Что такое световой поток, яркость и светоотдача

Общие сведения

Яркость источника света – это световой поток, направленный в заданном направлении, деленный на малый (элементарный) телесный угол, близкий к этому направлению, и на проекцию площади источника на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Другими словами, это отношение между интенсивностью света, излучаемого поверхностью, и площадью его проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения.

В приведенном выше определении, если рассматривать его как общее, понимается, что источник имеет малый размер, точнее малый угловой размер. В случае значительно протяженной светящейся поверхности каждый из элементов считается отдельным источником. Поэтому в общем случае яркость разных точек поверхности может быть разной. Так вот, если говорить о яркости источника в целом, то, вообще говоря, имеется в виду среднее значение. Источник может не иметь определенной излучающей поверхности (светящийся газ, область среднего рассеяния света, источник сложной структуры — например, туманность в астрономии, когда нас интересует светимость в целом), то под поверхностью источника можно иметь в виду условно выделенную поверхность, ограничивающую его, или просто убрать слово «поверхность» из определения.

В системе СИ она измеряется в канделах на м². Раньше эта единица измерения имела стандартное название нит (1нт = 1кд/1м²), но в настоящее время стандарты единиц СИ не позволяют использовать это название.

Существуют и другие единицы измерения яркости — стильб (sb), апостильб (asb), ламберт (Lb):

1 asb = 1/π × 10−4 sb = 0,3199 nt = 10−4 Lb. Вообще яркость источника зависит от направления наблюдения, хотя во многих случаях излучающие или диффузно рассеивающие поверхности более или менее точно подчиняются закону Ламберта, и в этом случае яркость не зависит от направления.

• Последний случай (при отсутствии поглощения или рассеяния средой — см ниже) позволяет рассматривать в определении как конечные телесные углы, так и конечные поверхности (вместо бесконечно малых в общем определении), что делает определение более элементарным, но надо понимать, что в общем случае (к которому, если требуется большая точность, относится и большинство практических случаев) определение должно основываться на бесконечно малых или хотя бы физически малых (элементарных) телесных углах и площадях.
• В случае среды, поглощающей или рассеивающей свет, кажущаяся яркость, конечно, также зависит от расстояния от источника до наблюдателя. Но само введение такой величины, как яркость источника, не в последнюю очередь мотивировано тем, что в важном частном случае непоглощающей среды (включая вакуум) кажущаяся яркость не зависит от расстояния, входящего в важный практический случай, когда телесный угол определяется размером линзы (или зрачка) и уменьшается с расстоянием (уменьшение с удалением от источника света точно компенсирует уменьшение этого телесного угла).
• Существует теорема, утверждающая, что яркость изображения никогда не превышает яркость источника.

Световой поток

Перейдем к определению единицы люмен (лм). Это световой поток, излучаемый источником света, сила которого равна одной канделе при температуре 25°С и в нормальных условиях.

Световой поток характеризует количество света или световой мощности, падающее на поверхность в единицу времени. Другими словами, световой поток определяется как количество воздействия на селективный приемник света с определенной спектральной чувствительностью или как общее количество света, излучаемого источником.

Разница между яркостью и освещенностью

В русском языке слово «яркость» имеет два значения. Светимость может означать физическую величину, то есть характеристику светящихся тел, равную отношению между силой света в определенном направлении и площадью проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Он также может определять более субъективное понятие общей яркости, которое зависит от многих факторов, таких как характеристики глаз человека, смотрящего на этот свет, или количество света в окружающей среде. Чем меньше света вокруг, тем ярче кажется источник света. Чтобы не путать эти два понятия освещения, стоит помнить, что:

В астрономии яркость характеризует как излучающую (звезды), так и отражательную (планеты) способность поверхности небесных тел и измеряется по фотометрической шкале яркости звезд. Также, чем ярче звезда, тем ниже значение ее фотометрической светимости. Самые яркие звезды имеют отрицательную величину звездной светимости.

All-Electronic.ru — сайт о радиосхемах и электронных устройствах. Материал рассчитан на новичков: схемы простые, здесь статьи рассказывают об основах радиотехники. Любые вопросы можно задать в разделе комментариев.

Значение единиц яркости

1. НИТ — устаревшая единица, ранее применялась в системе СИ, ее размерность составляет примерно 1 кд/1 м². Сейчас стандарты этого устройства уже давно не используются и заменены совершенно новыми.
2. STILB — используется в системе CGS. Яркость светящейся поверхности площадью 1 см 2 составляет 1 стильб. Он также практически вышел из употребления, и не используется современным человечеством.
3. ЛАМБЕРТ — внесистемная единица яркости, впервые использована в США. Они назвали эту единицу в честь Ламберта Иоганна Генриха. Немецкий математик, астроном, физик и философ, ученый был французом по происхождению. Ламберт сокращенно Пан.
4. АПОСТИЛЬ, единица измерения освещенных поверхностей, также используется в системе СГС. Открыт французским физиком Андре Блоделем. АПОСТИЛЬ официально считается устаревшим с 1978 года и больше не используется.

Современная единица яркости

Наука, изучающая световые процессы, называется фотометрией. Он характеризует электромагнитное излучение в световом диапазоне. В фотометрии измерения производятся с использованием области спектра, не отличающейся от видимости человеческого глаза. Яркость определяет ток, который только направляется в определенном направлении видимой поверхности, он может полностью характеризовать светящееся тело.

В Международной системе измерений (СИ) яркость можно измерять в канделах на квадратный метр. Если раньше NIT служил мерой яркости, то теперь ее принято измерять в канделах.

Кандела на квадратный метр (кд/м²) — это производная яркости в системе СИ, основанная на двух измерениях: яркости и площади на квадратный метр.

В зависимости от масштаба, по которому должна измеряться поверхностная яркость, существуют такие измерения, как кандела на квадратный сантиметр, кандела на квадратный фут, кандела на квадратный дюйм и даже килокандела на квадратный метр.

Килокандела на квадратный метр (ккд/м²) также является мерой яркости, но в отличие от обычной канделы, она кратна производной СИ.

Современный мир продвинулся так далеко, что прогресс достигает все новых и новых высот. Так появился специальный конвертер, с помощью которого можно преобразовать абсолютно любую единицу яркости в любую другую. Это не составит труда, достаточно написать единицу измерения, которую необходимо перевести и получить правильный ответ. Правильность ответа может быть не всегда предельно точной, но с некоторой погрешностью, потому что иногда конвертеры умеют округлять только до 10 знаков после запятой. Некоторые преобразователи могут сокращать экспоненциальную запись, например: 1.103E +6. E — это показатель степени, который в математике можно легко перевести, умножив на степень десяти.

Читайте также: Современное освещение в квартире: какой бывает свет, как его правильно организовать и как самостоятельно составить проект светодизайна квартиры

Фотометр

Фотометр — это прибор, измеряющий свет. Обычно свет попадает на фотодетектор, преобразуется в электрический сигнал и измеряется. Иногда встречаются фотометры, работающие по другому принципу. Большинство фотометров отображают информацию об освещенности в люксах, хотя иногда используются и другие единицы измерения. Фотометры, называемые экспонометрами, помогают фотографам и операторам определять выдержку и диафрагму. Кроме того, фотометры используются для определения безопасного освещения на производстве, в растениеводстве, в музеях и во многих других производствах, где необходимо знать и поддерживать определенную величину освещенности.

Как измерить свет, основные величины

В радиометрии лучистый поток источника света — это излучаемая им оптическая энергия в единицу времени. Однако это значение не учитывает чувствительность человеческого глаза. Для этого существует фотометрическая величина, величина светового потока, выраженная в единицах яркости (лм = кд ср), учитывающая фотопический отклик человеческого глаза. Это спектральная характеристика при достаточно высокой интенсивности освещения, при которой хорошо работает цветовое зрение. Световой поток источника света показывает, насколько он способствует освещению помещения.

Измерение светового потока

Если выходной сигнал источника света правильно направлен, например, в виде лазерного луча, световой поток можно легко измерить с помощью измерителя оптической мощности. Однако этот метод не будет работать с источником света, который излучает в широком диапазоне направлений, например со светодиодом. В таких случаях может оказаться необходимым использование интегрирующей сферы, равномерно распределяющей свет и обеспечивающей засветку фотоприемника, пропорциональную падающему световому потоку и в значительной степени не зависящую от его пространственных характеристик.

Яркость

Яркость — это фотометрическая величина, которая может применяться к источникам света, а также к свету, отраженному или прошедшему через определенную область. Яркость — это световой поток, приходящийся на единицу телесного угла и единицу площади источника. Его также можно определить как интенсивность света на единицу излучения.

Единицами СИ для яркости являются кандела на квадратный метр (кд/м2 = лм ср-1 м2).

Для наблюдающего глаза яркость источника света более или менее определяет его визуальную яркость. Если бы источник света мог уменьшаться при сохранении своего светового потока, он мог бы пропускать такое же количество света через зрачок глаза, но этот свет концентрировался бы на меньшей площади сетчатки и поэтому казался бы ярче, что соответствует его увеличенному яркость.

Точно так же яркость поверхности, вызванная некоторым освещением, определяет, насколько яркой будет поверхность. По мере удаления наблюдателя от источника света в зрачок будет попадать меньше света, но изображение источника на сетчатке будет становиться меньше, пока угловое разрешение глаза остается достаточным для поддержания видимой яркости. Таким образом, можно понять, почему яркость не зависит от расстояния просмотра.

Однако при больших расстояниях просмотра, когда угловое разрешение глаза становится недостаточным, кажущаяся яркость уменьшается, несмотря на постоянную яркость.

Некоторые типичные примеры значений яркости:

• Луна: 2,5·103 кд/м2 (видна сквозь прозрачную атмосферу)
• Солнце: 1,6·10 9 кд/м2
• нить накаливания вольфрамовой лампы накаливания: 10 7 кд/м2

Сила света

Интенсивность света — это фотометрическая величина, характеризующая источник света. Он определяется как световой поток на единицу телесного угла. Интенсивность света учитывает спектральную реакцию человеческого глаза — обычно для фотопического зрения. Этот термин в основном используется при приближении к точечному источнику, т.е на расстояниях, больших по сравнению с длиной источника.

Аналогичной величиной в радиометрии (без учета спектральной характеристики человеческого глаза) является интенсивность излучения. Единицы яркости в системе СИ: кандела = люмен на стерадиан (кд = лм/ср). Кандела примерно равна силе света стандартной свечи.

Если излучение света ограничено меньшим пространственным углом, например, корпусом лампы, содержащим отражатель, интенсивность света может быть соответственно выше при том же самом световом потоке. С другой стороны, размер излучаемого объема не имеет значения.

При равномерном всенаправленном излучении интенсивность света не зависит от расстояния до источника света — в отличие от освещенности, масштаб которой обратно пропорционален квадрату расстояния от источника света.

Освещенность

Интенсивность излучения (или плотность потока) является радиометрическим термином и определяется как поток излучения, получаемый определенной поверхностью на единицу площади. В системе СИ она выражается в единицах Вт/м2 (ватт на квадратный метр). Радиация может быть применена к свету или другим видам излучения.

В контексте лазерной технологии общий термин «оптическая интенсивность» имеет те же единицы измерения, что и освещенность. Однако это не та сумма. Важно понимать, что интенсивность определяется как количество энергии, проходящей через область, перпендикулярную лучу, в то время как освещенность относится к тому, сколько энергии передается на конкретную поверхность с заданной ориентацией.

Интенсивность излучения, вызванного, например, попаданием лазерного луча на заготовку под углом θ к нормальному направлению, равна интенсивности луча, умноженной на cos θ. Таким образом, численное значение освещенности обычно меньше значения интенсивности луча. Излучение может быть вызвано комбинацией нескольких источников света.

Фотометрия

Фотометрия — это наука и технология количественного определения и измерения свойств света, связанных с его яркостью, воспринимаемой человеческим глазом. Таким образом, он имеет дело только с видимым светом, а не с инфракрасным и ультрафиолетовым светом, и учитывает спектральную чувствительность человеческого глаза.

Обратите внимание, что термин «яркость» следует использовать только как качественную меру воспринимаемой яркости, а не как измеримую величину (хотя он часто используется вместо сияния или яркости.

Светоотдача и эффективность

Световая отдача источника света – это световой поток, который он генерирует, разделенный либо на световой поток, либо на потребляемую им электроэнергию. В обоих случаях единицы измерения получаются для люменов на ватт (лм/Вт), но смысл, конечно, разный:

• Разделенный на поток излучения, результат зависит только от формы оптического спектра источника света в сочетании с используемой функцией яркости, которая количественно определяет чувствительность нормального человеческого глаза как функцию длины волны.
• Более распространенным определением является световой поток, деленный на электрическую мощность, потребляемую источником света.

Обратите внимание, что светоотдача осветительного прибора — например, потолочного светильника в гостиной или уличного фонаря — может быть значительно ниже, чем у используемого источника света, если большая часть генерируемого света теряется, например, из-за поглощения в некоторых домах (светильники). Очевидно, имеет смысл оптимизировать не только источник света, но и светильник. В то время как некоторые устройства практически не требуют потерь, другие полностью снижают эффективность.

Пространственно направленное излучение светодиодов часто позволяет избежать значительных потерь света в светильниках. Этот фактор (в дополнение к высокой эффективности генерации света) может значительно способствовать эффективному КПД осветительного устройства и, таким образом, достигаемой энергоэффективности.

Еще один важный аспект не содержится в световом эффекте: некоторые уличные фонари, например, посылают много света в ночное небо, где он бесполезен и даже вреден, вызывая световое загрязнение.

Другим важным аспектом является то, что светоотдачу можно значительно снизить, если использовать источник питания лампы с низкой эффективностью преобразования. В то время как лампы накаливания обычно могут питаться непосредственно от сетевого напряжения, многие газоразрядные лампы требуют специального источника питания.

Если это делать по старой технологии, то это может привести к потере значительного количества мощности. Однако современные высокочастотные импульсные источники питания могут быть очень эффективными, вызывая потери мощности всего в несколько процентов. Конечно, желательно указывать эффективную светоотдачу лампы, включая ее источник питания.

Понятно, что светоотдача осветительных приборов важна с точки зрения энергоэффективности и энергопотребления, поскольку малоэффективным лампам потребуется больше мощности для получения светоотдачи, необходимой для освещения.

Хотя отработанная энергия преобразуется в тепло, и это тепло может способствовать необходимому обогреву помещений, этот аспект существенно не меняет энергоэффективность, поскольку (а) тепловые эффекты нежелательны при любых условиях (например, летом) и (б) электрическое отопление нежелательно относительно малоэффективно из-за значительных энергозатрат и потерь при производстве электроэнергии. Когда, например, он используется в тепловом насосе, то же количество электроэнергии может дать гораздо больше тепла, и это только тогда, когда это необходимо.

Зависимость от температуры, затемнения и старения

Светоотдача некоторых источников света зависит от температуры. Грубо говоря, у люминесцентных ламп она повышается с повышением температуры, а у светодиодов наоборот.

Лампы накаливания совершенно нечувствительны к температуре окружающей среды, при этом существует сильная зависимость от рабочего напряжения (мощности): за счет уменьшения яркости такой лампы можно значительно снизить КПД, при этом диммирование люминесцентных трубок и светодиодов можно производить при сохранении эффективность.

Светоотдача лампы

Световой поток источника света обычно определяется как световой поток, деленный на максимально возможное значение эффективности. Это поднимает вопрос о том, что на самом деле подразумевается под «максимально возможным”.:

• Можно принять идеальное значение 683 лм/Вт, полученное для совершенно эффективного источника света на длине волны 555 нм. В этом случае лампочка мощностью 15 лм/Вт будет иметь светоотдачу 15/683 = 2,2 %. Тогда даже идеально энергоэффективный источник белого света никогда не сможет достичь 100% светоотдачи, так как эффективность обязательно снижается, например, для красной и синей спектральных составляющих.
• В качестве альтернативы можно взять световой эффект от идеально эффективного источника света, который имеет ту же форму в оптическом спектре, что и рассматриваемый источник света. Например, для источника белого света это значение будет значительно ниже, так что результирующий световой эффект будет соответственно больше. В качестве количественного примера белая светодиодная лампа может иметь светоотдачу 180 лм/Вт, а ее спектр может дать теоретически возможную светоотдачу 300 лм/Вт; тогда световой эффект 180/300 = 60%. Это число показывает, насколько технология близка к теоретически возможному максимуму для данного спектра света.

Первое определение кажется более распространенным в литературе; многие авторы, кажется, не знают, какое определение выбрать.

Эффективность освещения

Эффективность системы освещения в значительной степени зависит от световой эффективности источников света, но следует учитывать некоторые дополнительные аспекты, как описано ниже.

Стоимость эксплуатации системы освещения по существу определяется требуемым световым потоком, умноженным на продолжительность эксплуатации и деленным на светоотдачу осветительных приборов (не просто светоотдачу). Этот расчет обеспечивает необходимую электрическую энергию, например, в течение 24 часов. Однако этот подход, примененный, например, к конкретному помещению, является довольно грубым, поскольку он игнорирует детализированные потребности в освещении.

Более точный подход заключается в том, чтобы учитывать, какие зоны комнаты требуют того или иного уровня освещения. Например, часто бывает достаточно света в нескольких местах, где люди должны иметь возможность читать документы; остальную часть комнаты можно поддерживать при гораздо более низком уровне освещенности.

Затем для максимальной эффективности обеспечивается определенный базовый уровень освещения (часто с рассеянными источниками) и несколько дополнительных, более направленных источников света для дополнительного освещения ограниченных участков. Важность высокой светоотдачи обычно выше всего для основного освещения, на долю которого приходится наибольшая часть общей светоотдачи.

Другими важными аспектами эффективности являются то, сколько дневного света можно использовать и сколько генерируемого света поглощается, например, на темных стенах. Обратите внимание, что белые строительные материалы отражают или рассеивают большую часть входящего света, что значительно снижает требуемый световой поток от искусственных источников света по сравнению с помещением, содержащим много темных материалов.

Воздействие на здоровье

Повреждение сетчатки может произойти, когда глаз подвергается воздействию высокой яркости. Повреждение может произойти из-за локального нагрева сетчатки. Фотохимические эффекты также могут вызывать повреждения, особенно на коротких волнах.

Рекомендации для подбора количества ламп

Самый точный способ определить сумму – заказать световой расчет у мастера. Только этот вариант позволяет учесть отражение от стены, и в результате получить нужную равномерность и освещенность.

Альтернативой является размещение нескольких светильников и проведение измерений с помощью люксметра. Получив точные значения и оценив комфортность зрения, можно сделать выбор.

Люксметр — это название прибора, измеряющего уровень освещенности. Человеческий глаз склонен адаптироваться к различным условиям освещения. При этом само освещение успевает меняться при удалении от источника света и отражении от поверхностей. В зависимости от этого достигается «средняя освещенность» или «равномерность».

Вместо вывода

Современный мир светотехники уже не тот, что был 30 лет назад. И не такой, какой будет через пару десятков лет. Пора научиться использовать правильные характеристики, а не искать на коробках привычные ватты. Проще всего использовать значение светового потока — люмен. В средних условиях они дадут желаемый результат.

При проектировании систем освещения учитываются различные факторы, такие как стробоскопический эффект, который может привести к производственным травмам из-за невозможности определить, вращаются ли части машин или остаются неподвижными.

Вы также должны быть осведомлены об энергоэффективности и ремонтопригодности светильников. Неудача на этом этапе проектирования может привести к значительным финансовым затратам с течением времени.