Учебное пособие разработал



жүктеу 2.78 Mb.
бет17/17
Дата21.04.2019
өлшемі2.78 Mb.
түріУчебное пособие
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   17

Приложение 2

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ВЫРАЖЕНИЯ

П.2.1 Стандарты светотехники


Световые явления включают в себя процессы излучения, переноса и приема этой энергии. Величины, численно характеризующие световые явления, включены в Международную систему единиц (СИ). Эта система была принята в 1960 г. 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам, и утверждена в СССР в качестве стандарта ГОСТ 9867 в 1961 г. При разработке стандарта были учтены дополнения, внесённые в СИ решениями 14-й и 15-й Генеральных конференций по мерам и весам и международными стандартами по единицам измерения Международной организации по стандартам (ИСО).

Используемая в настоящей книге терминология светотехники была разработана в 1946–47 гг. и рекомендована к употреблению Комитетом технической терминологии АН СССР.


П.2.2 Основные световые величины и единицы их измерения


1. Как и всякое электромагнитное излучение, свет при распространении переносит энергию. Энергию излучения Е, отнесенную к единице времени, называют лучистым потоком или потоком энергии:

Р =Е/t, Вт.

Аналогичное понятие в акустике называют звуковой мощностью.

2. Лучистый поток, воспринимаемый органом зрения как свет, называют световым потоком. Единица светового потока — люмен (лм). Её связь с единицей мощности — ваттом — разъясняется далее.

Световое ощущение, создаваемое любым монохроматическим ("одноцветным") лучистым потоком dPλ, т.е. потоком в узком диапазоне длин волн от λ до λ + , определяется выражением



в котором dFλ световой поток, dPλлучистый поток, т.е. мощность излучения в малом интервале длин волн от λ до λ + , А — коэффициент пропорциональности, предназначенный для согласования размерностей лучистого потока (Вт) и светового потока (лм), Кλ — относительная видность, коэффициент, учитывающий различную чувствительность зрения к электромагнитному излучения с различной длиной волны.

Поэтому световой поток оценивают по зрительному ощущению. Равным мощностям лучистой энергии dPλ при различных длинах волн соответствуют различные значения светового потока dFλ. Значения светового потока пропорциональны относительной видности Кλ при соответствующих длинах волн λ. Световой поток суммы нескольких монохроматических излучений с длинами волн λ1, λ2 и т.д.

где Кλ1, Кλ2 и т.д. — значения относительной видности при длинах волн λ1, λ2 и т.д.

Световой поток сложного с непрерывным спектром излучения в границах спектра от λ1 до λ2

, где .

Между мощностью электромагнитного излучения и световым потоком в максимуме относительной видимости (Кλ = 1 при λ = 0,555 мкм, желто-зеленый цвет) экспериментально установлено: одному ватту лучистого потока соответствует 683 люмена светового потока или, наоборот, 1 люмен соответствует 1/683 доли ватта. Для светового потока белого цвета иное соотношение — 1 Вт соответствует 220 лм или, наоборот, 1 лм — 1/220 Вт.

Для оценки значений светового потока источников света приведем два примера. Световой поток обычной лампы накаливания мощностью 100 Вт составляет 0,8...1,5 клм. Световой поток прожекторной лампы накаливания мощностью 5 кВт равен примерно 130 клм.

3. Источники света редко излучают световой поток по всем направлениям равномерно. Необходимо знать распределение светового потока в пространстве.

Угловую плотность светового потока, излучаемого источником света в данном направлении  (рис.П.1.) называют силой света I. Аналогичное понятие в акустике – интенсивность (сила) звука I.

.

Сила света определяется численным значением и направлением, т.е. является вектором. При определении понятия «сила света» предполагается, что световой поток, вступивший в телесный угол ω из его вершины 0, постоянен на всем его пути распространения, т.е. не подвержен затуханию.

Единица силы света — кандела (кд). Можно сопоставить это слово со словом "канделябр" — подсвечник. Единицей телесного угла является стерадиан. Такой телесный угол опирается на участок сферы с площадью S, равной квадрату радиуса. Если источник света в пределах телесного угла, равного стерадиану, излучает световой поток 1 лм, то он обладает в данном направлении силой света 1 кандела.

Площадь поверхности сферы S1 = π r2. Поэтому полный раствор телесного угла ω п = S1/r2 = 4 πr2/r2= 4π2 стер. Если световой поток точечного источника равномерно распределен по всем направлениям, то I= F/4π.

Если предположить, что весь световой поток лампы накаливания мощностью 100 Вт распространяется во все стороны равномерно, то сила света будет составлять I=(800...1400)/4π = 64...120 кд, т.е. сила света в канделах численно примерно равна мощности лампы, выраженной в ваттах. Если с помощью отражателя весь световой поток будет направлен в нижнюю полусферу, сила света удвоится.

Реальные источники света не являются точечными. Понятие же "силы света" применимо лишь к таким их малым частям, которые можно считать точечными. Поэтому, строго говоря, вычислять силу света множества источников, положения которых в пространстве не совпадают, нельзя.

Однако практически с достаточной для инженерных расчетов точностью этим приемом можно пользоваться, полагая, что линейные источника света на порядок меньше расстояния от источника света до освещаемой поверхности.

Понятие "сила света" включено как одно из основополагающих в международную систему единиц. Созданы физически воспроизводимые образцы единицы. Первичный эталон единицы силы света хранится в Париже. Во многих странах имеются вторичные эталоны силы света, подобно тому как существуют вторичные эталоны единицы длины — метра.

4. Через силу света выражают яркость В. Это — плотность силы света излучающей поверхности, причем под излучающей поверхностью понимается не сама площадь излучения SИЗЛ, а площадь ее проекции на плоскость, перпендикулярную направлению α, под которым происходит излучение SИЗЛcosα (рис. П.2.2).

.

Особого названия для единицы яркости нет, а размерность яркости — кд/м2. Итак, яркость — это сила света, отнесенная к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную заданному направлению. Яркость светящейся поверхности, также как и сила света, определяется численными значением и направлением.



Рис. П.1. Рис. П.2.
Яркость — единственная световая величина, на которую непосредственно реагирует глаз. Освещенность сетчатой оболочки глаза в зоне изображения объекта наблюдения прямо пропорциональна его яркости. Поэтому тела, равнояркие в данном направлении воспринимаются глазом как равносветлые.

Для ориентировки приведем значения яркости некоторых источников света (табл.П.2.1).


Таблица П.2.1

Источник света

Яркость кд/м2

Киноэкран

10...30

Экран кинескопа

40...80

Пламя спички

5·103

Нить лампы накаливания

5·106...107

Солнце

1,5·109

5. Наряду с поверхностной плотностью силы света — яркостью — используют понятие светимости Rповерхностную плотность светового потока — отношение светового потока F к площади излучающей поверхности SИЗЛ:



.

Единицей светимости принято считать 1лм на 1м2. Особого названия эта единица не имеет.

Все ранее перечисленные понятия относятся к источникам света. Следующее понятие — освещенность — относится к освещаемым объектам.

6. Освещенность — плотность светового потока, падающего на освещаемую поверхность, т.е. отношение Fпад к площади поверхности S



.

Единица освещенности — люкс (лк). Латинское слово означает свет. Световой поток в 1 люмен, будучи равномерно распределен на освещаемой поверхности с площадью 1 квадратный метр, создает освещенность в 1 люкс.

Если освещенность создается точечным источником с силой света I, отстоящем от освещаемой поверхности на расстоянии r, то телесный угол ω = S/r2, S = ωr2, FПАД = I ω = IS/r2 и

,

т.е. освещенность спадает с увеличением расстояния между точеч­ным источником и освещенной поверхностью обратно пропорционально квадрату расстояния.

Ниже приводятся примеры значений освещенности некоторых характерных объектов (табл. П.2.2).

Таблица П.2.2



Освещаемый объект

Освещенность, лк

Киноэкран

40...200

Книга при чтении

20...75

Телевизионная студия

1000...2000

Предметы в тени летом

1000

Предметы на пляже в солнечный летний день

100000

Освещаемые предметы являются вторичными источниками света, поскольку частично отражают падающий на них световой поток.

7. Для оценки действия освещения, длящегося ограниченное время t, например, при фотографической или кинематографической съемках, пользуются понятием количества освещения (световая экспозиция) Н. Эта величина равна произведению освещенности Е на длительность освещения t. Н =Е·t. Остаток второго термина сохранился в названии прибора — экспонометра, предназначенного для определения длительности выдержки или относительного отверстия объектива при известной чувствительности фото- или киноленты. Строго говоря, экспонометр реагирует не на освещенность объекта съемки, а на его яркость.

8. Важная характеристика источника света — спектральная интенсивность лучевого потока, т.е. распределение энергии Е (или мощности Р) излученного потока по диапазону длин волн. Эта величина характеризует и цвет свечения источника света, и его световую отдачу, показывает какая часть лучистого потока превращается в видимое излучение. Примером равноэнергетического спектра служит свет пасмурного небосклона. В спектре светового излучения ясного солнечного дня имеется некоторое преобладание синих и голубых лучей, а в спектре лучистого потока ламп накаливания — преобладание красных и желтых лучей и солидная доля (примерно 90 %) невидимых инфракрасных лучей.

В краткой форме основные световые величины представлены в табл. П.2.3.

В определении лучистого потока Е — энергия, в остальных определениях Е — освещенность; t — время ; ω — телесный угол; S — площадь светящейся (излучающей) или освещаемой поверхности; α — угол между нормалью к светящейся (излучающей) поверхности и данным направлением, в котором определяют силу света.

Таблица П.2.3



Физическая величина

Обозначение

Связь с другими величинами

Единицы измерения или
размерность


Обозначение единицы

Лучистый поток

Р

Р=Е/t

Ватт

Вт

Световой поток

F

Р=Iω

Люмен

лм

Сила света (основная)

I

I=F/ω

Кандела

КД

Яркость

В

В = I/(Sизлcosα)

Кандела с 1 м2

кд/м2

Светимость

R

R =F/Sизл

Люмен с 1 м2

лм/м2

Освещенность

Е

Е=Fпад/S

Люкс (люмен на 1 м2)

лк

Количество освещения (световая экспозиция)

Н

Н=Е·t

Люкс-секунда

лк∙с

П.2.3 Световые характеристики освещаемых объектов


В общем случае световой поток Fпад, падающий на поверхность предмета, претерпевает следующие изменения. Часть потока Fотр отражается от поверхности предмета, часть Fпогл поглощается, часть Fпрош проходит сквозь предмет, если предмет прозрачен (рис. П.2.3).

Рис. П.2.3


Эти свойства предмета (объекта) характеризуются тремя коэффициентами: отражения ρ, поглощения α, пропускания τ.

.

Поскольку , то .

Во многих случаях объекты непрозрачны. Поэтому их оптические свойства достаточно полно определяются видом отражения и коэффициентами отражения и поглощения.

Крайними случаями отражающих свойств объектов служат зеркальное и диффузное отражения. Зеркальное (направленное) отражение происходит, если неровности поверхности объекта много меньше длин волн падающего светового потока, и угол отражения φ2 равен углу падения φ1 (рис. П.2.4, а).



Рис. П.2.4


Рассеянное отражение имеет место, если неровности поверхности объекта сравнительно велики (рис. П.2.4, б). Крайним случаем рассеивающей отражающей поверхности является такое отражение, когда отражающая поверхность приобретает яркость, одинаковую во всех направлениях, независимо от направления падающего на поверхность светового потока (рис. П.2.4, в). Существует смешанный характер отражения: частично направленный, частично рассеянный (рис. П.2.4, г).

Освещенные поверхности предметов, например, поверхность киноэкрана, рассматривают как вторичные источники света. Их излучающие свойства, как и свойства самосветящихся поверхностей, характеризуются такими величинами, как световой поток и яркость. Под световым потоком F2 в этом случае понимают лишь рассеянную часть падающего на поверхность первичного потока F1 F2 = ρF1, = ρЕS.

Примеры коэффициентов отражения различных объектов приведены ниже (табл. П.2.4).

Таблица П.2.4



Объект

Коэффициент отражения

Объект

Коэффициент отражения

Снег, мел, гипс

0.93:..0,98

Черный бархат

0.01

Белая бумага

0,6...0,8

Кожа лица:
лоб мужской темный

0,19

Стены:
свежепобеленные

0,8

лоб мужской светлый

0,43

Стены:темно-красные

0,16

женская щека

0,37

Стены:желтые

0,77

Лицо, покрытое гримом

0,3...0,37

Свойства зрения таковы, что при наблюдении объектов главным является не абсолютное значение яркостей отдельных частей объекта, а соотношение яркостей этих частей. Максимальное отношение яркости самых светлых частей объекта к яркости самых темных частей называется контрастностью:



.

Контрастность природных объектов иногда достигает 104...105 (яркость частей объекта, освещенных солнцем, и яркость в тенях объекта). Но в большинстве случаев контрастность объектов наблюдения не превышает 100, если только объект не содержит зеркально отражающих участков. В табл. П.2.5 приведены несколько примеров значений контрастности.

Таблица П.2.5


Объект

Контрастность

Пейзаж в солнечный день

1000

То же в пасмурный день

100

Киноэкран

50...100

Хорошая фотография

50...100

Экран телевизора

30...40

Газетная репродукция

5…6

Отметим, что яркостный контраст подкрепляется цветовым.


ЛИТЕРАТУРА


  1. Алдошина И.А. Цикл статей по психоакустике и акустике помещений // Звукорежиссер, 2001 – 2004.

  2. Ефимов А.П. Психофизиология вещания. Монография – М.: МТУСИ, 2004. – 196 с.

  3. Ефимов А.П. Психофизиология зрения. – М.: МТУСИ –Информсвязьиздат, 2003. – 64 с.

  4. Электроакустика и звуковое вещание / Под ред. Ю.А. Ковалгина. – М.: Радио и связь, 2004. – 792 с.

  5. Зусманович В.М. Свет и цвет в телевидении. – М.: Энергия, 1964. – 208 с.



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   17


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет