СВЕТОТЕХНИКА

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Для оценки количественных и качественных параметров света разработана специальная система световых величин.

Основной мерой света можно считать световой поток, обозна­чаемый в светотехнической литературе буквой Ф. Фактически свето­вой поток — это мощность светового излучения, измеренная не в привычных ваттах или лошадиных силах, а в специальных единицах, называемых люменами (сокращенное обозначение в русскоязычной технической литературе — лм, в иностранной — lm).

Что же такое люмен? Люмен — это 1/683 ватта светового моно­хроматического, то есть строго одноцветного, излучения с длиной волны 555 нм, соответствующей максимуму кривой спектральной чув­ствительности глаза. Величина 1/683 появилась исторически, когда основным источником света были обычные свечи, и излучение только появлявшихся электрических источников света сравнивалось со све­том таких свечей. В настоящее время эта величина (1/683) узаконена многими международными соглашениями и принята повсеместно.

Световой поток от источников света — будь то простая спичка или сверхсовременная электрическая лампа — как правило, распро­страняется более или менее равномерно во все стороны. Однако с помощью зеркал или линз свет можно направить нужным нам обра­зом, сосредоточив его в некоторой части пространства. Часть или доля пространства характеризуется телесным углом. Понятие «теле­сный угол» прямого отношения к свету не имеет, однако использует­ся в светотехнике настолько широко, что без него невозможно объяс­нение многих светотехнических терминов и величин.

Телесный угол — это отношение площади, вырезаемой этим углом на сфере произвольного радиу­са R, к квадрату этого радиуса (см. рис. 3). В технической литературе те­лесные углы обычно обозначаются гре­ческой буквой со и измеряются в сте­радианах (сокращенно ср):

о = S/R2.

Очевидно, что величины S и R должны измеряться в одинаковых единицах.

Если световой поток Ф от какого-либо источника света сосре­доточить в телесном угле ю, то можно говорить о силе света этого источника как об угловой плотности светового потока. Таким обра­зом, сила света (обозначается буквой I) — это отношение светового потока, заключенного в каком-либо телесном угле, к величине этого угла:

I = Ф/ю.

Если источник света светит равномерно по всему пространству, то есть в телесном угле 4п (так как площадь сферы равна 4nR2), то сила света такого источника равна Ф/4п, т. е. Ф/12,56. Сила света измеряется в канделах (сокращенное русское обозначение кд, ино­странное — cd). Слово кандела переводится на русский язык как све­ча, и именно свечой называлась единица силы света в СССР до 1963 года. Одна кандела — это сила света источника, излучающего свето­вой поток 1 лм в телесном угле 1 ср. Примерно такую силу света имеет обычная стеариновая свеча (отсюда ясно, что световой поток такой свечи равен примерно 12,56 лм).

Свет от какого-либо источника нужен, как правило, для того, что­бы осветить конкретное место — рабочий стол, витрину, улицы и т. п. 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 Ф падает на какую-то площадь S, то средняя освещенность этой площади (обозначается буквой Е) равна:

Е = Ф/S.

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

1 лк = 1 лм/ 1 м2 .

Чтобы представить себе эту величину, скажем, что освещенность около 1 лк создается стеариновой свечой на плоскости, перпендику­лярной направлению света, с расстояния 1 метр. Для сравнения: ос­вещенность от полной Луны на поверхности Земли зимой на широте Москвы не превышает 0,5 лк; прямая освещенность от Солнца в лет­ний полдень на широте Москвы может достигать 100 000 лк.

Допустим, что на рабочем столе освещенность равна 100 лк. На столе лежат листы белой бумаги, какая-то папка черного цвета, книга в сером переплете. Освещенность всех этих предметов одинакова,
а глаз видит, что листы бумаги светлее книги, а книга — светлее пап­ки. То есть наш глаз оценивает светлоту предметов не по их осве­щенности, а по какой-то другой величине. Эта «другая величина» на­зывается яркостью. Яркость поверхности S — это отношение силы света I, излучаемой этой поверхностью в каком-либо направлении, к площади проекции этой поверхности на плоскость, перпендикулярную выбран­ному направлению (рис. 4). Как извест­но, площадь проекции какой-либо плос­кой поверхности на другую плоскость равна площади этой поверхности, ум­ноженной на косинус угла между плос­костями. В технической литературе яр­кость обозначается буквой L:

понятия «Яркость»

L = I / S cos а.

В этой формуле I — сила света поверхности в определенном направлении (например, плоскости рабочего стола или лежащих на нем предметов); S — площадь этой поверхности; а — угол между перпендикуляром к плоскости и направлением, в котором мы хотим знать яркость (например, линией зрения, то есть линией, соединя­ющей глаз и оцениваемую поверхность).

Если для светового потока, силы света и освещенности суще­ствуют специальные единицы измерения (люмен, кандела и люкс), то для единицы измерения яркости специального названия нет. Правда, в старых (до 1963 года) учебниках по физике, светотехнике, оптике и в другой технической литературе было несколько названий единиц измерения яркости: в русскоязычной — нит и стильб, в англоязыч­ной — фут-ламберт, апостильб и др. Международная система СИ ни одну из этих единиц не приняла, а принятой единице измерения яркости специального названия не придумала.

За единицу измерения яркости сейчас во всех странах при­нята яркость плоской поверхности, излучающей силу света в 1 кд с одного квадратного метра в направлении, перпендикулярном светя­щей поверхности, то есть 1 кд/м2.

От чего же зависит яркость предметов?

Прежде всего, конечно, от количества попадающего на них све­та. Но в приведенном примере на все предметы, лежащие на столе, попадает одинаковое количество света. Значит, яркость зависит и от свойств самих предметов, а именно — от их способности отражать падающий свет.

Способность предметов отражать падающий на них свет харак­теризуется коэффициентом отражения, обычно обозначаемым гре­
ческой буквой р. Коэффициент отражения — это отношение вели­чины светового потока, отраженного от какой-либо поверхности, к световому потоку, падающему на эту поверхность от какого-либо ис­точника света или светильника:

р = Фотраженным / Фпадающий.

Чем выше коэффициент отражения предмета, тем более свет­лым он нам кажется. В приведенном примере с рабочим столом ко­эффициент отражения листов бумаги выше, чем переплета книги, а у этого переплета — выше, чем у папки.

Коэффициент отражения материалов зависит как от свойств самих материалов, так и от характера обработки их поверхности. От­ражение может быть направленным в какую-то одну сторону или рас­сеянным в определенном телесном угле. Возьмем лист обычной бе­лой писчей бумаги или ватмана. С какой бы стороны и под каким бы углом мы на такой лист не смотрели, он кажется нам одинаково свет­лым, то есть яркость его по всем направлениям одинакова. Такое отражение называется диффузным или рассеянным; соответствен­но, поверхности с таким характером отражения также называются диф­фузными. Это неглянцевая бумага, большинство тканей, матовые крас­ки, побелка, шероховатые металлические поверхности и многое другое.

Но если мы начнем полировать шероховатую металлическую поверхность, то характер ее отражения начнет изменяться. Если поверхность отполирована очень хорошо, то весь падающий на нее свет будет отражаться в одну сторону. При этом угол, под которым отражается падающий свет, точно равен углу, под которым он па­дает на поверхность. Такое отражение называется зеркальным, а равенство углов падения и отражения света является одним из базовых законов светотехники: на этом законе основаны все ме­тоды расчетов прожекторов и светильников с зеркальной оптичес­кой частью.

Кроме зеркального и диффузного отражения, существует на­правленно-рассеянное (например, от плохо отполированных ме­таллических поверхностей, шелковых тканей или от глянцевой бу­маги), а также смешанное (например, от молочного стекла). На рис. 5 (см. след. страницу) показаны примеры различного харак­тера отражения материалов.

Кривая, характеризующая угловое распределение коэффициен­та отражения, называется индикатрисой отражения.

Для поверхностей с диффузным отражением яркость связана с освещенностью простым соотношением:

Ldu<p<p = E р/п •

Яркость зеркальной поверхности равна яркости отражающихся в ней пред­метов (источников света, потолка, стен и т. п.), умноженной на коэффициент от­ражения:

^зерк = р Lотраженных предметов.

Для оценки яркости предметов и поверхностей с направленно-рассеян­ным и смешанным отражением необхо­димо знать индикатрисы отражения.

Четыре названных световых вели­чины — световой поток, сила света, ос­вещенность и яркость — это те важней­шие понятия, без знания которых не­возможно объяснение работы источни­ков света и осветительных приборов. Однако для такого объяснения необхо­димо еще и знание светотехнических характеристик материалов.

С одной из таких характеристик — коэффициентом отражения — мы уже познакомились. Но в природе нет мате­риалов, отражающих весь падающий на них свет, то есть материалов, у которых р = 1. Та доля света, которая не отража­ется от материала, в общем случае де­лится еще на две части: одна часть про­ходит сквозь материал, другая поглоща­ется в нем. Доля света, которая прохо­дит сквозь материал, характеризуется коэффициентом пропускания (обозна­чается греческой буквой т); а доля, ко­торая поглощается — коэффициентом поглощения (обозначается а):

т = Фпрошедший / Фпадающий.

а = Ф погё. ощ. еи. и.ы. й / Ф:

поглощенный / Фпадающий .

Соотношения между этими тремя коэффициентами — отраже­ния, поглощения и пропускания — могут быть самыми разными, но во всех без исключения случаях сумма трех коэффициентов равна единице:

р + т + а = 1.

В природе нет ни одного материала, у которого хотя бы один из трех коэффициентов был равен 1. Наибольшее диффузное отраже­ние имеют свежевыпавший снег (р ~ 1), химически чистые сернокис­лый барий и окись магния (р = 0,96). Наибольшее зеркальное отраже­ние у чистого полированного серебра (р = 0,92) и у специально обра­ботанного алюминия (по рекламным данным, алюминий марки «Miro» немецкой фирмы Alanod имеет р = 0,95).

Величина коэффициента пропускания указывается в справоч­ной литературе для определенной толщины материала (обычно для 1 см). К наиболее прозрачным материалам можно отнести особо чи­стый кварц и некоторые марки полиметилметакрилата (органическо­го стекла), у которых р = 0,99/см.

Гипотетическое (реально несуществующее!) вещество с коэф­фициентом поглощения, равным 1, называется «абсолютно черным телом» — к этому понятию мы еще обратимся при объяснении рабо­ты тепловых источников света.

Как и отражение, пропускание света может быть направленным (у силикатных или органических стекол, поликарбоната, полистиро­ла, кварца и т. п.), диффузным или рассеянным (молочные стекла), направленно-рассеянным (матированные стекла) и смешанным.

Подавляющее большинство материалов по-разному отражает, пропускает или поглощает свет с разной длиной волны, то есть раз­ного цвета. Именно это свойство материалов определяет их цвет и создает многокрасочность окружающего нас мира. Для полной ха­рактеристики светотехнических свойств материалов необходимо знать не только абсолютные значения их коэффициентов отражения, про­пускания и поглощения, но и распределение этих коэффициентов в пространстве (индикатрисы) и по длинам волн. Распределение коэф­фициентов по длинам волн называется спектральными характери­стиками (отражения, пропускания или поглощения).

Все три названных коэффициента являются относительными (безразмерными) величинами и измеряются в долях единицы или в процентах (в техже долях, умноженных на 100).