Светотехнические единицы

Если энергию излучения обозначить Q _e, то мощность излучения

Вт (1.3)

Величину Ф_е называют лучистым потоком. Энергия излучения при λ= 380…780 нм называется световой энергией Q, а мощность излучения в этом диапазоне называется световым потоком Ф. Излучение с длиной волны 555 нм и потоком (мощностью) 1 Вт эквивалентно 683 люменам светового потока.

лм (1.4)

Для характеристики светотехнических устройств и условий освещенности принят ряд единиц измерения.

Световой поток от источника света может боле или менее равномерно распределяться в пространстве. Но с помощью отражателей или линз свет можно перераспределить нужным нам образом, сосредоточив его в некоторой части (телесном угле) пространства. Понятие «телесный угол» – ω прямого отношения к свету не имеет, но используется в светотехнических расчетах очень широко.

Единицей измерения телесного угла является стерадиан (ср). Один стерадиан (1 ср) – это объемный угол, имеющий вершину в центре сферы и «вырезающий» на ее поверхности участок, площадь которого равна квадрату радиуса этой сферы (рис. 1.2).

Рис. 1.2. К определению единицы телесного угла (w =1 ср)

 

Полный телесный угол пространства, окружающего точку, равен 4p ср.

Сила света – это пространственная плотность светового потока в любом направлении. Сила света I определяется отношением светового потока, заключенного в каком-либо телесном угле w, к величине этого угла:

. (1.5)

Единицей силы света является кандела (кд) – световой поток в 1 лм, испускаемый точечным источником света в телесном угле, равном 1 ср (1 кд = 1 лм/1 ср). Если световой поток испускается точечным источником равномерно по всем направлениям, то I = Ф/4π есть истинная сила света точечного источника по любому направлению.

Под точечным источником света понимается источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до источника.

Сила света по различным направлениям – это очень важная характеристика любого светильника и светового прибора: она показывает, каким образом прибор «светит» в пространство вокруг себя. Единица силы света – кандела является одной из основных единиц системы СИ и численно равна силе света светового потока, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10¹² Гц мощностью 1/683 [Вт/ср].

Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.

Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется большая энергетическая интенсивность.

Сила света некоторых типичных источников:

Свеча – 1 кд;

Современная лампа накаливания (100 Вт) – 100 кд;

Светодиод – 0,001 кд.

Светимость (М) – плотность светового потока по поверхности излучателя, то есть отношение потока, излучаемого бесконечно малым участком излучателя, к площади этого участка.

. (1.6)

Освещенность – это поверхностная плотность светового потока. Освещенность E определяется отношением светового потока, падающего на освещаемую поверхность к площади освещаемой поверхности

, лк (1.7)

. (1.8)

Единица освещенности – люкс (лк). Поверхность имеет освещенность 1 лк, если световой поток 1 лм падает на 1 м² поверхности (1 лк = 1 лм/1 м²).

Освещенность поверхности не зависит от ее световых свойств.

Во многих случаях освещенность точки А поверхности рассчитывается по силе света источника, с которой она связана выражением

(1.9)

где r – расстояние между источником света и освещаемой поверхностью, м;

a – угол между направлением силы света и нормалью N к освещаемой поверхности (рис. 1.3);

h – высота подвеса источника света (рис. 1.3).

Выражение (1.9) представляет собой первый закон фотометрии, сформулированный И. Кеплером в 1604 г.

 

Рис. 1.3. Пояснение к выражению (1.9)

 

Формула (1.9) называется законом квадрата расстояний, является одним из основных понятий светотехники и лежит в основе всех светотехнических расчетов, включая компьютерные программы.

Освещаемая поверхность может быть не только горизонтальной, но и наклонной. В этом более общем случае в выражение (1.9) вводится согласующий коэффициент

(1.9, а)

где – коэффициент, учитывающий угол наклона плоскости по отношению к горизонтали (рис. 1.4);

d – расстояние по горизонтали от вертикали, проведенной от источника света, до точки А (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Пояснение к выражению (1.9, а)

 

Из выражения (1.9, а) следует, что для вертикальных поверхностей коэффициент согласования .

Глаз человека видит освещаемые предметы в зависимости от уровня их освещения, но различает предметы в зависимости от других величин, основной из которых является яркость.

Яркостью светящейся (освещенной) поверхности в некотором направлении a называют величину, равную отношению силы света I в направлении a к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению (рис. 1.5):

. (1.10)

Рис. 1.5. К определению понятия яркость

 

Единица яркости – кандела на квадратный метр (кд/м²).

Световой поток, падающий на какое-либо тело, частично отражается, частично поглощается и частично проходит сквозь это тело. Количественно отражение, поглощение и пропускание светового потока телом оцениваются соответствующими коэффициентами.

Коэффициент отражения определяется как

, (1.11)

где Ф – световой поток, падающий на поверхность;

Ф_отр – световой поток, отраженный от поверхности.

 

Коэффициент поглощения равен

, (1.12)

где Ф_погл – световой поток, поглощенный телом.

Коэффициент пропускания равен

, (1.13)

где Ф_прош – световой поток, прошедший сквозь тело.

По закону сохранения энергии

Ф = Ф_отр + Ф_погл + Ф_прош, (1.14)

следовательно,

r + a + t = 1. (1.15)

Величина отраженного, поглощенного и прошедшего сквозь тело светового потока зависит от свойств этого тела, в частности от окраски, материала, структуры и др.

В табл. 1.1 приведены значения коэффициентов отражения, поглощения и пропускания для некоторых распространенных материалов.

Таблица 1.1