромагнитного излучения, включая измерение интенсивности видимого света.

16-я Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) в 1979 году приняла определение канделы, которое мы видели в начале этой страницы и которое мы воспроизводим здесь:

«сила света в заданном направлении источника, который испускает монохроматическое излучение с частотой 540 x 10 12 герц и имеет силу излучения в этом направлении 1 / 683 ватт на стерадиан»

На первый взгляд произвольный выбор дроби 1 / 683 был сделан для того, чтобы гарантировать, что новое определение канделы даст ей то же значение, что и старое определение.Частота, выбранная для монохроматического источника света, соответствует длине волны пятьсот пятьдесят пять нанометров (555 нм), что, как мы видели, является длиной волны, к которой глаз наиболее чувствителен.

Возможно, наиболее важным аспектом этого переопределения канделы является то, что оно позволяет нам вывести следующую формулу для определения силы света монохроматического света определенной длины волны:

I v = 683 × V (λ) × I e

куда:

I v — сила света в канделах (кд)
I e — сила излучения в ваттах на стерадиан (Вт / ср)
V (λ) — стандартная функция яркости

В большинстве случаев, конечно, мы хотим измерить источник света , полихроматический (т.е.е. он будет содержать излучение с более чем одной длиной волны). В этом случае необходимо суммировать или интегрировать по спектру имеющихся длин волн, чтобы получить силу света источника света. Мы можем изменить формулу, чтобы отразить это следующим образом:

I v = 683 V (λ) d I e (λ) 9016

Теперь у нас есть средство, с помощью которого мы можем использовать современные радиометрические методы для измерения силы излучения источника света и получения из нее силы света источника света.Назначение функции яркости V (λ) в этих формулах состоит в том, чтобы присвоить весовой коэффициент интенсивности излучения каждой длины волны, измеренной в соответствии со средней чувствительностью человеческого глаза к этой длине волны.

Еще один момент, который стоит упомянуть и который, возможно, пришел вам в голову, заключается в том, что если мы используем какой-либо датчик для измерения интенсивности излучения источника света, значение полученных показаний будет зависеть от того, как далеко находится датчик от источник света, потому что свет распространяется по мере удаления от источника.Однако это не проблема, потому что мы используем датчик с принимающей областью известного размера для измерения принимаемого света.

Независимо от расстояния между датчиком и источником света (в метрах), на один стерадиан будет квадратом этого расстояния . Допустим, у нас есть датчик с площадью приема на один квадратный сантиметр, , и что это точно на один метр от источника света. стерадиан в этом случае будет один квадратный метр . Площадь нашего датчика составляет один квадратный сантиметр , что составляет одна десятитысячная квадратного метра (т.е. одна десятитысячная стерадиана ). Поэтому мы умножаем измеренную интенсивность излучения на десять тысяч, чтобы получить интенсивность излучения на стерадиан .

Световой поток

Световой поток или Световая мощность является мерой воспринимаемой мощности света, излучаемого во всех направлениях источником света в единицу времени.Световой поток не то же самое, что и световой поток , хотя эти два понятия тесно связаны. Лучистый поток является мерой общей мощности электромагнитного излучения, испускаемого источником на всех длинах волн , тогда как световой поток является мерой электромагнитного излучения, испускаемого только на тех длинах волн, которые попадают в видимую часть электромагнитного спектра, взвешены в соответствии со средней чувствительностью человеческого глаза к каждой длине волны.

Единица светового потока в системе СИ — люмен и лм. Один люмен определяется как световой поток, излучаемый в один единичный телесный угол (т.е. один стерадиан ) изотропным источником света с силой света в одну канделу (изотропный источник света — это тот, который излучает свет во всех направлениях. с такой же интенсивностью). Таким образом, световой поток является произведением силы света и стерадиан (кд · ср).

Рассмотрим изотропный источник света с силой света в одну канделу. Мы знаем, что один стерадиан — это телесный угол, образованный областью на поверхности сферы, равной квадрату радиуса сферы ( r 2 ). Мы также знаем, что общая площадь поверхности сферы составляет , четыре раза в пи, умноженные на радиус сферы в квадрате (4π r 2 ). Таким образом, полный телесный угол, образуемый сферой, равен π стерадианам.Таким образом, общий световой поток ( Φ v ), создаваемый нашим источником света, определяется следующим образом:

Φ v = 4π лм ≈ 12,57 лм

Световой поток источника света в люменах является мерой его общей светоотдачи, тогда как сила света является мерой того, насколько ярким кажется свет в определенном направлении. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим фонарик с общим световым потоком двести люмен (200 лм), который излучает световой конус с телесным углом в одну десятую стерадиана (0.1 ср). Мы бы рассчитали силу света луча нашего фонарика следующим образом:

I v = 200 лм и дел; 0,1 ср = 2000 кд

Теперь рассмотрим изотропный источник света с таким же общим световым потоком (двести люмен). Как мы видели, изотропный источник света покрывает телесный угол 4π стерадиан, поэтому сила света (в любом направлении) нашего изотропного источника света будет рассчитана следующим образом:

I v = 200 лм и дел; 4π ср = 15.915 кд

Свет от фонарика обычно кажется намного ярче, чем свет от лампы накаливания, хотя общий световой поток, создаваемый фонариком, может быть на самом деле намного меньше, чем общий световой поток, создаваемый лампочкой. Это связано с тем, что свет от фонарика концентрируется в узком луче, тогда как лампочка может считаться изотропным источником света , потому что она излучает свет (почти) во всех направлениях.


Луч фонарика кажется во много раз ярче, чем свет лампы накаливания.


Например, лампа накаливания мощностью семьдесят пять ватт (75 Вт) с питанием от сети дает около одиннадцатьсот люмен, (1100 лм) и имеет силу света примерно восемьдесят пять кандел, (85 кд). Для сравнения (по данным его производителей) светодиодный фонарик Mini MAGLITE , работающий от двух батареек AAA, дает сто одиннадцать люмен, (111 лм) и имеет максимальную интенсивность луча две тысячи семьсот двенадцать кандел (2712 кд).Если рассматривать это в контексте, фонарик производит одну десятую светового потока лампы накаливания, но он более чем в тридцать раз ярче.

Световой поток , создаваемый источником света, представляет собой физическую величину, которую можно объективно измерить с помощью соответствующего оборудования и методов. Световой поток источника света , как мы уже сказали, представляет собой воспринимаемую мощность источника света. Световая отдача (обозначение: η ) источника света — это отношение светового потока к лучистому потоку или потребляемой мощности, в зависимости от контекста, и выражается в люмен на ватт (лм / Вт).

Световая отдача современной лампочки обычно выражается в ее потребляемой мощности. Если мы хотим найти световой поток лампочки, мы можем использовать следующую формулу для преобразования ватт в люмены:

Φ v = P × η

куда:

Φ v — световой поток в люменах (лм)
P — потребляемая мощность в ваттах (Вт)
η — световая отдача лампы в люменах на ватт (лм / Вт)

В наши дни световой поток и номинальная мощность коммерчески доступной лампочки неизменно указываются на упаковке, а также публикуются в паспорте производителя, поэтому такие вычисления обычно не требуются.Производитель должен провести всестороннее тестирование своей продукции, чтобы удостовериться в данных такого рода, прежде чем выпускать ее на рынок.

Тем не менее, физики иногда сталкиваются с необходимостью измерить лучистый поток источника света и рассчитать соответствующий ему световой поток. Это возвращает нас к световой отдаче — безразмерной величине, которая выражает световую отдачу источника света как долю максимально возможной световой отдачи для этого источника света.

В фотопических условиях длина волны видимого диапазона, обеспечивающая максимально возможный световой поток, составляет пятьсот пятьдесят пять нанометров (555 нм), потому что это длина волны, к которой глаз наиболее чувствителен. На этой длине волны световой поток составит шестьсот восемьдесят три люмена на ватт (683 лм / Вт). По определению, это значение также является максимально возможной эффективностью источника света, и ему присвоена световая отдача на (1.0).

В скотопических условиях глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны пятьсот семь нанометров (507 нм). Палочки в сетчатке, отвечающие за ночное зрение, гораздо более многочисленны и гораздо более чувствительны к свету, чем колбочки. Следовательно, световая отдача монохроматического света на этой частоте достигает максимального значения семнадцать сотен люмен на ватт (1700 лм / Вт).

Помните, что световой поток — это воспринимаемая мощность источника света. Это зависит от чувствительности глаза ко всему спектру видимых длин волн, излучаемых источником, и от потока излучения (или мощности излучения ), создаваемого на каждой длине волны. Мы взвешиваем лучистый поток на каждой длине волны, используя функцию яркости V-lambda . Общий световой поток источника света, таким образом, равен взвешенной сумме мощности всех присутствующих видимых длин волн.

Формула светового потока монохроматического источника света выглядит следующим образом:

Φ v = Φ e × V (λ) × 683 лм / Вт

куда:

Φ v — световой поток в люменах (лм)
Φ e — лучистый поток в ваттах (Вт)
V (λ) — функция световой отдачи

Найти световой поток для полихроматического источника света несколько сложнее, потому что нам нужно установить спектральное распределение мощности для источника (т.е.е. мощность излучения каждой присутствующей видимой длины волны). Общий световой поток источника равен сумме световых потоков всех видимых длин волн.

Освещенность

Освещенность определяется как общий световой поток , падающий на поверхность, в люменах на квадратный метр (лм / м 2 ). Это показатель того, насколько хорошо падающий свет освещает поверхность.Единицей освещенности в системе СИ является люкс (обозначение: лк). Освещенность в прошлом называлась «яркостью», но от этого термина отказались, потому что он, как правило, также использовался как синоним яркости, что не одно и то же.

Концепция, тесно связанная с освещением, — это световая экспозиция — количество светового потока на квадратный метр, падающего на поверхность за определенный период времени. Световая экспозиция — это произведение освещенности и продолжительности периода времени в секундах.


Освещенность освещает объект или поверхность; яркость — это то, что видит глаз


Уровень освещенности, падающий на поверхность из-за изотропного источника света, зависит от трех факторов. Он прямо пропорционален интенсивности источника света. Это также зависит от расстояния между источником света и освещаемой поверхностью, потому что свет распространяется по мере удаления от источника.Наконец, это зависит от угла, под которым свет падает на поверхность .

В 1760 году швейцарский энциклопедист Иоганн Генрих Ламберт (1728-1777) опубликовал свою книгу Photometria , в которой точно описал ряд фотометрических принципов и определил ряд важных фотометрических величин. Работа Ламберта была вехой в области фотометрии, потому что это был первый текст, описывающий фотометрические величины и отношения между ними в математических терминах.По сути, работа Ламберта внесла ясность в предмет, который ранее был плохо понят.

Ламберт определил два важных закона, касающихся освещенности. Первый из этих законов известен как закон обратных квадратов . Он утверждает, что освещение на поверхности из-за точечного источника света обратно пропорционально квадрату расстояния между источником света и поверхностью. Второй — это закон косинуса Ламберта , который гласит, что освещение на поверхности изменяется как косинус угла падения.Используя комбинацию этих законов, мы можем выразить освещенность E v в точке на поверхности следующим образом:

E v = I v cos ( θ )
d 2

куда:

E v — освещенность в люксах (лк)
I v — сила света источника света в канделах (кд)
θ — угол падения (угол между светом и нормаль к освещенной поверхности)
d — расстояние от источника света до целевой точки в метрах (м)

Выше мы заявили, что освещенность — это полный световой поток, падающий на поверхность, в люменах на квадратный метр.Поскольку одна кандела представляет один люмен на стерадиан, мы также можем выразить освещенность E v в точке на поверхности как:

E v = Φ v cos ( θ )
d 2

куда:

Φ v — световой поток в люменах (лм)

Обратите внимание, что приведенные выше формулы действительно применимы только в том случае, если источник света можно рассматривать как точечный.Для расширенного источника света требуемые вычисления несколько сложнее и выходят за рамки этого обсуждения.


Освещенность E v зависит от силы света I v источника, расстояния d от источника и угла падения θ


Уровень освещенности E v (в люксах), падающий на данную область, можно рассчитать как частное светового потока Φ v (в люменах), падающего на рассматриваемую область, и размера площадь (в квадратных метрах):

Сложная часть здесь состоит в том, чтобы определить, сколько светового потока на самом деле падает на указанную область.Мы часто сталкиваемся с экзаменационными вопросами, которые требуют расчета освещенности, падающей на поверхность. Вопрос обычно дает силу света источника света и расстояние до поверхности. Например:

«Точечный источник света в семьдесят пять кандел находится в двух с половиной метрах от картины. Какая освещенность на картине в люксах?»

Если не указано иное, обычно требуется рассчитать освещенность для точки на целевой поверхности , ближайшей к источнику света.Если в вопросе специально не указано иное, вы должны принять угол падения равным нулю. Обратите внимание, что способ, которым вы должны сформулировать свой ответ, может варьироваться в зависимости от того, кто ставит экзамен — вы можете, например, увидеть модельное решение вышеуказанной проблемы, написанное примерно так:

Φ v = 4π × 75 кд = 300π лм

E v = Φ v = 300 π лм = 12 лк
r 2 4 4 5 м) 2

Напомним, вот две стандартные формулы, о которых вам следует знать в этом отношении:


(1) Освещенность = световой поток × косинус (угол падения)
4π × расстояние 2

сила света × косинус (угол падения)
расстояние 2

Эти формулы дают один и тот же результат, который представляет собой освещенность, измеренную в люменах на квадратный метр в точке, которая находится на заданном расстоянии от изотропного (точечного) источника света и под заданным углом падения.

Расчет средней освещенности от изотропного источника света, падающего на плоскую поверхность, возможно только в том случае, если мы знаем общее количество светового потока, падающего на эту поверхность. Поскольку и угол падения, и расстояние от источника света будут непрерывно изменяться по плоской поверхности, это значение вычислить гораздо сложнее.

Давайте посмотрим на другой пример.Предположим, мы хотим рассчитать освещенность, падающую на стол от лампы накаливания мощностью 100 Вт, производящей 1700 люмен, подвешенной на два метра над точным центром стола. Чтобы не усложнять ситуацию, мы будем рассматривать лампочку как изотропный точечный источник света. Освещенность E v , падающая на точку в центре нашего стола, определяется по формуле:

E v = Φ v cos ( θ )
d 2

На данный момент мы можем игнорировать косинусный член, поскольку источник света находится прямо над центром стола, а это означает, что угол падения равен нулю градусов.Итак, для нашей лампы накаливания освещенность, падающая на точку в центре стола, равна:

E v = 1700 = 33,820 лк
4π × 4

Только самый центр стола находится ровно в двух метрах от источника света. Все остальные точки на поверхности стола находятся дальше, и свет от источника падает на эти точки под разными углами.Например, используя базовую геометрию и тригонометрию, мы можем определить, что каждый угол стола находится на расстоянии 2,29 метра от источника света, и что свет, падающий на каждый угол, будет составлять угол с нормалью в 35,13 градуса. Подставляя эти значения в нашу формулу освещенности, мы получаем:

E v = 1700 × cos (35,13 °) = 21,098 лк
4π × (2,29) 2

Чтобы понять, почему угол падения имеет такое значение, нам нужно рассмотреть, что происходит, когда параллельный луч света от протяженного источника падает на плоскую поверхность.Например, можно считать, что свет от Солнца освещает плоскую поверхность равномерно, потому что Солнце настолько далеко, что световые лучи Солнца, падающие на поверхность, можно считать параллельными.

Представьте себе параллельный луч света прямоугольного сечения, движущийся через пространство в заданном направлении. Мы можем измерить световой поток на единицу площади (известный как плотность светового потока ) этого луча света в любой точке по его длине и получить тот же результат, потому что луч параллелен — он не сходится и не расходится.Что произойдет, если луч упадет на плоскую поверхность под углом? Схема ниже иллюстрирует эту концепцию.


Параллельный луч света, падающий на плоскую поверхность


Площадь A — это область, освещенная лучом. Размер области A, и, следовательно, количество светового потока на единицу площади, приходящейся на площадь A , будет зависеть от угла падения θ .Если размер угла увеличивается, увеличивается и размер освещенной области.

Освещенность E , падающая на воображаемую поверхность, состоящую из площади поперечного сечения луча в любой точке по его длине, эквивалентна плотности светового потока параллельного луча света, которая равна световому потоку Φ (в люменах), деленное на площадь поперечного сечения луча A cos ( θ ) (в квадратных метрах):

Поскольку такое же количество светового потока падает на поверхность A , освещенность E θ на A определяется по формуле:

И поэтому:

E θ = E cos ( θ )

Яркость

Яркость определяется как световая мощность на единицу телесного угла на единицу площади проекции источника.Другими словами, это сила света на единицу площади, проходящая через объект или поверхность, излучаемая или отражаемая объектом или поверхностью в заданном направлении. Единица измерения яркости в системе СИ — кандела на квадратный метр (кд / м 2 ), иногда называемая нит .

Концепция, тесно связанная с концепцией яркости, — это выходная светимость (также известная как световая эмиссия), которая представляет собой общий световой поток на единицу площади, излучаемый с поверхности в люменах на квадратный метр, и который, как и освещенность, имеет значение в люксах как свой блок.

Яркость часто используется для характеристики света, излучаемого или отраженного плоской диффузной поверхностью . Поверхность diffuse — это поверхность, которая отражает падающий на нее свет в многих направлениях (в отличие от зеркала, которое отражает свет только в одном направлении). Поверхность, которая идеально рассеивается и равномерно отражает падающий на нее свет во всех направлениях, иногда называется ламбертовской поверхностью , в честь Иоганна Ламберта (см. Выше), который впервые описал такую ​​поверхность в своей книге Photometria .

Яркость также часто используется для характеристики яркости экранов дисплея. Например, типичный компьютерный экран имеет яркость от пятидесяти до трехсот кандел на квадратный метр. Ноутбуки и персональные компьютеры, планшеты, электронные книги и мобильные телефоны, как правило, имеют экраны с рассеянной поверхностью, потому что это помогает рассеивать окружающий свет, а не отражать его обратно к пользователю. Такие экраны часто называют «антибликовыми».

Яркость, излучаемая поверхностью, определяет, насколько яркой будет поверхность для наблюдателя. Фактически, когда мы смотрим на объект, на самом деле мы видим его яркость. Воздействие слишком высокой яркости, даже в течение короткого времени, может необратимо повредить ваше зрение из-за местного нагрева сетчатки, поэтому (например) вы никогда не должны смотреть прямо на Солнце без каких-либо защитных очков. Солнце в полдень имеет яркость около одна целая шесть миллиардов кандел на квадратный метр (1.6 × 10 9 кд / м 2 )!

Степень, в которой поверхность отражает электромагнитное излучение (включая, конечно, видимый свет), называется коэффициентом отражения , определяемым как отношение отраженного лучистого потока к падающему лучистому потоку . Степень, в которой поверхность отражает видимый свет, иногда называют ее значением коэффициента отражения света (LRV). Для целей этого обсуждения мы будем называть его просто отражательной способностью (R v ).Темная поверхность, которая полностью поглощает падающий на нее свет, имеет коэффициент отражения ноль . Белая поверхность, которая отражает весь свет, имеет коэффициент отражения один .

Вы можете инстинктивно почувствовать, как работает яркость, используя чистый лист белой матовой бумаги. Бумага, как правило, ведет себя как идеальная диффузно отражающая поверхность (за исключением случая, когда ее рассматривают под углом очень наклонный) и равномерно рассеивает падающий свет во всех направлениях.Поместите бумагу в такое место, где она будет равномерно освещена, а затем перемещайтесь по комнате, чтобы рассмотреть бумагу под разными углами и с разных расстояний. Вы должны обнаружить, что количество света, отражаемого бумагой, не меняется.

Учитывая то, что мы знаем о том, как расстояние и угол падения влияют на степень, в которой источник света освещает поверхность, вы можете задаться вопросом, как возможно, чтобы видимая яркость освещенной поверхности (т.е. его яркость) не меняется существенно, независимо от угла обзора или расстояния между поверхностью и наблюдателем. Давайте сначала разберемся с вопросом о расстоянии.

Предположим, мы представляем каждую точку на поверхности бумаги как точечный источник света. Согласно закону обратных квадратов, плотность светового потока света, исходящего от этого источника, будет обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником и наблюдателем.Однако размер изображения, проецируемого на сетчатку глаза, также будет обратно пропорционален квадрату расстояния между источником и наблюдателем. Это эффективно нейтрализует эффект закона обратных квадратов, поскольку он относится к плотности светового потока, так что мы воспринимаем яркость поверхности как постоянную независимо от расстояния.

Аналогичная ситуация существует и с углом обзора. Как и освещенность, яркость подчиняется закону косинуса Ламберта.Этот закон применительно к яркости гласит, что сила света в заданном направлении, излучаемая или отраженная идеально рассеивающей плоской поверхностью, изменяется как косинус угла между этим направлением и нормалью к поверхности . Однако освещенная поверхность выглядит одинаково яркой под любым углом, поскольку видимый размер поверхности , видимый наблюдателем, также будет увеличиваться или уменьшаться на соответствующую величину при изменении угла обзора.

Для идеально рассеянной поверхности с коэффициентом отражения и яркость поверхности может быть выражена через падающую на эту поверхность освещенность следующим образом:

куда:

L v — яркость в канделах на квадратный метр (кд / м 2 )
E v — освещенность в люксах (лк)

Яркость L v точечного источника света в заданном направлении определяется по следующей формуле:

L v = d 2 Φ v
d Σ dΩcos Σ θ

2

θ

2

куда:

L v — яркость в канделах на квадратный метр (кд / м 2 )
d 2 Φ v — световой поток в люменах (лм) на выходе из площади d Σ в любом направление внутри телесного угла d Φ Σ
d Σ — бесконечно малая площадь точечного источника света в квадратных метрах (м 2 ). стерадианы (ср) в указанном направлении
θ Σ — угол между нормалью к d Σ и указанным направлением

Если среда, через которую свет проходит от точечного источника света, не имеет потерь, яркость в данном направлении останется неизменной независимо от расстояния.

Мы не собираемся слишком глубоко углубляться в математические концепции, лежащие в основе этой формулы. Достаточно сказать, что для точного расчета яркости поверхности из-за света, падающего на эту поверхность от конкретного источника света, потребуется значительный объем вычислений. Для многих приложений это просто непрактично, но существуют различные методы для получения достаточно точного приближения.

Для тех из вас, кто интересуется математикой, соотношение между яркостью отражающей поверхности и освещением, получаемым этой поверхностью, определяется следующей формулой:

9017 9017 907 900 Ом Σ
L v d Ом Σ cos θ Σ = M v = E v

Где интеграл охватывает выбросы для всех направлений излучения Ом Σ и:

M v — выходная светимость поверхности
E v — освещенность , полученная поверхностью
R — коэффициент отражения поверхности

Для идеально рассеянного (т.е. Ламбертиан) отражающей поверхности, яркость изотропна, и соотношение между яркостью и освещенностью становится намного проще:

L v = E v R / π

Фотометрические измерения

Устройства для измерения света делятся на две очень широкие категории — те, которые измеряют свет радиометрически , которые обеспечивают объективное измерение света на основе света всех длин волн и обычно дают результаты в единицах Вт, (мощность) или Дж, (энергия). ), и те, которые измеряют свет фотометрически , которые обеспечивают субъективную оценку света на основе средней чувствительности человеческого глаза к длинам волн в видимом спектре.

Здесь нас интересует последний тип светомера, который выдает результаты в фотометрических единицах. Поэтому мы должны быть осторожны при обсуждении фотометрии и при исследовании приложений фотометров, чтобы различать инструменты, разработанные исключительно для измерения фотометрических величин, и те, которые предназначены для измерения гораздо более широкого диапазона (радиометрических) величин.

Чисто фотометрические инструменты обычно используются для измерения таких величин, как световой поток , (аналог радиометрической мощности), сила света , сила света (световой поток на единицу телесного угла, т.е.е. в заданном направлении), и освещенность , (световой поток, падающий на заданную площадь поверхности). Соответствующие единицы для этих величин: люмен, (лм), кандела, (кд) и люкс, (лк).

До того, как были разработаны современные фотометрические инструменты, фотометрические измерения в основном выполнялись путем сравнения исследуемого источника света неизвестной интенсивности с одним или несколькими источниками света, интенсивность которых была уже известна.Этот процесс в значительной степени зависел от человеческой наблюдательности и способности человеческого глаза различать источники света разной интенсивности.

Возможно, самый ранний образец «фотометра», который, как полагают, был изобретен в начале девятнадцатого века, представляет собой лист бумаги с жирным пятном в центре, установленный на подвижной раме, образующей грубый экран. Смазка делает бумагу полупрозрачной, (почти прозрачной).

Экран помещается между двумя источниками света: A и B . Предположим, что интенсивность источника света A известна, и что мы хотим найти интенсивность источника света B . Источник света Горит (свеча или электрическая лампочка). Когда вы смотрите на экран с той же стороны, что и источник света A, , жирное пятно кажется на темнее , чем окружающая бумага, потому что больше света проходит через бумагу в этой точке, а не отражается обратно в вашем направлении.


Простой фотометр жирных пятен


Если вы посмотрите на экран с в другом направлении, , жирное пятно будет на ярче , чем окружающая его область, потому что в этот момент через экран по направлению к вам будет больше света.

Источник света B должен теперь гореть, и вы должны вернуться в исходное положение.Теперь, глядя на экран, вы должны обнаружить, что пятно менее темное, чем было в первый раз, потому что теперь через него проходит немного света в противоположном направлении от источника света B (фактически, в зависимости от интенсивность источника света B , он может даже казаться на ярче , чем окружающая бумага).

Идея состоит в том, чтобы перемещать экран вперед и назад между источниками света до тех пор, пока пятно жира не перестанет быть видимым с обеих сторон (или, по крайней мере, до тех пор, пока оно не будет выглядеть одинаково с обеих сторон).Вы должны обнаружить, что есть только одна точка между двумя источниками света, где это происходит, потому что каждая сторона экрана будет освещена в одинаковой степени.

Мы уже знаем, что освещенность, падающая на точку из-за источника света, обратно пропорциональна расстоянию между источником света и освещаемой точкой. Исходя из этого, мы можем сделать вывод, что отношение интенсивностей света двух наших источников света будет равно отношению квадратов расстояний между каждым источником света и экраном, когда экран находится в точке, где обе стороны экран получит такую ​​же подсветку.

Мы можем выразить это отношение алгебраически. Назовем расстояние между источником света A и экраном d 1 , а расстояние между источником света B и экраном d 2 . Тогда у нас есть:

I vA = d 1 2
I vB d vB d 2

2

9 куда:

I vA — сила света источника света A

а также

I vB — сила света источника света B

Переставляя уравнение, получаем:

I vB = I vA × d 2 2
d 1 2
Аппарат, который мы описали выше, относительно легко установить — например, в школе или лаборатории колледжа — относительно рентабелен и дает достаточно точные результаты, если внимательно относиться к наблюдениям и измерениям.

Для последовательного измерения фотометрических величин с высокой степенью точности нам, очевидно, потребуется гораздо более сложное фотометрическое измерительное устройство. Большинство современных фотометров обнаруживают свет, исходящий от источника света, с использованием электронных компонентов, таких как фоторезисторы , фотодиоды или фотоумножители .

Технические характеристики конкретного фотометра будут зависеть от области применения, для которой он предназначен.Одно из приложений, с которым вы, вероятно, знакомы, — фотография, в которой уровни света, присутствующие в сцене, будут определять, как долго датчик камеры (или пленка, в случае устаревшей нецифровой камеры) должен подвергаться воздействию света. проходя через апертуру камеры.

Когда-то фотографы использовали экспонометр (иногда называемый экспонометром ), который был полностью отдельным устройством от самой камеры, для измерения уровня внешней освещенности перед съемкой.Сегодня большинство камер имеют встроенный экспонометр, который по умолчанию автоматически регулирует выдержку, хотя профессиональные фотографы или серьезные фотографы-любители часто все еще используют отдельное устройство для проверки уровня освещенности.

Одним из важных применений фотометрии является оценка условий освещения на рабочем месте. Уровни освещения должны быть достаточными, чтобы сотрудники могли комфортно и эффективно выполнять свою работу, а это означает, что должен быть соответствующий уровень света, падающего на поверхности, на которых работают операторы.Избыточный контраст, блики и мерцающие источники света в поле зрения также могут вызывать проблемы.

Измерение уровней освещения на рабочем месте в основном связано с обеспечением адекватного и, насколько это возможно, равномерного освещения рабочей зоны для удовлетворения требований конкретного вида рабочей деятельности. Таким образом, интересующий показатель — это , освещенность, (то есть количество света, падающего на единицу площади рабочей поверхности).Для проведения необходимых измерений используется прибор люксметр .

Общий световой поток , генерируемый источником света (например, лампой или лампочкой), часто измеряется с помощью устройства, называемого фотометром с интегрирующей сферой . Как следует из названия, эти устройства имеют форму полой сферы, смонтированной в жесткой раме и обычно изготовленной из стекловолокна или алюминия. Сфера может варьироваться по размеру от нескольких сантиметров до нескольких метров в диаметре, а внутренняя часть сферы равномерно покрыта белым, хорошо отражающим и сильно рассеянным материалом.

Источник света, который необходимо измерить, может быть помещен внутри сферы или установлен заподлицо с отверстием на поверхности сферы, называемым входным портом , так, чтобы весь свет от источника света попадал в сферу. Свет от источника света отражается внутри отражающим покрытием сферы. Из-за диффузного характера покрытия свет, отраженный в каждой точке внутренней поверхности сферы, отражается одинаково во всех направлениях.

Отраженный свет от источника света измеряется детектором, установленным внутри другого отверстия на поверхности сферы, называемого выходным портом . Перегородка , покрытая тем же материалом, что и внутренняя часть сферы, предотвращает попадание света от источника света прямо на детектор. Только непрямой свет, который был многократно отражен, т.е. «интегрирован», достигнет детектора. Выходную мощность тестируемого источника света обычно сравнивают с выходной мощностью одного или нескольких стандартных источников света с известными выходными значениями, по которым интегрирующая сфера откалибрована по световому потоку.


Схема интегрирующей сферы Gooch & Housego OL IS-1800
Изображение: www.opteema.com


Существует ряд других видов приборов для измерения света. Например, гониофотометр часто используется для измерения светового потока от устройств твердотельного освещения (SSL), в которых используются светодиоды различных типов, поскольку эти источники света имеют тенденцию быть направленными.Гониофотометр в основном используется для измерения света, излучаемого источником света под разными углами.

Гониофотометры получили более широкое распространение в последние годы из-за строгих правил, касающихся пространственного распределения света в автомобилях. Гониофотометр также можно использовать для определения общего светового потока источника света путем проведения измерений в широком диапазоне углов. Этот процесс занимает относительно много времени по сравнению с использованием интегрирующей сферы, но дает значительно более точные результаты.


Сила света — единицы, определение и ответы на часто задаваемые вопросы

Сила света — это мера мощности, взвешенной по длине волны, излучаемой источником света в определенном направлении на единицу телесного угла. Он основан на функции светимости, стандартной модели чувствительности человеческого глаза. Единицей силы света в системе СИ является кандела или кд, это базовая единица СИ.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

В этой статье мы подробно рассмотрим следующие темы:

  1. значение силы света

  2. Единица силы света

  3. Определение силы света

  4. Единица светового потока в системе СИ

Сила света

Сила света — это выражение, которое описывает количество световой мощности, излучаемой точечным источником в пределах телесного угла в один стерадиан.

Например, указана частота 540 терагерц, т.е. 540 ТГц или 5,40 x 10¹⁴Гц. Здесь частота 540 ТГц соответствует длине волны около 555 нанометров (нм), которая находится в середине спектра видимого света и обычно считается приемлемой, и человеческий глаз чувствителен к этой длине волны.

Величины, используемые для выражения силы света, очевидны для большинства неспециалистов.

Стерадиан — стандартная единица телесного угла; сфера охватывает 4 п, что примерно равно 12.57 стерадианов.

Единица силы света

Сила света обозначается как LV. В системе СИ единицей силы света является кандела или кд; однако у нас есть еще две единицы силы света; это следующие:

  • Steradian

  • Hefner Kerze

  • Candlepower

Определение силы света

Для понимания определения силы света; Давайте посмотрим на историю силы света:

Десятилетия назад сила света измерялась с помощью единицы, называемой свечой.Это выражение возникло из-за того, что одна свеча в среднем представляла количество видимого излучения, испускаемого пламенем свечи.

Описание неточно, так как горящие свечи различаются по яркости. Итак, какое-то время в качестве стандарта использовалось определенное количество излучения от элемента, например, платины при температуре замерзания.

Затем, в конце 20 века, была представлена ​​кандела, и эта единица измерения была принята как стандартная единица силы света.

Одна кандела

Одна кандела или 1 кд — это величина электромагнитного поля или ЭМ-поля в определенном направлении, которая имеет уровень мощности, эквивалентный полю видимого света 1/683 Вт 1.46 x 10⁻³ Вт на стерадиан при 540 ТГц.

Здесь мы также обсуждали световой поток. Итак, световой поток — это количество электромагнитного излучения, испускаемого любым источником. Единица светового потока в системе СИ — люмен.

Итак, что такое световой поток?

Световой поток

Световой поток показывает нам, сколько света испускает любой источник света. Это относится к свету в видимом диапазоне, излучаемому светодиодной лампой во всех направлениях. Физическая единица светового потока называется люмен и является аббревиатурой от лм.Со старыми источниками света яркость / резкость можно было хорошо сравнить на основе мощности.

Единица силы света

Единицей светового потока в системе СИ является люмен или просто лм.

До 19 мая 2019 года мы определяли один люмен как световой поток света, создаваемый источником света, который излучает одну канделу силы света на телесном угле в один стерадиан.

Затем, 20 мая 2019 г., световой поток был определен путем фиксации световой отдачи монохроматического излучения с частотой 540 × 1012 Гц (зеленый свет) на уровне 683 лм Вт – 1.

В других системах единиц световой поток также имеет единицы мощности.

Световой в фотометрии

В фотометрии световой поток или сила света являются мерой принимаемой мощности света. Он варьируется от лучистого потока, то есть меры общей мощности электромагнитного излучения, включая инфракрасное (ИК), ультрафиолетовое (УФ) и видимое излучение, в этом случае световой поток регулируется для отражения / излучения различной чувствительности человеческий глаз к разным длинам волн света.

Световая отдача

Световой поток учитывает чувствительность глаза путем взвешивания мощности на каждой длине волны с функцией светимости, которая представляет реакцию глаза на разные длины волн.

Световой поток — это взвешенная сумма мощности на всех длинах волн видимого диапазона. Свет за пределами видимого диапазона не влияет на яркость. Итак, отношение общего светового потока к лучистому потоку известно как световая отдача.

1,7 Основные фотометрические величины Gigahertz-Optik


Световой поток

Световой поток Φv является основной фотометрической величиной и описывает общее количество электромагнитного излучения, испускаемого источником, спектрально взвешенное с помощью функции спектральной световой отдачи человеческого глаза V (λ ). Световой поток — это фотометрический аналог силы излучения. Световой поток указан в люменах (лм). На длине волны 555 нм, где человеческий глаз имеет максимальную чувствительность, мощность излучения 1 Вт соответствует световому потоку 683 лм.Другими словами, монохроматический источник, излучающий 1 Вт на длине волны 555 нм, имеет световой поток ровно 683 лм. Значение 683 лм / Вт сокращенно обозначается Km (значение Km = 683 лм / Вт дано для фотопического зрения. Для скотопического зрения необходимо использовать K м ‘= 1700 лм / Вт). Однако источник монохроматического света, излучающий ту же мощность излучения на длине волны 650 нм, где человеческий глаз гораздо менее чувствителен и V (λ) = 0,107, имеет световой поток 0,107 × 683 лм = 73,1 лм. Более подробное объяснение преобразования радиометрических величин в фотометрические см. В параграфе «Преобразование радиометрических величин в фотометрические».


Сила света

Сила света Iv количественно определяет световой поток, излучаемый источником в определенном направлении. Следовательно, это фотометрический аналог «интенсивности излучения (I e )», которая является радиометрической величиной. В деталях, (дифференциальный) световой поток источника dΦ v , излучаемый в направлении (дифференциального) элемента телесного угла dΩ, равен

v = I v × dΩ

и, следовательно,

Φ v = ∫ I v

Сила света указана в люменах на серадиан1 лм / ср обозначается как «кандела» (кд):

1 кд = 1 лм / ср


Яркость

Яркость L v описывает измеряемую фотометрическую яркость определенного места на отражающая или излучающая поверхность, если смотреть с определенного направления. Он описывает световой поток, излучаемый или отраженный от определенного места на излучающей или отражающей поверхности в определенном направлении (определение яркости CIE является более общим.В этом руководстве обсуждается наиболее актуальное применение яркости, описывающее пространственные характеристики излучения источника. Подробно, (дифференциальный) световой поток dΦ v , излучаемый (дифференциальным) элементом поверхности dA в направлении (дифференциального) элемента телесного угла dΩ, равен

v = L v cos (Θ) × dA × dΩ

, где Θ обозначает угол между направлением элемента телесного угла dΩ и нормалью элемента излучающей или отражающей поверхности dA.

Единица яркости:

1 лм м -2 ср -1 = 1 кд м -2


Освещенность

Освещенность E v описывает световой поток попадание в определенное место облучаемой поверхности. В деталях, (дифференциальный) световой поток dΦ v на (дифференциальном) элементе поверхности dA равен

v = E v × dA

Как правило, элемент поверхности может быть ориентирован на под любым углом к ​​направлению луча.Подобно соответствующему соотношению для энергетической освещенности, освещенность E v на поверхности с произвольной ориентацией связана с освещенностью E v, нормой на поверхности, перпендикулярной лучу, посредством

E v = E v, normal cos (ϑ)

, где ϑ обозначает угол между лучом и нормалью к поверхности. Единица освещенности — люкс (лк) .

1 лк = 1 лм м -2


Световая отдача

Световая отдача M v количественно определяет световой поток, излучаемый или отраженный от определенного места на поверхности по площади.Подробно (дифференциальный) световой поток dΦ v , излучаемый или отраженный элементом поверхности dA, определяется как

v = M v × dA

Единица световой отдачи составляет 1 лм. м -2 , что совпадает с единицей измерения освещенности. Однако аббревиатура люкс — , а не , которая используется для определения яркости света.


Преобразование между радиометрическими и фотометрическими величинами

Монохроматическое излучение

В случае монохроматического излучения на определенной длине волны λ, радиометрическая величина X e просто преобразуется в ее фотометрический аналог X v путем умножения на соответствующую спектральная световая отдача V (λ) и на коэффициент K м = 683 лм / Вт.Таким образом,

X v = X e × V (λ) × 683 лм / Вт

, где X обозначает одну из величин Φ, I, L или E.

Пример: Светодиод ( светоизлучающий диод) излучает почти монохроматическое излучение на λ = 670 нм, где V (λ) = 0,032. Его лучистая мощность составляет 5 мВт. Таким образом, его световой поток равен

Φ v = Φ e × V (λ) × 683 лм / Вт = 0,109 лм = 109 млм

Поскольку V (λ) изменяется очень быстро в этой спектральной области ( с коэффициентом 2 в интервале длин волн 10 нм) световой поток светодиода не следует рассматривать как монохроматический, чтобы гарантировать точные результаты.Однако использование соотношений для монохроматических источников все же дает приблизительное значение светового потока светодиода, которого во многих случаях может быть достаточно.

Полихроматическое излучение

Если источник излучает полихроматический свет, описываемый спектральной мощностью излучения Φ λ (λ), его световой поток можно рассчитать путем спектрального взвешивания Φ λ (λ) со спектральной световой эффективностью человеческого глаза. функция V (λ), интегрирование по длине волны и умножение на K м = 683 лм / Вт, поэтому

Φ v = K m × ∫ Φ λ (λ ) × V (λ) dλ
λ

Как правило, фотометрическая величина X v вычисляется из ее спектрально-радиометрического аналога X λ (λ) через соотношение

X v = K м × ∫ X λ (λ) × V (λ) dλ
λ

, где X обозначает одну из величин Φ, I , L или E.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.