Характеристики света

1. Модуль 3

Измерение характеристик
света

2.

В 1760 г. Иоганн Ламберт
разработал систему характеристик
света, которая используется до
настоящего времени, хотя только в
конце XIX в. стало возможным
проведение экспериментов, доказавших
правильность его идей.
2

3.

• Мы сосредоточимся на интенсивности,
поскольку количество света, падающего
на предмет, воздействует как на его
цветопередачу, так и на разрушение.
3

4.

• Слово "интенсивность" используется в
нескольких смыслах.
• Например, конструктор лампы,
имеющий отношение к самому
источнику света, определяет
интенсивность иначе, чем музейный
работник, который имеет дело с
интенсивностью света на поверхности
предмета.
4

5.

• В действительности в зависимости от
применения имеются три стандарта
измерения интенсивности света:
измерение
общей
мощности
света,
испускаемого
источником
во
всех
направлениях (сила света и сила излучения);
мощности света, падающего на поверхность,
находящуюся на некотором расстоянии от
источника
(освещенность
или
энергетическая освещенность);
мощности света, испускаемого источником в
точке поверхности (яркость или, если в
оценке излучения принимает участие глаз
человека, воспринимаемая яркость).
5

6. Кроме этих стандартных измерений существуют два эталона для самого источника:

• эталон излучения, который используется без
учета реакции человеческого глаза на
излучение и который применим к любой
части спектра;
• эталон освещенности, который
используется в видимом диапазоне для
применений, учитывающих глаз человека.
• Эталон излучения использует радиометрические
единицы, такие, как ватт или эрг в секунду.
• Эталон освещенности использует фотометрические
единицы, такие, как люмены.
• Мы будем использовать эталон освещенности. В табл.
приведены некоторые единицы измерения, наиболее
6
часто встречающиеся при работе с лампами.

7. Единицы измерения интенсивности света

Характеристика
Единицы
Сила света
Кандела (кд)
Количество света (поток)
Люмен (лм)
Уровень освещенности
люкс (лк), фут-свеча (фс),
фот
Светимость
лм∙м-2
Яркость
лм∙стер-1∙м-2
7

8. Сила света источника

• Источники света излучают энергию в виде
электромагнитных волн, которые
распространяются во всех направлениях.
• В рамках волновой теории интенсивность
этого света I пропорциональна квадрату
амплитуды его электрического вектора.
• Более практично использовать количество энергии
(мощность), излученное в единицу времени и
выраженное в ваттах.
• Однако и ватт при обсуждении конкретных
характеристик света имеет ограниченное значение.
8

9.

• В течение многих лет эталоном, которым измерялась
сила света, была свеча (св).
• Сила света в одну свечу представляла собой силу света
пламени свечи строго установленного образца, составные части
которой были определены международным соглашением.
• Используемая в настоящее время
стандартизованная международная
единица силы света называется
канделой (кд).
• Одна кандела представляет 1/60 силы света,
излучаемого 1 см2 поверхности черного тела при
температуре отвердевания платины (2042 К) и при
измерении в направлении, перпендикулярном
поверхности.
9

10. Телесный угол

Чтобы определить силу света в
пространстве на некотором расстоянии
от источника, необходимо привлечь
стереометрию и определить телесный
угол.
10

11.

• Рассмотрим (рис. 14) сферу с радиусом r, исходящим из вершины
телесного угла ω. Часть поверхности сферы s, которая
ограничивается конической поверхностью телесного угла,
пропорциональна телесному углу, стягиваемому поверхностью s.
• Когда размер части сферической поверхности s = r2,
телесный угол равняется одному стерадиану (ср)
(единица телесного угла). Тогда в общем виде
• ω = s/r2.
• Например, если телесный угол, имеющий радиус 0,91 м
стягивает на поверхности сферы площадью 0,144 м2, то
телесный угол ω = s/r2 = 1,48/0,83 = 1,78 ср.
Телесный угол в стереометрии является просто аналогом плоского угла в
планиметрии. Плоский угол определяется числом градусов из 360˚ или
частью круга в радианах, стягиваемой этим углом. В свою очередь
телесный угол измеряется площадью сферической поверхности,
отсекаемой конусом. Имеется 2π рад вокруг точки в полном кругу,
поскольку его длина окружности равна 2πr.
• Имеется 4π ср вокруг точки в полной сфере,
поскольку ее поверхность равна 4π r2. 11

12.

12

13. Световой поток

• Скорость потока излучаемой видимой энергии
из источника света, оцененная, исходя из того
впечатления, которое она производит на глаз,
называется световым потоком. Его можно
представить как величину энергии света.
• Световой поток обозначается буквой Φ. Так как
глаз имеет различную чувствительность к
разным длинам волн света, его величина
зависит от длины волны.
• Распределение потока находится в прямой
зависимости от величин телесного угла ω и
силы света I в соответствии с законом
• Ф=Iω
13

14.

• Фотометрической единицей потока
является люмен (лм).
• Один люмен представляет световой
поток (количество света), излучаемый
равномерным точечным источником с
силой света 1 кд в телесном угле 1ср.
• Полный световой поток во всех
направлениях Ф = 4πI, поэтому
источник с силой света 1 кд дает всего
4π или 12,566 лм.
14

15. Световой поток некоторых источников света

Источник света
лм
Электрическая лампа накаливания
осветительная 100 Вт
Электрическая лампа накаливания
осветительная 1000 Вт
Электрическая лампа накаливания
прожекторная 1000 Вт
Люминесцентная лампа белого света 15 Вт
1275
19000
22200
540
Люминесцентная лампа дневного света 15 Вт
465
Окно площадью 1 м2, освещенное солнцем в
летний полдень
Окно площадью 1 м2 в пасмурный день
30000 50000
5000 1000015

16.

• Техническим способом оценки
относительных интенсивностей ламп
является
• коэффициент использования
светового потока (световая отдача),
измеряемый числом люменов на
ватт.
16

17.

• Световая отдача от типовых
источников света:
• лампа накаливания дает
• 10 – 23 лм/Вт,
• импульсная лампа
• 1,2∙106 лм/Вт,
• люминесцентная лампа
• 30 – 80 лм/Вт.
17

18. Освещенность в точке поверхности

• Поток света от источника может быть не
одинаков для всех направлений или, что более
важно, может различаться внутри телесного
угла, представляющего интерес. Конструкция
самой лампы, ее корпус и другие факторы могут
вызвать неравномерное распределение света в
пространстве.
• Необходим такой термин для интенсивности,
который выражал бы поток или уровень
освещенности на площади, отделенной от
источника.
18

19.

Единицей измерения интенсивности
света на поверхности, находящейся на
некотором расстоянии от источника,
является поток на единицу площади.
Общепринятыми единицами
освещенности являются люкс (1 лк = 1
лм/м2), фот (1 фот = 1 лм/см2), футсвеча (1 фс = 1 лм/фт2).
• Например, на плоской поверхности
производится освещенность 1 лк, когда
на каждый квадратный метр ее падает
световой поток 1 лм.
19

20. Яркий лунный свет дает освещенность около 10-3 лк

Яркий лунный свет
дает освещенность
около
-3
10 лк
20

21. Минимальный уровень освещенности для чтения без напряжения глаз составляет около 1 – 3 лк

Минимальный
уровень
освещенности для
чтения без
напряжения глаз
составляет около
1–3
лк
21

22. Полный солнечный свет летом дает около 103 лк

Полный солнечный свет летом
дает около
3
10
лк
22

23. Для хирургических операций или реставрации произведений искусства, рекомендуется, чтобы освещенность прямого света составляла

50 – 100 лк
23

24. Минимальная освещенность футбольного поля, необходимая для проведения телетрансляций, должна составлять 1200 – 1600 лк.

24

25. Освещенность поверхности в различных условиях ее освещения

Условия освещения
поверхности
Освещен
ность, лк
Поверхность стола при настольной
лампе 100 Вт
80 - 200
Пол комнаты под лампой
накаливания 100 Вт, висящей на
высоте 3 м от стола
20 - 30
25

26. Соотношение между степенью освещенности на поверхности Е и расстоянием поверхности от источника света r: Е = I0 cos θ/r2.

26

27.

Для измерения освещенности на
поверхности имеется много различных типов
приборов с непосредственным отсчетом. В
большинстве из них используется
фотоэлектрический элемент. Падающий на
фотоэлемент свет вызовет электрический ток,
который в свою очередь измеряется
высокочувствительным амперметром.
• Шкала амперметра откалибрована в люксах,
фут-свечах или других единицах
освещенности.
• Поворачивая фотометр под различными
углами к направлению падающего света,
регистрируют изменения освещенности. 27

28. Светимость

• Светимость (М) выражается отношением
величины светового потока к площади
поверхности источника. Для определения
светимости пользуются формулой:
M
S
• Где S – площадь излучающей поверхности.
Единица измерения светимости – люмен
на квадратный метр (лм/м2).
28

29. Яркость

• Поток лучистой энергии может создаваться
самим источником (тепловое,
люминесцентное, лазерное излучение) или за
счет отражения поверхностью источника
света от другого естественного или
искусственного источника.
• В любом случае, яркость характеризуется
свечением поверхности, которое дает в
направлении наблюдателя каждая единица
видимой ее площади.
• Самоизлучающие источники можно назвать
первичными, а отражающие свет других –
вторичными.
29

30.

• Яркость светящихся поверхностей определяется
отношением силы света в рассматриваемом
направлении к площади проекции этой поверхности на
плоскость, перпендикулярную данному направлению.
Яркость выражается в кд/м2, или в лм∙стер-1∙м-2 (или в
Вт∙м-2∙стер-1):
I
B
S cos
• где S – площадь поверхности.
Например, яркость дневного безоблачного неба
равна 3,5∙10-4 Вт/(см2 ср мкм) на длине волны порядка
одного мкм, а яркость ночного неба равна 8,5∙10-15
Вт/см2 ср.
30

31. Отражение света поверхностями, вторичная яркость

• Яркость освещенной поверхности зависит от
интенсивности источника освещения и
характера самой поверхности.
• Она всегда меньше яркости источника
освещения, так как часть света поглощается
освещаемой поверхностью, часть рассеивается
по разным направлениям и только часть его
отражается в том направлении, с которого
поверхность рассматривается.
31

32.

• Различают поверхности с зеркальным и
диффузным отражением.
• Во втором случае яркость равна
освещенности поверхности,
умноженной на коэффициент
отражения ρ:
• В=Еρ
32

33. Световая энергия

• Световая энергия Q представляет
собой световой поток, излучаемый
источником за единицу времени.
• Если поток Ф постоянен во времени, то
световая энергия определяется
следующим уравнением:
• Q=Фt
• Иногда вместо потока используют силу
света I. Если время t измеряется в
секундах, то единицей световой энергии
Q является люмен-секунда (лм∙с).
33

34.

• Параметры импульсной лампы и лампы накаливания
нельзя просто сравнить, используя только Ф или I.
Импульсная лампа дает очень большой поток за очень
короткое время, в то время как лампа накаливания
может воспроизводить малый поток в течение
длительного времени.
34

35.

• Второе применение понятия световой энергии:
• у всех источников искусственного света при
старении происходит уменьшение светового
потока (т.е. поток Ф не постоянен во времени).
Величина этого уменьшения зависит от лампы и
ее конструкции.
• Чтобы сравнить характеристики освещения
ламп с одной и той же мощностью потока,
полезнее знать световую энергию,
произведенную в течение срока службы
лампы, а не только ее начальную мощность
потока.
• Тогда уравнение для Q следует видоизменить с
тем, чтобы учесть изменение потока во
времени.
35

36. Графики распределения света

• Распределение в пространстве силы света
источника излучения однозначно определяется
его фотометрическим телом – частью
пространства, которое ограничивается
поверхностью, проведенной через концы радиусвекторов силы света.
• Если выполнить сечение фотометрического
тела плоскостью, проходящей через начало
координат, то получим кривую силы света
(КСС) источника для данной плоскости сечения в
виде плоской векторной диаграммы.
36

37. Рис. 17. Полярная диаграмма распределения силы света

37

38.

• КСС наглядно характеризует
распределение света, излучаемого
источником или светильником
(источником света, помещенным в
некоторую арматуру).
• Эти графики полезны для
количественного определения
интенсивности света в различных точках
пространства, окружающего данный тип
арматуры.
38

39. Моделирование таких диаграмм, плоских и трехмерных, а также получение многих других наглядных характеристик, связанных со

светом и цветом источников и изображений возможно с помощью
компьютерных программ, таких как OptisWorks
39

40.

40

41. Дома

Подготовка к следующему
семинарскому занятию:
Ответить на контрольные вопросы
(ч.2) № 1 - 13
41