Основні світлотехнічні величини

Основні світлотехнічні величини: світловий потік, освітленість, яскравість, сила світла.

Світловий потік

Основною мірою світла є світловий потік, який позначається буквою Ф. Світловий потік – це потужність світлового випромінювання, що вимірюється в люменах (Lm або Лм).

Люмен – це 1\683 ватта,  світлового монохроматичного, тобто одного кольору, випромінювання з довжиною хвилі 555 нм, що відповідає максимуму кривій спектральній чутливості ока.

Величина 1\683 виникла історично, тому що раніше головним джерелом були звичайні свічки.

Світловий потік поширюється більш менш рівномірно, но завдяки дзеркалам  та лінзам світло можна направляти певним чином, зосередивши його в певному просторі.

Частина простору характеризується тілесним кутом. В основні світлотехнічні величини поняття тілесний кут прямого відношення не має, втім широко використовується в світлотехніці.

Тілесний кут рівний відношенню площі, що вирізає даний кут на сфері довільного радіуса R до квадрата цього радіусу. Тілесний кут позначається Ω вимірюється в стерадіанах.

Ω = S / R²

Рис 1.

Сила світла

Світловий потік Ф від будь-якого джерела світла можна сконцентрувати в деякому тілесному куті. В такому випадку можна говорити про силу світла цього джерела як о ступені концентрації, тобто про кутову щільність світлового потоку.

Таким чином сила світла позначається І – це відношення світлового потоку, заключеного в якомусь тілесному куті, до величини цього кута.

I = Ф /Ω.

Якщо джерело світла світить рівномірно по всьому просторі, тобто в тілесному куті 4π, то сила світла такого джерела світла дорівнює Ф/4π. Сила світла вимірюється в канделах (cd). Слово кандела переводиться  як свічка. Одна кандела – це сила світла джерела що випромінює світловий потік в 1 лм в тілесному куті 1 ср.

Освітленість

Світло від джерела зазвичай потрібне для освітлення якоїсь поверхні наприклад робочого місця. Для характеристики освітлення вводиться ще одна величина.

Освітленість (Е) – це величина світлового потоку, що проходиться на одиницю площі освітлюваної поверхні. Якщо світловий потік падає на площу S, то середня освітленість цієї площі рівна:

Е = Ф / S

Одиниця вимірювання освітленості називається люкс(лк або lx). Один люкс – це освітлення при якому світловий потік падає на площу 1 м2.

1 лк = 1 лм / 1 м2

Освітленість на поверхні від джерела світла з силою світла І визначається формулою:

E = I • cos α/l²

l – відстань від джерела світла до освітлювальної поверхні.

α – кут падіння світла на поверхню яка освітлюється. Кут між направленням світла і перпендикуляром до цієї поверхні.

Яскравість

Яскравість поверхні  S – це відношення сили світла , що випромінює ця поверхня в будь-якому напрямку до площини проекції цієї поверхні на плоскість  перпендикулярно вибраному направленню.

Рис 2.

Площа проекції на будь-якої плоскої поверхні на іншу плоскість дорівнює площі цієї поверхні, помноженої на косинус кута між плоскостями. Яскравість позначається L:

L = I / S • cos α.

В цій формулі I – сила світла поверхні в певному напрямку

S- площа цієї поверхні

α – кут між перпендикуляром до площини і направленням в якому ми хочемо знати яскравість.

Спеціальної одиниці вимірювання яскравості немє.

За одиницю вимірювання яскравості приймають яскравості приймають яскравість поверхні що випромінює силу світла в 1кд з одного квадратного метра в направленні перпендикулярній поверхні що світиться, тобто 1кд\м2.

Чотири названі світлові величини – світловий потік, сила світла, освітленість і яскравість – це основні світлотехнічні величини, без знання яких неможливо пояснення роботи джерел світла та освітлювальних приладів.

Втім для пояснення необхідно ще і знання светотехнічних характеристик матеріалів .

Коефіцієнт відбиття

Яскравість залежить від самих предметів – їх здатності відбивати світло. Здатність предметів відбивати попадаюче на них світло характеризується коефіцієнтом відбиття ρ.

Коефіцієнт відбиття – це відношення величини світлового потоку, відбитої від будь-якої поверхні, до світлового потоку падаючому на цю поверхню від будь-якого джерела світла.

  ρ = Фвідбитий – Фпопадаючий.

Чим більший коефіцієнт відбиття предмета, тим світліше він здається.

Коефіцієнт відбиття матеріалів залежить від властивостей матеріалу, так і від обробки поверхні матеріалу. Відбиття може бути направленим в одну сторону або розсіяне  в певному тілесному куті.

Якщо взяти лист звичайної білого паперу або ватмана. З якої сторони і під ким кутом на нього не дивитись, то він буде однаково світлим тобто яскравість по всім напрямкам однакова. Таке відбиття називається дифузним або розсіяним (Рис. 3 в), а поверхні з таким відбиттям дифузними.

Якщо почати полірувати шершаву поверхню то характер відбиття буде змінюватись. Якщо поверхня добре відполірована то світло буде відбиватись в одну сторону. При цьому кут під яким буде відбиватись падаюче світло буде дорівнювати куту під яким воно падає на поверхню. Таке відбиття називається дзеркальним (Рис. 3 а).

Рис. 3

Також існує направлено-розсіяне (Рис. 5 б), а також змішане (Рис. 5 г).

Крива, що характеризує кутове розподілення коефіцієнта відбиття, називається індикатрисою відбиття.

Для поверхонь  з дифузним відбиттям яскравість зв’язана з освітленням:

Lдиф = E • ρ / π.

Яскравість дзеркальної поверхні рівна яскравості  предметів що відбиваються в ній помноженій на коефіцієнт відбиття.

Lдзерк = ρ Lвідбитих предметів

В природі не існує матеріалів що відбивають все падаюче на них світло, тобто з коефіцієнтом відбиття ρ = 1. Частина світла яка не відбивається від матеріала ділиться ще на дві частини, одна частина проходить через матеріал, а інша поглинається ним. Частина світла що проходить через матеріал характеризується коефіцієнтом пропускання позначається τ, а частина що поглинається коефіцієнтом поглинання пзначається α.

τ = Фпропускається/ Фпадаючий.

α = Фпоглинається / Фпадаючий.

Відношення між цими коефіцієнтами мож бути різними но без виключень сума трьох коефіцієнтів повинна бути 1:

ρ + τ + α = 1

В природі не існує матеріалу в якому один коефіцієнт дорівнював 1.

Більшість матеріалів по різному поглинає, відбиває чи пропускає світло з різною довжиниою хвилі, тобто різного кольору. Саме ця властивість матеріалів визначає їх колір.

Для повної характеристики світлотехнічних властивостей матеріалів варто знати не тільки абсолютне значення їх коефіцієнтів відбиття, поглинання, пропускання. Но і розподілення їх в просторі по довжині хвиль.

Спектральні характеристики

Розподілення по довжині хвиль називається спектральними характеристиками.

Спектральний склад світла і спектральні характеристики відбиття чи пропускання матеріалів визначають колір світла.

Для більш точного описання кольру було розроблено декілька колометричних систем, найбільш розповсюджена це система координат кольоровості.

На Рис. 4 представлено поле реальних кольорів. На обмежувальній лінії що називається локусом, відмічені довжини хвиль монохроматичних випромінювань які сприймаються оком людини від – 420 до 700 нм. Коротше 420 нм очі людини не сприймає по кольоровості а сприймає як однакове червоне і фіолетове.

Кінці локусу з’єднані прямою лінією «пурпурних кольорів», тобто таких кольорів, які не є монохроматичними випромінюваннями, а виходять лише в результаті змішування в певних пропорціях фіолетового і червоного кольорів. Усередині області, що обмежена локусом і замикає його кінці прямою лінією, розташовані всі існуючі в природі кольори. Кожному кольороу відповідають точні координати кольоровості х і у. Таким чином, будь-який колір може бути виражений з допомогою  двох координат кольоровості – х і у – і інтенсивності випромінювання (то, що в повсякденному житті називається, наприклад, темно-червоний, світло-червоний і т. п.).

Колірна температура

Середня частина колірного поля – це область білих кольорів. У ній проведена жирною лінією крива теплового випромінювання, тобто крива координат кольоровості білого світла, одержуваного при нагріванні абсолютно чорного тіла до певної температури. колір випромінювання теплових джерел світла (ламп розжарювання) дуже точно відповідає цій кривій. температура тіла що випромінює, при якій його колір найбільш близький до кольору абсолютно чорного тіла, називається колірною температурою (Тс). Біле світло газорозрядних джерел світла, як правило, лежить поза кривої теплового випромінювання. Кольоровість випромінювання таких джерел оцінюється по корелятивноколірній температурі, тобто по температурі теплового випромінювання, найбільш близького за кольором до джерела що  порівнюється.

RGB

Колірний графік, зображений на рис. 4, має цікаву властивість: якщо ми будемо підсумовувати випромінювання двох різних кольорів, то координати кольоровості що отримаємо в результаті змішування нового кольору завжди будуть перебувати на прямій лінії, що з’єднує координати вихідних кольорів. Змішуючи три кольорових випромінювання, можна отримати будь-який колір, що знаходиться всередині трикутника, утвореного точками координат вихідних кольорів. Очевидно, що білий колір може бути отриманий безліччю комбінацій трьох монохроматичних (Однорідних) випромінювань. Для зручності користування принято вважати основними три кольори – червоний, зелений і синій (На німецькій мові – rot, grűn, blau, англійською – red, green, blue). Якщо вихідні кольори є строго монохроматичними, тобто розташованими безпосередньо на локусі, то, комбінуючи їх в певних пропорціях, можна отримати необмежену кількість нових кольорів з практично будь-яким кольором, лежачим усередині трикутника вихідних кольорів.  

При цьому, чим ближче до локусу і чим далі один від одного розташовані координати кольоровості вихідних кольорів, тим більшу площу буде займати трекутник і відповідно, можна буде отримати більшу кількість колірних відтінків сумарного світла. За першими буквами іноземних назв основних кольорів технологія отримання нових кольорів на базі червоного, зеленого і синього випромінювань називається «технологією RGB». В даний час така технологія використовується виключно широко для створення різних колорових ефектів нприклад: RGB-світлодіоди які використовують в світлодіодних стрічках .