13.2. Светотехнические понятия и определения

13.2.1. Основные светотехнические единицы

Глаз человека неодинаково чувствителен к излучению в видимом диапазоне. Максимальная спектральная световая эффективность соответствует длине волны 555 нм (желто-зеленый цвет).

При измерениях лучистого потока оценивают абсолютную величину светового потока, распределение его в пространстве, плотность в угле излучения, а также плотность по поверхности, на которую он падает [4, 5].

Для характеристики светотехнических устройств и условий освещенности в системе единиц СИ применяют ряд параметров (рис. 13.2).

Световой поток (F) - мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею зрительному ощущению или по ее действию на селективный приемник света (пример: глаз человека). В СИ измеряется в люменах (лм). 1 лм - это световой поток, излучаемый в единичном телесном угле (стерадиан) равномерным точечным источником с силой света в 1 канделу (кд). Световой поток в 1 лм излучает нагретый платиновый излучатель площадью 0,5305 мм² в момент затвердения платины (2042° К).

(13.1)

где I - сила света, кандела (кд); ω - телесный угол, стерадиан (ср).

Рис. 13.2 Схема, иллюстрирующая основные светотехнические понятия

К примеру, значение светового потока у лампы накаливания мощностью 40 Вт при напряжении 220 В составляет 400 лм.

Телесный угол (ω) – пространственный угол, образованный в центре сферы вершиной конуса, основание которого находится на поверхности сферы. Телесные углы измеряются в стерадианах и определяются как отношение поверхности, занимаемой основанием конуса, к квадрату радиуса сферы. Телесный угол с вершиной в центре сферы определяется отношением площади участка поверхности сферы, на которую опирается этот угол, к квадрату радиуса сферы.

Сила света (I) – это световой поток, распространяющийся внутри телесного угла, равного 1 стерадиану. В системе СИ измеряется в канделах (кд). 1 кд – сила света, испускаемая с поверхности площадью 1/600000 м² полного излучателя (государственный световой эталон) в перпендикулярном направлении при температуре затвердевания платины (2046,65 К) и давлении 101325 Па. Средняя сила света лампы накаливания мощностью 100 Вт составляет около 100 кд.

Освещенность (Е) - отношение светового потока к величине освещаемой площади:

(13.2)

где S - площадь освещаемой поверхности, м².

За единицу освещенности в системе СИ принят люкс (лк). Световой поток в 1 лм, падающий на площадь в 1 м², создает освещенность, равную 1 лк (1 лк=1 лм/м²). Освещенность отдельной рабочей поверхности в зависимости от силы света I и расстояния ее от источника света r:

E = I cosά/r², (13.3)

где ά - угол между падающим лучом света и нормалью, опущенной из точечного источника света на освещаемую поверхность.

Например: освещенность в летний полдень составляет 100 000 лк, в полнолуние 0,2 лк, в безлунную ночь 0,0003 лк. Освещенность в учебной аудитории составляет 200 лк.

Яркость (B) – мера светового излучения самосветящейся поверхности (или поверхности, светящейся отраженным светом). За единицу яркости принят стильб (сб) – яркость светящейся поверхности, с 1 м² которой излучается свет с силой в 1 кд (рис. 13.3).

Имеем

. (13.4)

Если отражение (излучение) света происходит под углом, то

В = I/S cosά

Рис. 13.3 Яркость

Скорость и точность зрительного восприятия зависят от контраста яркости объекта различения В_о и фона В_ф поверхности, на которой рассматривается объект. Количественно контраст характеризуется показателем:

(13.5)

Если k > 0,5, то контраст большой; если k = 0,2 - 0,5 – контраст средний; при k < 0,2 - контраст малый.

Блескость – причина утомления глаза и снижения общей работоспособности. Слепящее действие зависит также от контраста детали и фона (различие яркостей между ними), и чем они меньше, тем слепимость больше.

Яркость поверхности зависит и от способности самой поверхности отражать световой поток, которая определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока F_отр к падающему на нее F_пад:

где  – коэффициент отражения, %.

Примерные значения яркости некоторых поверхностей: вольфрамовая нить лампы накаливания – 7 кд/м², Солнце в зените - 10 кд/м², снег в полнолуние - 0,05 кд/м².

Отражение светового потока зависит от окраски и строения поверхности, излучающей в перпендикулярном направлении с каждого квадратного метра силу света, равную одной канделе.

Для создания нормальных условий освещенности на рабочих местах и в производственных помещениях пользуются двумя видами освещения – естественным и искусственным. Комбинация этих двух видов представляет собой совмещенное (комбинированное) освещение.

Контраст (C) - характеризует относительную яркость объекта внимания по отношению к фону В_о/В_ф (обратный контраст) или наоборот (прямой контраст):

при этом: при C > 0,5 контраст считается большим, C = 0,2 - 0,5 - контраст считается средним, при C < 0,2 – малым.

Коэффициент отражения (R) - численно равен отношению количества отраженного светового потока F к падающему на освещенную поверхность:

Для поверхности белого цвета R = 0,9, желтого – R = 0,60-0,75; серого – R = 0,3 - 0,75; синего - R = 0,13 - 0,55; черного - R = 0,07. Светлая поверхность (фон) имеет R > 0,4; при R = 0,2- 0,4 – средний (фон); темный (фон) - R < 0,2.

Световая отдача (СО) – светотехническая единица определяющая степень экономичности источника света, численно равная отношению светового потока, создаваемого источником света к мощности, потребляемой этим источником, лм/Вт:

где: r - расстояние от источника до точки измерения освещенности, м;

Р - мощность, потребляемая источником, Вт.

Цветовая температура (Т_с) – характеристика, определяющая цветность ламп и цветовую тональность (теплую, нейтральную или холодную) освещаемого этими источниками пространства. Она примерно равна температуре нагретого тела одинакового по цвету с заданным источником света. Цветовая температура измеряется в градусах по шкале Кельвина (К).

Цветовую температуру ламп обычно подразделяют на три диапазона:

- теплый белый (2000-3800 K);

- нейтральный белый (3800-4500 K);

- холодный белый (от 4800 K).

Например, наиболее комфортная цветовая температура ламп, предназначенных для освещения жилых помещений, считается в диапазоне теплого и нейтрального белого излучения 2800-4500 K. В практической светотехнике принято ассоциировать цветовую температуру, воспроизводимую искусственными источниками света (лампами) различного типа, в соответствии с естественным источником освещения:

- пламя: 1600-2000 К - свеча;

- солнце: 3500 К - у горизонта за 1 час до восхода/заката, 6500 К - в зените;

- луна: 4125 К - полнолунье.

Цветопередача (R_a) - общее понятие, характеризующее влияние спектрального состава источника света на зрительное восприятие цветных объектов, сознательно или бессознательно сравниваемое с восприятием тех же объектов, освещенных стандартным источником света. Измеряется в %.