Светотехнические величины: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость

Световой поток — мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучистую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, излучающейся в единицу времени называется потоком излучения или лучистым потоком. Измеряется поток излучения в ваттах. Световой поток обозначается Фе.

Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.

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

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

где: λ — длина волны.

Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.

Таблица 1. Типичные световые величины источников света:

Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей

Распределение излучения реального источника в окружающем пространстве не равномерно. Поэтому световой поток не будет исчерпывающей характеристикой источника, если одновременно не определяется распределение излучения по разным направлениям окружающего пространства.

Для характеристики распределения светового потока пользуются понятием пространственной плотности светового потока в разных направлениях окружающего пространства. Пространственную плотность светового потока, определяющуюся отношением светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника, в пределах которого равномерно распределен этот поток, называют силой света:

где: Ф — световой поток; ω — телесный угол.

Единицей силы света является кандела. 1 кд.

Это сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела, площадью 1:600000 м2 при температуре затвердевания платины.
Единица силы света — кандела, кд является одной из основных величин в системе СИ и соответствует световому потоку 1 лм, равномерно распределенному внутри телесного угла 1 стерадиан (ср.). Телесный угол — часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Телесный угол ω измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего.

Единица освещенности люкс, лк имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м2).

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

4. Отношение между силой света (I) и освещенностью (Е).

Закон обратных квадратов

Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:

Это закон косинуса (рисунок 1.).

Рис. 1. К закону косинуса

5. Горизонтальная освещенность

Для расчета горизонтальной освещенности целесообразно изменить последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света к поверхности.

Источник

Фотометрические величины

Для характеристики оптического излучения вводится ряд энер­гетических и фотометрических характеристик. Рассмотрим важ­ нейшие из них.

Единица СИ потока излучения — ватт (Вт).

В целом ряде измерений (например, астрономических) важно знать не только сам поток, но и поверхностную плотность потока излучения. Поверхностная плотность потока излучения равна отношению потока излучения к площади поверхности, через ко­торую проходит этот поток:

Термин «поверхностная плотность потока излучения» анало гичен термину интенсивность волны. В астрономии применяется термин светимость, который имеет аналогичный смысл и выража ется в тех же единицах (Вт/м 2 ).

Точечный источник Телесный угол

При изучении физики мы уже использовали ряд идеализированных моделей (материальная точка, идеальный газ и др.), которые помогали нам при рассмот­рении физических явлений и законов. В фотометрии удобно использовать еще одну идеализацию — точечный источник.

Считается, что такой источник равномерно излучает свет во все стороны, а размеры его много меньше расстояния до освещаемой поверхности. Например, если лампа диаметром 10 см освещает поверхность на расстоянии 100 м, то эту лампу можно считать точечным источником. Но если расстояние до поверхности

Единица телесного угла — стерадиан (ср). 1 ср равен телес­ ному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на по­верхности сферы площадь, равную площади квадрата со сторо­ной, равной радиусу сферы. Зная площадь поверхности сферы, можно определить полный телесный угол вокруг точки:

W = 4 p R 2 / R 2 = 4 p ср

Если среда не погло­щает (например, вакуум), то полная энергия, переносимая в еди­ ницу времени через поверхностьи этих сфер, будет одной и той же. Поэтому

I 1 =W/(4 p R 1 2 t), I 2 =W/(4 p R 2 2 t),

I 1 /I 2 =R 2 2 /R 1 2

В астрономии расстояния до звезд определяют, сравнивая интенсивности их излучения (т.е. их светимости).

Для целого ряда практических случаев важна зависимость поверхностной плотности потока излучения от угла между направ­ лением распространения волны и нормалью к освещаемой по­верхности.

Из рисунка следует, что через поверх­ ности площадью S и S o переносится волной одинаковая энергия. Поэтому I 0 = W /( S o t ) и I = W /( St ) и отношение интенсивностей

Именно этой формулой и пользуются в большей части случаев для расчетов, ведь крайне редко поверхность расположена перпен­ дикулярно световому потоку.

Фотометрические величины

В Международной системе единиц единица силы света — к а н д е л а (кд) — является основной. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохрома­ тическое излучение частотой 5,40*10 14 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1,683 Вт/ср. За­ метим, что данная частота соответствует максимальной чувстви­ тельности человеческого глаза, т. е. длине волны в вакууме, равной 555 нм.

Все остальные фотометрические единицы выражаются через канделу. Так, люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником силой света 1 кд в телесном угле, равном 1 ср.

Единица освещенности в СИ — л ю к с (лк) — равен освещен­ ности поверхности площадью 1 м 2 при падающем на нее световом потоке 1 лм, равномерно распределенном по этой поверхности.

Законы освещенности

Выясним, от чего зависит освещен­ность поверхности, на которую падает световой поток.

Прежде всего очевидно, что освещенность прямо пропорцио­ нальна силе света источника. Ведь, чем больше сила света, тем больше световой поток, освещающий данную поверхность. Поэтому

E v =Ф v /S=( 4pI v )/( 4p R 2 )= I v / R 2

Значит, освещенность поверхности, создаваемая точечным ис­ точником света, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

Площадь D S связана с площадью D S o элемента сферической поверхности соотношением

D W= D S o /R 2 = D S cos j/ R 2

Используя полученное выраже­ ние, найдем освещенность данной поверхности:

E v = D Ф v / D S=I v D W/ D S=I v D SCos j/ D SR 2 =I v Cos j/ R 2

Соответственно освещенность E v наклонной площадки свя­ зана с освещенностью E 0 площадки, перпендикулярной световым лучам, соотношением:

Мы получили еще один закон: освещенность поверхности прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей.

Таким образом, выражение E v =I v Cos j/ R 2 представляет собой обоб­ щенный закон освещенности: освещенность поверхности, создавае­ мая точечным источником, прямо пропорциональна силе света ис­ точника, косинусу угла падения лучей и обратно пропорцио­ нальна квадрату расстояния от источника до освещаемой по­ верхности.

В том случае, когда одну поверхность освещают несколько независимых источников, общая освещенность поверхности равна сумме освещенностей, созданных каждым источником в отдель­ ности.

Источник

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Элементы фотометрии. Субъективные и объективные характеристики излучения

Фотометрия — раздел оптики, в котором изучаются методы и приемы измерения световой энергии.

Оценивать энергию светового излучения можно визуально (глазом) или с помощью какого-то специального прибора (фотоэлемента, болометра и т.п.). При этом следует помнить, что чувствительность человеческого глаза неодинакова к излучениям разной длины волны. Так, для зеленого света чувствительность глаза в 100 раз выше, чем для красного. Следовательно, субъективная оценка энергии излучения (по зрительному ощущению) и объективная (прибором) не совпадают. Поэтому в световых измерениях применяют две системы обозначений и две системы единиц: одна из них основана на энергетической оценке света безотносительно к его действию на приемники излучения, другая — на оценке света по зрительному ощущению, она характеризует физиологические действия света.

1. Энергетические величины.

а) Поток излучения. Выделим мысленно на пути света, распространяющегося от какого-либо источника, небольшую площадку S (рис. 16.57). Через эту площадку за время t пройдет некоторое количество световой энергии W.

Отношение \(P = \frac\), показывающее, какое количество энергии проходит через площадку за единицу времени, называется потоком излучения Р через площадку S.

В СИ единицей потока излучения является ватт.

б) Излучателъностъ R_e — величина, равная отношению потока излучения, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, через которое этот поток проходит: \(R_e = \frac

.\)

Излучательность представляет собой поверхностную плотность потока излучения. Этот термин аналогичен интенсивности волны.

в) Сила излучения. Рассмотрим точечный изотропный источник света — т.е. источник света, размерами которого по сравнению с расстояниями до места наблюдения можно пренебречь и который равномерно излучает свет по всем направлениям.

Направление светового излучения задают с помощью телесного угла. Телесным углом называют область пространства, ограниченную конической поверхностью (рис. 16.58). Значение телесного угла определяется по формуле \(\omega = \frac,\) где S — площадь шарового сегмента, на который опирается телесный угол, r — радиус сферы. Единицей телесного угла является стерадиан (ср).

1 ср — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Телесный угол \(\omega_0\), существующий вокруг точки О (т.е. опирающийся на всю поверхность сферы площадью \(

S = 4\pi r^2\)), называют полным телесным углом:

Сила излучения I_е — физическая величина, равная отношению потока излучения к телесному углу, в пределах которого это излучение распространяется:

2. Световые величины.

а) Световой поток Ф — физическая величина, которая характеризуется (по зрительному ощущению) отношением световой энергии, переносимой через какую-либо площадку в единицу времени: \(\Phi = \frac,\)

т.е. световой поток — это мощность светового излучения, оцениваемая визуально. Единица светового потока — люмен (лм).

б) Сила света — скалярная физическая величина, равная отношению светового потока к телесному углу, в котором этот поток распределяется: \(I = \frac<\Phi><\omega>.\)

Единицей силы света в СИ является кандела (кд).

Кандела — основная единица измерения. Кандела воспроизводится с помощью специального эталонного источника света. 1 кд — сила света, испускаемого с поверхности площадью \(\frac<1> <600000 \pi>M^2.\) полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101 325 Па.

Из определения силы света следует, что световой поток Ф равен \(

\Phi = I \omega.\). Основной единицей светового потока в СИ является люмен (лм).

Люмен — световой поток, который излучается точечным источником силой света 1 кд внутри телесного угла, равного 1 ср.

Световой поток Ф₀, распространяющийся внутри полного телесного угла,

называется полным световым потоком. Он характеризует полную световую энергию (оцениваемую по зрительному ощущению), излучаемую источником света в единицу времени по всем направлениям.

в) Освещенность поверхности Е — физическая скалярная величина, равная отношению светового потока, падающего на какую-либо поверхность, к площади S этой поверхности: \(E = \frac<\Phi>.\)

Внесистемная единица измерения освещенности — фот (фт)

фт = лм\цм 2 = 10 4 лк.

Если источники света не точечные, а протяженные, то для их характеристики вводятся величины: светимость и яркость.

г) Светимость R характеризует световой поток, излучаемый поверхностью светящегося тела единичной площади по всем направлениям, т.е. \(R = \frac<\Phi>.\)

Единицей измерения светимости в СИ является люкс на квадратный метр (лк\м 2 ).

д) Яркость источника. Пусть светящаяся поверхность находится в пределах телесного угла \(

\alpha\) — угол между нормалью к этой поверхности и направлением наблюдения светового потока, S_n — проекция площадки S на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения (\(S_n = S \cos \alpha\)).

Яркость В характеризует световой поток, излучаемый площадкой единичной площади в перпендикулярном направлении в пределах единичного телесного угла:

В СИ единицей яркости является нит (нт). (нт = кд\м 2 ). Внесистемная единица яркости — стильб (Сб). (сб = кд\цм 2 = 10 4 нт)

Источники света с яркостью B >16 Сб вызывают болезненное ощущение в глазу.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 489-492.

Источник

Что такое свет? С чем его «едят»?

Ниже приведены основные понятия и соотношения показателей света.

Освещение является одним из важнейших условий нормальной жизнедеятельности. Правильно устроенное освещение обеспечивает хорошую видимость и создает благоприятные условия труда. Неудовлетворительное освещение вызывает преждевременное утомление, притупляет внимание работающего, снижает производительность труда, ухудшает качественные показатели и может оказаться причиной несчастного случая. Неудовлетворительное освещение в течение длительного времени может также привести к ухудшению зрения.

Различают три разновидности производственного освещения: естественное, искусственное и совмещенное.

Видимое излучение (свет) излучение, которое попадая на сетчатую оболочку глаза, может вызвать зрительное ощущение. Свет часть электромагнитного излучения с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм.

Светотехнические величины, определяющие показатели производственного освещения, основаны на оценке ощущения их глазом человека. Различают количественные и качественные показатели освещения.

1.1. Количественные показатели

К количественным показателям относятся: световой поток, сила света, освещенность, яркость, коэффициент отражения.

, кандела (кд),

где ω телесный угол в стерадианах (ср).

.

.

Значения максимальных величин яркости на рабочей поверхности.

Коэффициент отражения поверхности r характеризует ее способность отражать падающий на нее световой поток. Он определяется отношением отраженного светового потока к падающему

.

Значения коэффициента (r ) для поверхностей различного характера.

1.2. Качественные показатели

К качественным показателям освещения относятся: фон, контраст объекта различения с фоном, показатель ослепленности, коэффициент пульсации освещенности, показатель дискомфорта.

Контраст объекта различения с фоном К фотометрически измеряемая разность яркости двух зон. Он определяется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона:

.

Контраст считается большим при К более 0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости), средним при К = 0,2. 0,5 (заметно отличаются) и малым, если К менее 0,2 (мало отличаются).

Нормируемые значения коэффициента Р.

Нормируемые значения Кп.

Этот показатель для производственных помещений не нормируется, его нормируемые величины для жилых, общественных и административно-бытовых помещений, имеется формула для определения показателя дискомфорта М.

Из перечисленных светотехнических показателей непосредственно измеряются следующие (в скобках указываются названия приборов):

— яркость (фотометры субъективные и объективные).

С помощью указанных приборов можно определить величины коэффициентов отражения P и пульсации Кп контраста объекта различения с фоном К и показателя ослепленности Р.

Яркость элемента светящейся поверхности в каком-либо направлении определяется соотношением силы света этого элемента к площади проекции элемента на плоскость, перпендикулярную данному направлению.

Цветовая температура (Т). Измеряется в градусах Кельвина (К). Характеризует спектральный состав излучения.

Освещенность: Лунный свет 0,25 lx Солнце сквозь облака 10 000 lx Солнечный свет 100 000 lx Освещение в офисе 300-2000 lx Дорожное освещение 10-50 lx

Измерение параметров освещения. Основным параметром, используемым при оценке освещения, является освещенность е, измеряемая в лк.

Для измерения освещенности используются люксметры различных типов.

Под влиянием светового потока, падающего на селеновый фотоэлемент, в замкнутой цепи возникает ток, величина которого пропорциональна световому потоку. Прибор проградуирован в люксах. Существенным преимуществом селенового фотоэлемента по сравнению с другими типами фотоэлементов является то, что его кривая спектральной чувствительности наиболее близко совпадает с кривой относительной видности человеческого глаза. При измерении освещенности фотоэлемент устанавливается в рабочей плоскости (горизонтальной или вертикальной) на некотором расстоянии от оператора, проводящего измерения, чтобы тень не падала на фотоэлемент.

Источник

Основные понятия, величины и единицы измерения

Свет представляет собой электромагнитное излучение. Оптическая часть электромагнитного спектра лучистой энергии включает в себя области ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения.

Ультрафиолетовый спектр представляет излучение, длины волн монохроматических составляющих которого меньше длин волн видимого излучения и больше 1 нм (нанометр). Различают следующие области ультрафиолетового излучения:

Инфракрасным является излучение, длины волн монохроматических составляющих которого больше длин волн видимого излучения и меньше 1 нм. Различают следующие области инфракрасного излучения:

— ИК-В с длинами волн 1,4 и 3 мкм;

Монохроматическое излучение представляет собой очень узкую область частот (или длин волн), которая может определена одним значением частоты (или длины волны).

Сложное излучение характеризуется совокупностью монохроматических излучений разных частот. Примером сложного излучения является дневной свет.

Распределение в пространстве сложного излучения в результате его разложения на монохроматические составляющие понимается как спектр излучения. Излучения, имеющие разную длины волн, попадая на сетчатку глаза, вызывают ощущение того или иного цвета. Человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленым излучениям с длиной волны = 555 нм.

Источником естественного света является лучистая энергия солнца, которая образует световой поток, мощность которого в светотехнике оценивается по производимому его на нормальный глаз человека световому ощущению.

Продолжительность действия светового потока во времени называется световой энергией, за единицу измерения которой принят люмен в секунду (лм × с).

В связи с тем, что источник света распределяет световой поток в пространстве неравномерно, для оценки светового действия источника света в каком-то определенном направлении пользуется понятием сила света. Под силой света (источника его) в данном направлении I понимается пространственная мощность (плотность) светового потока, равная отношению светового потока к величине телесного угла, в котором равномерно распределяется излучение, определяемое по формуле

= , (3.1)

где — световой поток, лм

— элементарный пространственный телесный угол, ср.

Телесный угол (рис. 3.1.) определяется по формуле

= , (3.2)

где — площадь, которую телесный угол вырезает на поверхности сферы, описанной из его вершины, м 2

— радиус сферы, м.

Для оценки условий освещения, создаваемых источником света, пользуются понятием освещенности, представляющей собой отношение величины падающего светового потока F к площади освещаемой поверхности .

Освещенность при равномерном распределении на поверхности (рис. 3.2.) определяется по формуле

= (3.3)

Рис. 3.1 Схема к определению телесного угла, определяющего

силу света в определенном направлении.

Рис. 3.2. Схема к определению освещенности от

точечного источника света (ТИС).

Освещенность, создаваемую точечным излучателем (рис. 3.2) с заданным распределением силы света, определяется по формуле

= ,(3.4)

где — сила света, кд;

— расстояние от точечного источника света до точки М, в которой определяется освещенность.

При оценке качества световой среды в интерьере решающее значение имеет яркость свечения источника света и освещаемых им поверхностей. Яркость свечения источника света или освещаемой им поверхности представляет собой поверхностную плотность силы света в заданном направлении, определяемую отношением силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению.

Различают два частных случая определения яркости :

1) яркость в точке М поверхности источника в направлении светового потока I определяется по формуле

= , (3.5)

где — сила света в направлении I;

— элемент светящей поверхности, содержащей точку М;

— сила света, приходящаяся на единицу площади проекции.

2) яркость в точке М поверхности приемника (например, глаза или фотоэлемента) в направлении I, представляющую собой отношение освещенности Е, создаваемой в точке приемника, к телесному углу, в котором заключен световой поток:

= . (3.6)

Единицей яркости является кандела на квадратный метр (кд/м 2 ).

В общем случае яркость светящейся поверхности различна в разных направлениях, поэтому она, подобно силе света, характеризуется значением и направлением.

Между яркостью и освещенностью поверхности, равномерно рассеивающей падающий на нее свет, существует зависимость

= , ( 3.7)

где — коэффициент отражения.

Поверхности, обладающие одинаковой яркостью по всем направлениям, называются равнояркими излучателями. К ним относятся, например, оштукатуренная поверхность потолка и стен, осветительный прибор в виде шара из молочного стекла и т.п.

При падении светового потока на какое-то тело часть этого потока отражается от него , часть проходит через тело и часть поглощается телом . На основании закона сохранения энергии имеем

+ + , (3.8)

Разделив обе части этого равенства на , получим

1 = + + , (3.9)

где — коэффициент отражения тела, определяемый из отношения ;

— коэффициент пропускания тела, определяемый из отношения ;

— коэффициент поглощения, определяемый из отношения .

Светотехнические коэффициенты выражаются в долях единицы или в процентах.

Источник