Свет , как и все другие электромагнитные излучения, имеет присущие им параметры. Однако в физике для света определены несколько иные величины чем в радиоэлектронике. Данная статья посвящена процессу осознания сходных, но несравнимых величин.

1. Часть первая.

Представим радиопередатчик, например, коротких волн. Он излучает в эфир электромагнитные колебания мощность которых измеряется в Ваттах. Также мы знаем что для того чтобы этот радиопередатчик работал ему необходимо электропитание, подводимая мощность которого также измеряется в Ваттах (1 Вт = 1 В * 1 А).
Теперь о светодиоде . Точнее о его сердцевине – кристалле закрепленном на выводах, либо подложке. Это и есть тот самый электромагнитный передатчик, но работающий в диапазоне световых волн. Для того чтобы он заработал, ему необходимо электропитание, мощность которого измеряется в Ватах. А вот мощность его излучения физики измеряют в люменах и обозначают символом Φ. И назвали они эту мощность излучения световым потоком . Спросите почему? А почему мощность двигателей раньше измеряли в лошадиных силах? Ответ на этот вопрос кроется в сути восприятия человеческим глазом разных цветов светового излучения, а также наличия невидимого излучения. Поскольку это восприятие весьма индивидуально, то было удобно ввести некие необычные единицы измерения. Но в настоящее время мы наблюдаем картину, когда для некоторых типов светодиодов мощность излучения указывают также и в Ваттах. Поприветствуем наметившийся сдвиг в сторону более знакомого восприятия физических величин.

Таким образом первоначальной и самой важной характеристикой светодиода является световой поток его кристалла, измеряемый в люменах. Именно этот параметр определяет качество и цену светодиода.

Это как в автомобилях – невозможно сравнить мощный «Камаз», который ездит относительно медленно, с маломощной «Таврией», которая спокойно обгоняет «Камаз». Главное – мощность, а скорость достигается другими методами, о чем ниже.
Есть ли зависимость между Ваттом и люменом. Есть. Но она нелинейно связана с длиной волны излучения. Таблиц и формул перевода нет.
Как установить эту зависимость?
Конкретному светодиоду со световым потоком в I люменов соответствует мощность электромагнитного (видимого и невидимого) излучения P Вт, определяемого как разность подводимой к светодиоду мощности (мощности электропитания) и выделяемой светодиодом тепловой мощности (нагрева) этого светодиода (P = Pподв. – Pтепл.). Да, это можно измерить, но только в строгих лабораторных условиях.

2. Часть вторая.

Что будет если радиопередатчик снабдить направленной антенной? Мы будем слышать его передачи громче. Этот параметр характеризуется напряженностью электромагнитного поля. Можно такую же антенну применить и для радиоприемника (телевизора) и слышимость также возрастет (принцип обратимости).
А что будет если светодиод снабдить направленной антенной? Мы будем видеть его ярче. Этот параметр назван освещенностью. Аналогично на приемной стороне можно поставить такую же антенну и сжать весь видимый пучок света в очень яркую точку. Освещенность в ней достигнет очень большой величины.
Аналогия очевидна, только вид антенн разный! У светодиода роль направленной антенны выполняет его линза – пластмасса, в которую запрессован кристалл.
Эти параметры зависят от расстояния от приемника до источника излучения (до передатчика) и убывают в квадратичной зависимости от этого расстояния.
А вот объемный параметр силы направленного излучения, оказалось, удобно измерять другими единицами. Интересно что для радиоизлучения этот параметр не применяют – он бы измерялся единицей Ватт/стерадиан (Вт/ср). Ватт – это уже понятно. А стерадиан – это пространственный угол. Чтоб представить пространственный угол достаточно взять газету и свернуть из нее кулек, вырезающий в пространстве пространственный угол. Кулек может быть шире или уже и каждому из них соответствует строго определенный стереометрией (помните такую науку?) пространственный угол.
Так вот продолжая нашу аналогию, для света таким параметром будет люмен/стерадиан (лм/ср) и называется он канделой (1 кд = 1 лм/1 ср). Подобно «Таврии» и «Камазу» можно получить больше кандел при меньшем количестве люменов, но только в меньшем пространственном угле. В пределе можно сжать луч в подобие лазерного луча с огромной силой света при мизерной мощности, но вот комнаты этим лучом не осветить. Поэтому:

Кандела – это параметр плотности световой энергии в ограниченном пространстве. Канделу удобно измерять приборами, но она совершенно не характеризует потребительскую ценность светодиода. Скорее это характеристика конкретного луча света. А полезность этого луча определяет потребитель света.

К сожалению, из-за удобства измерения, в физике канделу определили как основную величину, а люмен как производную. Но для практических расчетов все выглядит наоборот.

3. Часть третья (более специализированная)

Если рисуемый светодиодом луч направить на поверхность, то мы увидим пятно которое имеет некую площадь S квадратных метров. Если луч имеет силу света I кд его телесный угол составляет φ ср, тогда световой поток луча составит Ф = Iφ люмен, а освещенность этой поверхности в люксах будет

E = = cos α
А если поверхность наклонена по отношению к лучу на угол α, то формулу надо дополнить
E = cos α = cos α
Спросите, а зачем это? Представьте, что вам необходимо подобрать светодиод для настольной лампы. Вот здесь и пригодится эта формула, поскольку в санитарно-гигиенических требованиях вы найдете только один параметр – это минимально необходимую освещенность рабочего места для данной профессии. Все остальные параметры вы сможете определить по этой формуле, конечно же, предварительно прорисовав чертеж расположения этой лампы на столе. Тут вы увидите и требуемый плоский угол излучения светодиода, по которому определите пространственный угол, и расстояние от лампы до стола, и угол наклона освещаемой поверхности, а в конечном итоге подберете светодиод.

Фотометрические единицы (в начало страницы)

Основная фотометрическая единица.
Практическая фотометрия начинается с общих вопросов: какой спектральный состав излучения следует считать наиболее естественным, как сравнивать источники излучения с различным спектральным составом и т. п. Очевидно, необходимо договориться о каких-то единых способах сравнения и определения величин, которые должны характеризовать источники излучения и условия освещения.
Казалось бы, целесообразно обратиться к солнечному свету, взяв его за образец для сравнения. Однако такое понятие, как естественный дневной свет, на самом деле весьма расплывчато. Время года, время суток, географическая широта, чистота атмосферы - все эти факторы (и еще многие другие) в широких пределах изменяют состав солнечного света. Поэтому пришлось создать искусственный источник света, принятый в качестве эталона.
Поскольку универсальным излучателем является абсолютно черное тело (АЧТ), его излучение и принято в качестве эталонного. Температура, при которой должно находиться излучающее тело, фиксируется с возможно большей точностью, так как излучательная способность очень сильно зависит от температуры.
Основной фотометрической единицей, входящей в число основных единиц СИ, устанавливается единица силы света кандела - сила света, испускаемого с1/600000 кв.м. площади сечения полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па. Применявшаяся ранее международная свеча составляет 1,005 кд. На основе канделы определяются остальные фотометрические единицы.

Сила света, световой поток, освещенность.

Сила света есть отношение светового потока, распространяющегося от источника в рассматриваемом направлении внутри малого телесного угла, к этому телесному углу. В связи с тем, что сила света является основной единицей, в формулах размерности появляется её символ I.
Световой поток есть произведение силы света на телесный угол, в котором распространяется поток.
Ф=I O

За единицу светового потока принимается люмен (лм) - поток внутри телесного угла в один стерадиан при силе света в одну канделу. (Вспомним, что стерадиан - такой телесный угол, который вырезает на поверхности сферы площадку, равную квадрату радиуса этой сферы.) Поскольку телесный угол не имеет размерности, размерности светового потока и силы света совпадают.
Освещенность есть отношение светового потока, падающего на рассматриваемый малый участок поверхности, к площади этого участка:
E=Ф/S

Единица освещенности люкс (лк) - освещенность поверхности, на каждый квадратный метр которой падает световой поток в один люмен.
Если поверхность освещается источником света силой I кандел, расположенным на расстоянии r, то

E = (I cos a)/r2

где а - угол между направлением распространения света и нормалью к освещаемой поверхности.

Яркость.
Это, вероятно, наиболее употребительное понятие в фотометрии, но в то же время с ним связано и много недоразумений: во-первых, из-за двоякого смысла термина яркость и, во-вторых, из-за наличия двух определений и двух единиц измерения этой величины. Фотометрическая яркость - вполне объективное понятие, обозначающее меру световой энергии, воспринятой определенным детектором. Оно не тождественно субъективному понятию "воспринимаемая яркость" - в зависимости от условий различные наблюдатели могут приписать неодинаковые значения яркости одному и тому же количеству световой энергии.
Фотометрическая яркость Lv - отношение светового потока, проходящего в рассматриваемом направлении в пределах малого телесного угла dw через участок поверхности dS, к произведению этого телесного угла, площади участка и косинуса угла между рассматриваемым направлением и нормалью к участку O:
Lv= dФ dФ/dw dS cosO

Воспринимаемая яркость (иногда употребляется термин психологическая), связанная с уровнем внешней засветки и возрастающая с ростом последней, - это ощущение основного уровня яркости. О воспринимаемой яркости говорят, когда глаз воспринимает свет только от изолированного источника (оценки - "тусклый", "слепящий").
Единица яркости СИ кандела на квадратный метр (кд/м2) - яркость источника, каждый квадратный метр излучающей поверхности которого имеет в данном направлении силу света равную одной канделе.
Часто при измерениях яркости употребляется термин ламбертовская поверхность. Особенностью такой математически идеализированной поверхности является характер зависимости силы света от направления его излучения. Эта зависимость подчиняется закону косинуса
I = Io cosO

Ламбертовская поверхность обладает одинаковой в любом направлении яркостью. Этот на первый взгляд удивительный результат объясняется следующим образом: если свет от поверхности воспринимается в направлении, отличном от нормального, то наблюдаемый участок из круга превращается в эллипс, а его площадь возрастает в 1/л раз, но возрастание наблюдаемой площади в точности компенсирует снижение интенсивности излучаемого света. К ламбертовской поверхности близка, например, поверхность белой бумаги.
В заключение отметим, что в природе яркость различается в колоссальных пределах: яркость поверхности Солнца оценивается в 109кд/м2, в то время как яркость белой бумаги освещенной светом Луны, не превышает 0,03 кд/м2.
Надо отметить, что в ряде случаев яркость не является определяющим параметром. Особенно это касается излучателей с малой поверхностью, в основном светодиодов. Действительно, представим два светодиода с одинаковой яркостью но разными размерами светящейся поверхности. С помощью оптической системы наблюдаемые излучающие поверхности можно уравнять, и окажется, что светодиод с большей излучающий площадью окажется ярче другого в - I1/I2 раз. Поэтому в таких случаях более объективным параметром является сила света, а не яркость. Рассмотренным фотоэлектрическим единицам соответствуют следующие энергетические единицы: световому потоку - поток излучения Фе, выраженный в ваттах; освещенности - энергетическая освещенность Ее (Вт/м2); силе света - энергетическая сила света (сила излучения) Iе (Вт/ср); яркости - энергетическая яркость Lе, (Вт/(м2.ср)).

Колориметрические параметры в начало страницы)

Цвет какой-либо отражающей или излучающей поверхности характеризуется цветовым фоном, его насыщенностью (степенью отличия от белого цвета) и яркостью или светлотой. Первые две величины определяют цветность излучения. Основной приём для количественного оценивания цвета заключается в установлении абсолютных значений и относительных соотношений мощностей (или яркостей) трех стандартизованных узкополосных излучений, которые при совместном воздействии вызывают такое же физиологическое ощущение в глазу, что и данный цвет.
В качестве основных цветов МКО приняты спектрально чистые цвета трех монохроматических излучений R,G и B с длинами волн LR =700 нм (красный), LG = 546,1 (зеленый) и LB - 435,8 (синий), которые по мощности находятся в соотношении R: G: B = 1: 0,091: 0,0138. Любой цвет F определяется основным соотношением колориметрии:

F = r"R + g"G + b"В,

где r", g" и b" - координаты цвета (или цветовые координаты) обусловливающие долю соответствующего цвета.
Более удобной для описания цветов является система, в которой основные цвета X, Y и Z не являются реальными, но позволяют определять цвет с помощью такого же уравнения:

F = x"X + y"Y +z"Z

Для характеристики только цветности координаты цвета x",y",z" заменяются нормированными координатами цветности:
x= x"/(x" + y" +z")
y= y"/(x" + y" +z")
z= z"/(x" + y" +z")

Таким образом, цветность F" цвета F выражается уравнением:
F"=xX+yY+zZ

Поскольку х + у + z = 1, то независимыми являются только две координаты (обычно выбирают х и у). Тогда цветность можно представить точкой на плоскости (рис. График цветности). Как видно, цветность определяется направлением вектора F в цветовом пространстве, а не абсолютной величиной, которая при постоянстве относительного спектрального состава излучения служит для оценивания яркости объекта.
График цветности

Цветовой тон и насыщенность.

Цветовой тон обычно характеризуют доминирующей длиной волны Lg определение которой для данного цвета F очевидно из рис. График цветности.
Цветовой тон также можно описать качественно, наименованием зоны цветового графика, в которой располагается точка цветности F".
Насыщенность цвета характеризует степень, уровень, силу выражения цветового тона и определяется чистотой цвета - относительным значением энергии монохроматического излучения, которое в смеси с белым излучением воспроизводит анализируемый цвет. На рис. График цветности это относительное удаление точки F"
От точки E на прямой ЕLg , EF"/ELе.
Наибольшей насыщенностью обладают спектрально-чистые цвета, наименьшей - ахроматические, серые цвета. Специфическим понятием являются и дополнительные цвета - два цвета, которые в смеси могут дать белый цвет. На График цветности они соответствуют точкам пересечения кривой спектрально-чистых цветов и прямой, проходящей через точку Е. Кривая спектрально-чистых цветов - незамкнутая кривая
линия, соединяющая ее концы, есть линия пурпурных цветностей, получаемых искусственно путем смешения красного и фиолетового цветов. Часть кривой в красно-зеленой области представляет собой практически прямую линию. Это значит что при любом смешении спектральных цветов из этой области результирующий цвет имеет 100%-ную чистоту. Для получения ненасыщенных зелено-красных цветов обязательно нужна добавка синего цвета. Вообще же все многообразие реальных цветов лежит внутри кривой на Графике цветности; точки вне её характеризуют нереальные цвета.

Цветопередача. Индекс цветопередачи. в начало страницы)

Характеристика цветопередачи лампы описывает, насколько натурально выглядят окружающие нас предметы в свете этой лампы. Выражением этого является общий индекс цветопередачи Ra. Для определения величины Ra, из окружающей среды выбирают 8 тестовых цветов, которые освещаются тестируемой лампой, а затем стандартной лампой, имеющей такую же цветовую температуру (от температуры "черного тела" до дневной). Чем меньше разница в цветопередаче между тестовыми цветами, тем лучше цветопередача исследуемой лампы. Максимальное значение Ra составляет 100 (как среднее для 8-ми тестовых цветов).

В зависимости от места установки лампы и выполняемой ими задачи искусственный свет должен обеспечивать возможность наиболее лучшего восприятия цвета (как при естественном дневном свете). Данная возможность определяется характеристиками цветопередачи источника света, которые выражаются с помощью общего индекса цветопередачи Ra.

Коэффициент цветопередачи отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света

Для сравнения с рассмотренными источниками света фиксируется сдвиг цвета с помощью 8 (или 14) указанных в DIN 6169 стандартных эталонных цветов, который наблюдается при направлении света тестируемого или эталонного источника света на эти эталонные цвета. Чем меньше отклонение цвета излучаемого тестируемой лампой света от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы. Источник света с показателем цветопередачи Ra = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, как свет эталонного источника света. Чем ниже значения Ra, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта. Характеристика цветопередачи Степень цветопередачи Коэффициент светопередачи
Ra Примеры ламп
очень хорошо 1A > 90 Галогенные лампы;
люминесцентные лампы LUMILUX DE LUXE;
HQI.../D
хорошо 1B 80 - 89 Люминесцентные лампы LUMILUX;
HQI.../NDL или WDL
хорошо 2A 70 - 79 Стандартные люминесцентные лампы 10 и 25
хорошо 2B 60 - 69 Стандартные люминесцентные лампы 30
достаточно 3 40 - 59 HQL
недостаточно 4 > 39 Натриевые газоразрядные лампы высокого и низкого давления

Тестируемые цвета:

R1 Цвет увядшей розы
R2 Горчичный
R3 Салатовый
R4 Светло-зеленый
R5 Бирюзовый
R6 Небесно-голубой
R7 Цвет фиолетовой астры
R8 Сиреневый

Дополнительные тестируемые цвета с насыщенными красками:

R9 Красный R12 Синий
R10 Желтый R13 Цвет кожи
R11 Зеленый R14 Цвет зеленого листа
R12 Синий
R13 Цвет кожи
R14 Цвет зеленого листа

Полный световой поток характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических же целей часто важнее знать не полный световой поток, а тот поток, который идет по определенному направлению или падает на определенную площадку. Так, например, автомобилисту важно получить достаточно большой световой поток в сравнительно узком телесном угле, внутри которого находится небольшой участок шоссе. Для работающего за письменным столом важен тот поток, который освещает стол или даже часть стола, тетрадь или книгу, т. е. поток, приходящийся на некоторую площадь. В соответствии с этим установлены два вспомогательных понятия - сила света и освещенность .

Силой света называют световой поток, рассчитанный на телесный угол, равный стерадиану, т. е. отношение светового потока , заключенного внутри телесного угла , к этому углу:

Освещенность же есть световой поток, рассчитанный на единицу площади, т. е. отношение светового потока , падающего на площадь , к этой площади:

Понятно, что формулы (70.1) и (70.2) определяют среднюю силу света и среднюю освещенность. Они будут тем ближе к истинным, чем равномернее поток или чем меньше и .

Очевидно, что с помощью источника, посылающего определенный световой поток, мы можем осуществить весьма разнообразную силу света и весьма разнообразную освещенность. Действительно, если направить весь поток или большую его часть внутрь малого телесного угла, то в направлении, выделенном этим углом, можно получить очень большую силу света. Так, например, в прожекторах удается сосредоточить большую часть потока, посылаемого электрической дугой, в очень малом телесном угле и получить в соответствующем направлении огромную силу света. В меньшей степени той же цели достигают с помощью автомобильных фар. Если сконцентрировать с помощью отражателей или линз световой поток от какого-либо источника на небольшой площади, то можно достигнуть большой освещенности. Так поступают, например, стремясь сильно осветить препарат, рассматриваемый в микроскоп; аналогичное назначение выполняет рефлектор лампы, обеспечивающий хорошую освещенность рабочего места.

Согласно формуле (70.1) световой поток равен произведению силы света на телесный угол , в котором он распространяется:

Если телесный угол , т. е. лучи строго параллельны, то световой поток также равен нулю. Это означает, что строго параллельный пучок световых лучей не несет никакой энергии, т. е. не имеет физического смысла, - ни в одном реальном опыте не может быть осуществлен строго параллельный пучок. Это - чисто геометрическое понятие. Тем не менее параллельными пучками лучей очень широко пользуются в оптике. Дело в том, что небольшие отступления от параллельности световых лучей, имеющие с энергетической точки зрения принципиальное значение, в вопросах, связанных с прохождением световых лучей через оптические системы, практически не играют никакой роли. Например, углы, под которыми лучи от удаленной звезды попадают в наш глаз или телескоп, настолько малы, что они даже не могут быть измерены существующими методами; практически эти лучи не отличаются от параллельных. Однако эти углы все же не равны нулю, и именно благодаря этому мы и видим звезду. В последнее время световые пучки с очень острой направленностью, т. е. с очень малой расходимостью световых лучей, получают при помощи лазеров (см. § 205). Однако и в этом случае углы между лучами имеют конечное значение.

Глава седьмая

ОСВЕЩЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

7.1. Основные понятия светотехники. Световой поток, сила света, освещенность, яркость светящейся поверхности, коэффициент отражения света.

Для нормальной жизнедеятельности человека, особенно в условиях производства, важную роль играет качество освещения. Плохо освещенные опасные зоны, слепящие источники света, резкие тени от предметов и оборудования ухудшают ориентацию работающих, вследствие чего не исключена возможность травмирования. Недостаточное или неправильное освещение рабочих мест и всей рабочей зоны вызывает преждевременное утомление человека, может быть причиной не только снижения производительности труда, но и несчастного случая. Неправильно выбранные при проектировании электрического освещения осветительные приборы, а также нарушения требований главы «Электрическое освещение» Правил технической эксплуатации электроустановок могут быть причиной пожара, взрыва и других аварий на производстве.

Освещение производственных помещений и рабочих мест может быть естественным 1 , искусственным и совмещенным.

1 Расчет естественного освещения в основном сводится к определению площади световых проемов (окон) в помещении согласно указаниям СНиП II 4-79 «Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования».

Естественный (солнечный) свет оказывает положительное воздействие на зрение и в целом на организм человека. Поэтому все помещения в соответствии с Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий СН 245-71, как правило, должны иметь естественное освещение.

Искусственное освещение осуществляется с помощью электрических источников света - ламп накаливания, люминесцентных или иных газоразрядных ламп.

Основными величинами, характеризующими видимый свет, являются световой поток источника света, сила света, освещенность, яркость светящейся поверхности, коэффициент отражения света.

Световой поток Φ - это мощность световой энергии, оцениваемая по световому ощущению, воспринимаемому зрительным органом человека. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). Об этой единице можно судить из примера, что световой поток лампы накаливания мощностью (потребляемой из электросети) 25 Вт при напряжении 220 В составляет около 200 лм.

Сила света характеризует его интенсивность в различных точках освещаемого пространства. Сила света равна отношению светового потока к телесному углу ω, в пределах которого световой поток распределен равномерно: I=Φ/ω. За единицу силы света принята кандела (кд), определяемая эталонным источником света. Таким образом, люмен есть световой поток, испускаемый точечным источником света в телесном (пространственном) угле в один стерадиан (ст) при силе света в 1 кд.

Освещенность (Е) - поверхностная плотность падающего на данную поверхность светового потока, измеряется в люксах (лк), т. е. E=Φ/S; 1 лк равен 1 лм/м 2 .

Яркость L - световая величина, непосредственно воспринимаемая глазом, она определяется значением силы света, излучаемого с единицы площади поверхности в заданном направлении под углом α, где L = Iρ/S, ρ- коэффициент отражения поверхности, ρ = Φ отр /Φ пад, т. е. равен отношению светового потока, отраженного от поверхности, к падающему на нее световому потоку.