1.2. 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 ( =1 ср)

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

Сила света – это пространственная плотность светового потока в любом направлении. Сила света I определяется отношением светового потока, заключенного в каком-либо телесном угле , 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;

 – 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  называют величину, равную отношению силы света I в направлении  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,

 +  +  = 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

Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания материалов

Материал	Коэффициент
	отражения	поглощения	пропускания
Зеркало	0,85	0,15
Белая краска	0,8	0,2
Белая бумага	0,75	0,25
Желтая краска	0,4	0,6
Черная ткань (сукно)	0,02	0,98
Оконное стекло	0,08	0,02	0,9
Матированное стекло	0,1	0,05	0,85
Молочное стекло	0,45	0,15	0,4