Световые величины и единицы их измерения Световой поток

В светотехнике, где основным приемником является глаз человека, для оценки эффективности действия лучистого потока принята система световых величин и единиц.

Для того чтобы понять суть этой системы, необходимо уяснить, что сами по себе энергия и поток излучения не могут свидетельствовать о большем или меньшем восприятии человеком этого излучения. Действительно, если излучения находятся в инфракрасной или ультрафиолетовой области, то какой бы мощностью они не обладали, для глаза человека они останутся невидимыми. Если излучения одинаковой мощности принадлежат видимой области спектра, человек будет воспринимать их по-разному: в большей мере при длинах волн около 555 нм (жёлтые и зелёные излучения) и значительно слабее на границах видимого диапазона (красные и фиолетовые). Следовательно, для оценки восприятия излучений человеком необходимо учитывать не только энергию излучения, но относительную спектральную чувствительность глаза, которая является функцией длины волны излучения.

Световой поток Ф – мощность потока излучения, оцениваемая по световому ощущению, которое она вызывает у селективного приемника - стандартного фотометрического наблюдателя, кривая относительной спектральной чувствительности глаза которого V(λ) стандартизована МКО. Иначе говоря, световой поток ‑ это эффективно преобразованный глазом поток излучения.

За единицу светового потока в соответствии с международным соглашением принят люмен (лм).

Постоянного переводного коэффициента из Ватт (лучистый поток) в люмены (световой поток) не существует. Точнее, такой коэффициент существует, но он различен для разных длин волн (рис. 7).

Максимальное значение спектральной световой эффективности соответствует монохроматическому лучистому потоку с длиной волны 555 нм и, как установлено на основании измерений, равно 683 лм/Вт. То есть при этой длине волны 1 Вт соответствует 683 лм.

Для сумеречного зрения максимальное значение спектральной световой эффективности соответствует монохроматическому лучистому потоку с длиной волны 507 нм и равно 1700 лм/Вт.

Для других длин волн световой поток может быть найден по уравнению:

Ф = ,

где φ(λ) – функция спектральной плотности лучистого потока;

V(λ) – функция относительной спектральной чувствительности (эффективности) глаза.

Пределы интегрирования в этом уравнении ограничиваются функцией V(λ), которая для длин волн меньших 380 нм и больших 780 нм, равна нулю.

С ила света

Cила света I – это пространственная плотность светового потока в заданном направлении:

I_ = dФ/d,

где Ф ‑ световой поток, лм;

 ‑ телесный (пространственный) угол (рис. 8) с вершиной в точке расположения источника света, в пределах которого равномерно распределен этот световой поток, ср.

За единицу телесного угла – стерадиан (ср) – принимается угол, который, имея вершину в центре сферы, вырезает на ее поверхности сферический участок, по площади равный квадрату радиуса. Следовательно, для того чтобы вычислить телесный угол в стерадианах, надо площадь, которую он вырезает на поверхности сферы, описанной из его вершины, разделить на квадрат радиуса этой сферы: ω = S/R².

Телесный угол сферы равен 4π..

Единицей силы света в соответствии с решением, принятым 13-й Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 г., служит кандела [кд]. Кандела – основная единица в системе Си наравне с метром, килограммом, секундой, ампером и др.

Кандела (1кд = 1лм/ср) определяется как 1/60 силы света, излучаемой в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела площадью 1см²: при температуре затвердевания платины (2042К).

Широкое практическое применение имеют так называемые «кривые силы света». Познакомимся с этим понятием.

Если изобразить силу света источника во всех возможных направлениях в виде радиус-вектора, то концы этих радиус-векторов образуют в пространстве некую поверхность. Эту поверхность принято называть фотометрической поверхностью (поверхностью силы света).

Фотометрическая поверхность – поверхность, образованная концами радиус-векторов, пропорциональных силе света источника в разных направлениях.

Фотометрическая поверхность ограничивает собой фотометрическое тело.

Кривая силы света (КСС) – это кривая, которая получается при рассечении фотометрического тела меридиональной плоскостью.

Если фотометрическое тело является телом вращения, то для его характеристики достаточно одного сечения, т.е. одной кривой. Если не является – то используют три кривые, полученные при рассечении тела тремя разными меридиональными плоскостями. Кроме того, для сокращения места, как правило, показывают лишь ту часть кривой, которая расположена вправо от начала координат, отбрасывая точно такую же левую часть.

КСС (рис. 9) принято строить для условной лампы (со световым потоком 1000 лм) в полярных координатах, разбивая всё пространство на 18 зональных телесных углов с границами 0°, 10°, 20° и т.д.

Как правило, реальные КСС имеют достаточно сложную форму, которую трудно выразить аналитически. Однако некоторые из них в большей или меньшей степени могут приближаться к некоторым идеализированным кривым:

• Равномерно светящийся шар (рис.10-а). Сила света I во всех направлениях одинакова, а КСС – это окружность с центром в начале координат:

I_ = I₀ – const.

• Диск, у которого светится одна сторона (рис.10-б). Для такого источника света фотометрическое тело представляет собой шар, лежащий на поверхности. КСС – окружность с диаметром равным силе света I₀ для направления 0°. Сила света I_a для произвольного направления α : I_ = I₀ cos α .

Тела, которые обладают такой КСС, называют косинусными излучателями.

• Цилиндр, у которого светится боковая поверхность (рис.10-в). Для такого источника света фотометрическое тело представляет собой тор, опоясывающий цилиндр. КСС – окружность с диаметром, равным силе света I₉₀ для направления 90°. Сила света I_a для произвольного направления α: I_ = I₉₀ sin α .