2.2 Источники света. Цветовая температура

Световой поток, сила света, освещенность и яркость - важнейшие понятия, без знания которых невозможно объяснение работы источников света и осветительных приборов.

Световой поток Ф - энергия световых электромагнитных волн, переносимая в единицу времени через некоторую площадь поверхности и оцениваемая по зрительному ощущению. Для монохроматического света, соответствующему максимуму спектральной чувствительности глаза ( ), световой поток равен 683 люменам (лм), если мощность излучения равна одному ватту. Световой поток создается источником света и воздействует на окружающие предметы.

Сила света, одна из основных световых величин, характеризующая источник видимого излучения. Сила света в общем случае различна для различных направлений от источника; она равна отношению светового потока (F), распространяющегося от источника внутри элементарного (т. е. очень малого) телесного угла ( ), который содержит данное направление, к этому телесному углу [6,14].

Единица силы света в Международной системе единиц СИ - кандела (кд). Слово кандела переводится на русский язык как свеча. Одна кандела - это сила света равная 1/600000 м² платины (Pt) при температуре ее плавления 1769 С и давлении 101325 Па.

Понятие силы света применимо только на таких удалениях от источника, которые намного превышают его размеры.

Для характеристики освещения конкретных мест вводится еще одна световая величина - освещенность.

Освещенность - это величина светового потока, приходящаяся на единицу площади освещаемой поверхности. Если световой поток F падает на какую-то площадь , то средняя освещенность этой площади (обозначается буквой Е) равна:

;

Единица измерения освещенности называется люксом (сокращенное обозначение в русскоязычной литературе - лк). Один люкс - это освещенность, при которой световой поток 1 лм падает на площадь в 1 квадратный метр: 1 лк = 1лм/1 м².

Для характеристики свойств источника света нужно знать силу света, рассчитанную на единицу видимой величины поверхности источника, эта величина называется яркостью источника.

Яркость - отношение освещённости (Е) в точке плоскости, перпендикулярной направлению на источник, к элементарному телесному углу, в котором заключён поток, создающий эту освещённость:

где - телесный угол,

q - угол между перпендикуляром к этому участку и направлением излучения

Единицы измерения яркости - кд·м^-2.

Из всех световых величин яркость наиболее непосредственно связана со зрительными ощущениями, так как освещённость изображений предметов на сетчатке пропорциональна яркостям этих предметов [6,14].

Для реализации возможности сравнения между собой результатов различных цветовых измерений МКО рекомендован ряд стандартных излучений и воспроизводящих их источников освещения, с определенной цветовой температурой.

Цветовая температура - температура абсолютно черного тела, при которой оно излучает свет такого же спектрального состава, как и рассматриваемое излучение. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Цветовая температура выражается в Кельвинах (К).

Идеальная модель черного тела – замкнутая плоскость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена (рисунок 12). Луч света, попавший внутрь такой поверхности, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. При размере отверстия, меньшем 0,1 диаметра плоскости, падающее излучение всех частот «полностью поглощается» [6,14,15].

Рисунок 12 - Модель абсолютно черного тела

Стандартный источник освещения А, соответствующий свету вольфрамовой лампы накаливания с коррелированной цветовой температурой Т=2856 К, предназначен для колориметрического определения индекса метамеризма.

Излучение В (прямой солнечный свет, полдень) 4870 К.

Основным стандартным источником освещения для колориметрических измерений МКО принят источник освещения D₆₅, соответствующий естественному дневному свету с коррелированной цветовой температурой Т=6500 К.

Стандартный источник освещения С соответствует естественному рассеянному дневному свету с коррелированной цветовой температурой Т=6774 К.

Источник освещения F ₁₁ воспроизводит свет узкополосной белой флуоресцентной лампы с коррелированной цветовой температурой 4000 К.

Чем ниже цветовая температура, тем свет мы воспринимаем теплее.

В настоящее время излучение D65 рекомендовано МКО как номинально белый цветовой стимул для нормировки равноконтрастных цветовых координат a, b системы CIEL*a*b* [5].

В полиграфии, кроме D65, нашли применение стандартные источники D50, D55 и D75 с цветовыми температурами 5000, 5500 и 7500 К соответственно. Первые два имеют по сравнению с D65 желтоватый оттенок, D75 - голубоватый.

Существенным недостатком стандартных источников освещения B и С является значительное расхождение их спектральных характеристик с реальным спектром дневного освещения в УФ зоне.

Недостатком источников D является сложность их эмуляции с помощью искусственных источников света. В настоящее время для этого применяются галогенные лампы накаливания с голубым стеклянным фильтром, ксеноновые лампы с фильтром, а также люминесцентные лампы [2].

Числовые величины спектрального распределения энергии S() для стандартных источников освещения D₆₅, А и F ₁₁ приведены в таблице 3 [5].

Таблица 3 – Распределение относительной спектральной энергии от стандартного источника освещения D₆₅, А и F ₁₁ для интервала длин волн 5 нм

λ нм	Sλ D65	Sλ A	Sλ F11	λ нм	Sλ D65	Sλ A	Sλ F11
380	49.98	9.80	0.91	465	116.34	40.30	6.13
385	52.31	10.90	0.63	470	114.86	42.87	5.46
390	54.65	12.09	0.46	475	115.39	45.52	4.79
395	68.70	13.35	0.37	480	115.92	48.24	5.66
400	82.76	14.71	1.29	485	112.37	51.04	14.29
405	87.12	16.15	12.68	490	108.81	53.91	14.96
410	91.49	17.68	1.59	495	109.08	56.85	8.97
415	92.46	19.29	1.79	500	109.35	59.86	4.72
420	93.43	21.00	2.46	505	108.58	62.93	2.33
425	90.06	22.79	3.38	510	107.80	66.06	1.47
430	86.68	24.67	4.49	515	106.30	69.25	1.10
435	95.77	26.64	33.94	520	104.79	72.50	0.89
440	104.86	28.70	12.13	525	106.24	75.79	0.83
445	110.94	30.85	6.95	530	107.69	79.13	1.18
450	117.01	33.09	7.19	535	106.05	82.52	4.90
455	117.41	35.41	7.12	540	104.41	85.96	39.49
460	117.81	37.81	6.72	545	104.23	89.41	72.84
550	104.05	92.91	32.61	670	82.28	178.77	1.54
555	102.02	96.44	7.52	675	80.28	182.12	1.33
560	100.00	100.00	2.83	680	78.28	185.43	1.46
565	98.17	103.58	1.96	685	74.00	188.70	1.94
570	96.33	107.18	1.67	690	69.72	191.93	2.00
575	96.06	110.80	4.43	695	70.67	195.12	1.20
580	95.79	114.44	11.28	700	71.61	198.26	1.35
585	92.24	118.08	14.76	705	72.98	201.36	4.10
590	88.69	121.73	12.73	710	74.35	204.41	5.58
595	89.35	125.39	9.74	715	67.98	207.41	2.51
600	90.01	129.04	7.33	720	61.60	210.36	0.57
605	89.80	132.70	9.72	725	65.74	213.27	0.27
610	89.60	136.35	55.27	730	69.89	216.12	0.23
615	88.65	139.99	42.58	735	72.49	218.92	0.21
620	87.70	143.62	13.18	740	75.09	221.67	0.24
625	85.49	147.23	13.16	745	69.34	224.36	0.24
630	83.29	150.84	12.26	750	63.54	227.00	0.20
635	83.49	154.42	5.11	755	55.01	229.59	0.24
640	83.70	157.98	2.07	760	46.42	232.12	0.32
645	81.86	161.52	2.34	765	56.61	234.59	0.26
650	80.03	165.03	3.58	770	66.81	237.01	0.16
655	80.12	168.51	3.01	775	65.09	239.37	0.11
660	80.21	171.96	2.48	780	63.38	241.68	0.09
665	81.25	175.38	2.14

При изменении спектрального состава освещения визуально воспринимаемые различия между одними цветами усиливаются, а между другими ослабевают. Например, при желтоватом освещении, создаваемом лампами накаливания, синие и зелёные цвета различаются хуже, чем красные и оранжевые, а при синеватом освещении в пасмурную погоду, наоборот, хуже различаются красные и оранжевые цвета.

При слабом освещении все цвета различаются хуже и воспринимаются менее насыщенными («эффект сумеречного зрения») и максимальная чувствительность человеческого глаза при этом смещается из желто-зеленой области спектра в зеленую (эффект Пуркинье). При очень сильном освещении цвета воспринимаются тоже менее насыщенными и «разбелёнными» [2].

Имеется много способов измерения цветовой температуры источника света. Простейший способ – измерение по цветному эталону – ленте со шкалой цветовой температуры. Лента помещается под лучами источника света, и температура определяется по той ее части, которая более всего совпадает с цветом источника. Более точный способ – измерение специальным прибором, который сравнивает относительную интенсивность красного и синего излучений, испускаемых источником света.

Цветовая температура является хорошим критерием для классификации характеристик раскаленных источников со сплошным (непрерывным) спектром. Источники света такие как, натриевые и ртутные уличные лампы или флуоресцентные лампы, имеют прерывистый или линейчатый спектр излучения. Их характеристики нельзя оценить методом цветовой температуры, поскольку их излучение невозможно сравнить с излучением раскаленного объекта [15].