Лекция 3 2012 ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА
.docЛекция 3
ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА
Для художника или ремесленника свет одновременно и благословление и проклятие – он не отделим от красоты искусства и вместе с тем, способен физическим или химическим путем принести ему вред.
Томас Брилл
Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ фотометрии и светотехники. Фотометрия – совокупность методов измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения и световых величин: светового потока, силы света, освещенности, яркости и др. Основоположником экспериментальной фотометрии следует считать П. Бугера, который опубликовал в 1729 г. описание визуального метода количественного сравнения источников света: установления (путём изменения расстояний до источников) равенства освещённостей соседних поверхностей с использованием в качестве прибора глаза.
Основным энергетическим понятием является поток излучения Ф, имеющий физический смысл средней мощности, переносимой электромагнитным излучением. Воспринимаемая глазом энергия оценивается световыми единицами, которые связаны с энергетическими единицами. Пространственное распределение Ф описывают энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (или) телесному углу. Соответствующие энергетические фотометрические величины – энергетическая освещённость, энергетическая сила света, энергетическая яркость и т.д. Световые величины – это фотометрические величины, редуцированные в соответствии со спектральной чувствительностью так называемого среднего светлоадаптированного человеческого глаза (важнейшего для деятельности человека приёмника света).
С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условно принятых стандартов. В 1931г. Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие среднего «стандартного наблюдателя» для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 360 до 780 нм.
Световой поток Ф и поток излучения Ф* связаны следующей зависимостью: , (3.1)
где - коэффициент перехода от энергетических единиц к единицам световым, а - относительная спектральная световая эффективность излучения, которая описывает относительную чувствительность среднего человеческого глаза к видимому излучению при нормальных условиях освещенности для разных длин волн. Она измеряется в люменах на ватт в минус первой степени ().
Фундаментальная взаимосвязь между световыми и энергетическими величинами содержится в определении люмена, который определяется как световой поток монохроматического излучения желто-зеленого цвета с длиной волны приблизительно 555 нм, энергетический поток которого равен 1/683 Вт.
Таблица 3.1
Энергетические и световые характеристики и единицы
Энергетический термин |
Единица |
Световой термин |
Единица |
Поток излучения Сила излучения Энергетическая яркость Энергетическая освещенность Энергетическая экспозиция |
Вт Вт/ср Вт/(ср´м2) Вт/м2 Дж/м2 |
Световой поток Сила света Яркость Освещенность Световая экспозиция |
люмен (лм) кандела (кд) кд/м2 люкс (лк) лк·с |
Световой поток Ф – часть электромагнитной энергии, которая излучается источником в видимом диапазоне. Его величина равна световой энергии (оцениваемой по зрительному ощущению), проходящей через заданную поверхность за единицу времени: Ф = W/t (3.2) , где W – количество световой энергии, проходящей через заданную поверхность за время t. Единицей светового потока в СИ является люмен (лм). Он определяется как поток, который посылается источником света в одну канделу в телесный угол w , равный одному стерадиану.
Силой света источника I называется величина, измеряемая световым потоком, приходящимся на единицу телесного угла по заданному направлению. Представляет собой отношение величины светового потока Ф, распространяющегося от источника света в некотором телесном угле, к величине этого телесного угла: I = Ф/ (3.3). Полный световой поток от точечного источника света равен Ф = 4 I (3.4). Основной единицей в СИ принимается сила света в одну канделу (кд). Кандела (лат. сandela – свеча) равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется бо́льшая энергетическая интенсивность.
Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.
Таблица 3.2
Сила света типовых источников
Источник |
Мощность, Вт |
Примерная сила света, кд |
Свеча |
|
1 |
Лампа накаливания |
100 |
100 |
Обычный светодиод |
0,015 |
0,001 |
Сверхъяркий светодиод |
0,06 |
3 |
Люминесцентная лампа |
20 |
100 |
Солнце |
3,9 · 1026 |
3 · 1027 |
Для характеристики интенсивности потока, падающего на поверхность от источника света, введена величина, получившая название освещенности Е. Освещенностью поверхности называется величина, равная световому потоку, падающему на единицу площади равномерно освещаемой поверхности. В общем случае освещенность Е определяется как отношение светового потока Ф к величине освещаемой поверхности, независимо от того, как расположена эта поверхность. В СИ освещенность измеряется в люксах (лк). 1 люкс - это освещенность поверхности площадью 1м, на которую падает световой поток в 1 люмен.
Фундаментальный для фотометрии закон освещенности был сформулирован И. Кеплером в 1604 г. Он формулируется следующим образом: освещенность, создаваемая точечным источником света на некоторой площадке, прямо пропорциональна произведению силы света источника I на косинус угла падения лучей и обратно пропорциональна квадрату расстояния до площадки от источника R:
(3.5),
где: Е – освещенность; І – сила света; R – расстояние от источника до освещаемой площадки; α – угол между лучом и нормалью к поверхности.
В таблице 3.3 представлены некоторые типичные уровни освещенности источников света.
Таблица 3.3
Типичные уровни освещенности (приблизительные)
Условия Освещенность, лк
Яркий солнечный свет летом 44000
Средний дневной свет неба, покрытого облаками 5500
Верхний свет северного неба (открытые шторы) 4400
Рабочее место, например, на часовом заводе 3300
Текстильная фабрика – сравнение черных и темных цветов 3300
Окна магазина 100-2200
Футбольное поле (освещенное прожекторами) 1100
Текстильная фабрика – сравнение цвета ярких или бледных цветов 770
Библиотека 550
Экран для показа слайдов (в затемненной комнате) 11-110
Нормальное освещение в музеях 50
Жилая комната, общее освещение лампой накаливания 55-165
Освещение темной улицы 11
Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью) L. Яркость равна отношению силы света, излучаемого поверхностью, к площади ее проекции на плоскость, перпендикулярную выбранному направлению. Как известно, площадь проекции какой-либо плоской поверхности на другую плоскость равна площади этой поверхности, умноженной на косинус угла между плоскостями. Таким образом, (3.6), где a - угол между направлениями силы света и вертикалью.
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. Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова. Если сила света, испускаемого 1 м2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2.
От чего же зависит яркость предметов? Прежде всего – от количества попадающего на них света. Но она зависит и от свойств самих предметов, а именно – от их способности отражать падающий свет. Если предмет белый – он отражает почти весь падающий на него световой поток и его яркость высока, если он черный, то его поверхность поглощает почти все попадающее на него излучение и яркость его мала. То есть, при постоянстве освещенности яркость предмета тем больше, чем больше его отражательная способность, светлота. Для диффузно отражающих поверхностей (3.7). Здесь r - коэффициент отражения, определяемый отношением отраженного от плоскости светового потока к падающему на эту плоскость световому потоку (3.8).
Источники света обладают различной яркостью. В каждом отдельном случае различие источников света по яркости четко определяется человеческим глазом. Яркость света L источника света или яркость освещаемой площади объектов связана с уровнем зрительного ощущения, а распределение яркости в поле зрения, например, в интерьере, характеризует качество или степень комфортности освещения.
Форма и цвет предмета воспринимаются только при яркости зрительного стимула не менее или равного 10 кд/м2. При яркостях менее 0,003 кд/м2 функционируют только палочки (сумеречное зрение). Следовательно, различение цветов возможно лишь при достаточно высоких значениях яркости зрительного стимула. Надежное и более тонкое различие цветовых оттенков возможно при яркости 175 кд/м2. Колбочки чувствительны к длине световых волн. При равенстве энергии воздействующих волн различия их длин ощущаются как различия в цвете зрительных стимулов. Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. С изменением длины волны изменяется и качество ощущений. Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысячи кандел на квадратный метр.
Нижний абсолютный порог чувствительности – это та минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна, обнаруживаемого глазом на черном фоне. Она составляет 10-6 кд/м2.
Верхний абсолютный порог чувствительности характеризуется болевыми ощущениями и составляет 106 кд/м2. Диапазон яркостей между верхним и нижним порогами чувствительности находится в пределах от 10-6 до 106 кд/м2.При изменении освещенности сетчатки световая чувствительность не остается постоянной, а адаптируется. Средняя интегральная яркость информационного поля и других источников света (первичных и вторичных), находящихся в поле зрения, создает яркость адаптации Lυa. Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысячи кандел на квадратный метр. Отметим, что для площади рабочей поверхности 0,1 м2 и более наибольшая допустимая яркость должна составлять 500 кд /м2, а для площади 0,0001 м2 и менее - 2 000 кд /м2. Нормы яркости для улиц, площадей составляют 0,2-1,6 кд /м2, яркость архитектурного освещения фасадов зданий, сооружений - от 3 до 8 кд /м2, а максимальная яркость рекламных объектов с учетом их площади - 400-2 600 кд /м2.
При прямом попадании мощного светового потока на орган зрения предельная величина переносимого уровня яркости составляет 7 500 кд /м2.
Таблица 3.4
Яркость некоторых источников освещения
|
Важно также понятие светимости M, которая выражает полный световой поток Ф, излучаемый единицей плоской светящейся поверхности по всем направлениям в одну сторону.
ИСТОЧНИКИ СВЕТА
Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ светотехники. Существует два вида источников света – это Солнце (естественное освещение) и искусственные источники, созданные человеком.
Психологическое и физиологическое воздействие на человека цветности излучения источников света в значительной степени связано с теми световыми условиями, к которым человечество приспособилось за время своего существования. Световой режим, к которому приспособились люди – это голубое небо, создающее в течение большей части светового дня высокие освещенности, а вечерами и ночами – желто-красный костер, а затем, пришедшие ему на смену, создающие низкие освещенности лампы, аналогичные по цветности. У человека наблюдается более работоспособное состояние днем при свете преимущественно холодных оттенков, а вечером, при теплом красноватом свете низкой освещенности, ему лучше отдыхать. Лампы накаливания дают теплый красновато-желтый цвет и способствуют успокоению и отдыху, люминесцентные лампы, наоборот, создают холодный белый свет, который возбуждает и настраивает на работу.
Рис. Освещение, к которому привык человеческий глаз в процессе эволюции
Таким образом, цветность является важной характеристикой светового излучения. Цветность света того или другого источника зависит от спектрального состава излучаемого им светового потока.
Примеры спектрального распределения интенсивности излучения различных источников света показаны на рис. .
(а) (б)
Рис. Примеры спектрального распределения интенсивности излучения различных источников света: (а) свет от ясного голубого неба, среднедневной усредненный солнечный свет, свет лампы накаливания, (б) излучение люминесцентной лампы
Излучение большинства самосветящихся источников подчиняется одним и тем же законам, однако для разных тел, в зависимости от их химического состава и физических свойств, нагревание до заданной температуры дает несколько различающиеся спектры излучения. В связи с этим, в качестве эталона цветовой температуры используется гипотетическое абсолютно черное тело или излучатель Планка. Это источник, излучение которого зависит только от его температуры, а не от каких-либо других его свойств. Для характеристики цвета излучений было введено понятие цветовой температуры. В зависимости от температуры нагревания, спектр излучения абсолютно черного тела имеет разную цветность. Цветовая температура – это та температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение.
Рис. 3.2 Спектральное распределение излучения черного тела в видимом диапазоне в зависимости от температуры
Действительно, при нагревании черного тела его цвет изменяется от теплых оранжево-красных до холодных белых тонов. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина (К). Связь между градусами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина следующая: К = С + 273 .
Цветовая температура для реальных источников света составляет от 2000 до 10000 градусов. Чем ниже цветовая температура, тем цветность источника света находится ближе к красной области спектра, чем выше – к синей.
Несмотря на существующие различия, все другие тела ведут себя при нагревании подобно идеальному черному телу. Именно поэтому использование цветовой температуры в качестве характеристики цветности излучения самосветящихся источников, как природных, так и искусственных, оправдано для большого числа источников. Поскольку спектральное распределение излучения, и, соответственно, цветность, реального тела в редких случаях точно совпадает со спектральным распределением и цветностью идеально черного тела при данной цветовой температуре, при характеристике излучения реально существующих тел используют понятие коррелированной цветовой температуры (рис. 3.3).
Рис. 3.3 Линия черного тела на графике цветностей xy МКО 1931 г. и семейство изотемпературных линий, используемых для определения коррелированной цветовой температуры источника по координатам цветности
Она соответствует цветовой температуре, полученной путем определения на равноконтрастном цветовом графике точки на линии черного тела, ближайшей к точке, представляющей собой цветность рассматриваемого источника света.
Цветопередача характеризует влияние спектрального состава источника света на зрительное восприятие цветных объектов, сознательно или бессознательно сравниваемое с восприятием тех же объектов, освещенных стандартным источником. Цвет красного автобуса при освещении светом уличной натриевой лампы накаливания воспринимается как тускловато коричневый. Цвет лица при освещении светом ртутной лампы приобретает болезненный зеленоватый оттенок. Обе эти лампы легко узнать по их плохой цветопередаче. Искусственный свет должен обеспечивать возможность наиболее лучшего восприятия цвета.
Метод оценки цветопередающих свойств источников света, рекомендованный МКО, предназначен для оценки способности источника придавать предметам их истинный цвет. Веден показатель – индекс цветопередачи, который отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Методика определения индекса цветопередачи заключается в вычислении цветовых координат u, v анализируемого цветового образца при его освещении данным источником света, вычислении цветовых координат u, v образца при его освещении принятым в качестве стандартного источника света и определении ΔE – различия между ними в цветовом пространстве W*U*V*. По полученным данным определяется частный индекс цветопередачи Ri:
(3.9).
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 значение Ra, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта. Методика МКО 1974 г. рекомендует использовать для вычисления индекса цветопередачи среднее арифметическое из частных индексов цветопередачи, определенных для 14 образцов цвета атласа Манселла по показателю ΔE, рассчитанному по координатам цвета образца, освещенного исследуемым источником, и координатам цвета того же образца при выбранном контрольном освещении. Полученная характеристика именуется общим индексом цветопередачи RA:
(3.10).
Для источников с высокой цветовой температурой истинным считается цвет предмета при дневном освещении. В случае источников с низкой цветовой температурой истинным считается цвет предмета при освещении лампой накаливания. В методе МКО действует условие, что цветность стандартного излучения должна быть одинакова или почти одинакова цветности исследуемого излучения. Допускается очень небольшое различие.
Для критической оценки окрашенных объектов потребитель должен выбрать тот источник, который дает достаточно хорошее приближение к истине. Обычно это означает, что источник должен иметь довольно высокий общий индекс цветопередачи МКО (95 и более). Из формул следует, что величина ΔE должна быть порядка одного порога. В некоторых особых случаях для контроля может потребоваться источник с более высоким индексом цветопередачи и более жесткие допуска на фактическое относительное спектральное распределение энергии излучения. Такие особые случаи возникают при необходимости проведения критического сравнения метамерных цветовых стимулов предметов.
Искусственные источники света. Для искусственного освещения применяют электрические лампы двух типов - лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГЛ).
Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение (свет) в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити.
В газоразрядных лампах видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов или паров металлов, которыми заполняется колба лампы. Газоразрядные лампы называют люминесцентными, так как изнутри колбы (цилиндры) покрыты люминофором, который под действием ультрафиолетового излучения, излучаемого электрическим разрядом, светится, преобразуя тем самым невидимое ультрафиолетовое излучение в свет.
Люминесцентные лампы (ЛЛ) – разрядные лампы низкого давления – представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет. Два различных типа ЛЛ являются классическим примером компромисса в технике. Лампы с трехполосным люминофором более экономичны (световая отдача до 104 Лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80), с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу (Ra=9098) при меньшей световой отдаче (до 88 Лм/Вт). Одно из главных преимуществ ЛЛ – долговечность (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности ЛЛ стали самыми распространенными источниками света в офисах предприятий. В странах с мягким климатом ЛЛ широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах.