2.2.3 Сила света, IV

Пусть внутри телесного угла ∆Ω распространяется световой поток ∆Φ (в соответствии с рис. 2.2).

Величина

, (2.7)

носит название силы света источника.

Согласно (1.7), сила света имеет простой физический смысл: это – величина численно равная световому потоку, распространяющемуся в телесном угле 1 ср. Единицей силы света является 1кандела, (кд). Несмотря на то, что сила света I_V введена нами в фотометрические характеристики через поток ∆Φ, по соображениям исторического характера, сила света I_V является в настоящее время основным фотометрическим параметром системы «СИ. Согласно международного стандарту, 1 кандела равна силе света в заданном направлении, излучаемого монохроматическим источником с частотой 5,4∙10¹⁴ Гц, излучение которого в указанном направлении составляет (1/683) Вт/ср.

В заключение раздела 2.2.3 заметим, что согласно (2.7), 1кд = 1лм /1ср.

2.2.4 Освещенность поверхности, е

Освещенностью поверхности называют величину

Е = , (2.8)

где ∆Φ – световой поток, падающей на поверхность площади ∆S, рис. 1.3.

Если ∆Φ = 1лм, ∆S = 1м , освещенность = 1люкс, (лк). То есть, 1лк = 1лм /1м².

Рис. 2.3. Определение освещенности

2.2.5 Закон освещенности

Элементарные преобразования позволяют установить взаимосвязь освещенности Е поверхности с расстоянием R и углом падения света  на поверхность, в соответствии с рис. 2.3, в виде

. (2.9)

Формула (2.9) носит название закона освещенности.

2.2.6 Светимость излучающей поверхности, м

До сих пор, мы рассматривали точечные источники света. Всякий реальный источник имеет конечные размеры. Пусть светящаяся площадка площади S, в соответствии с рис. 2.4, излучает свет в полусферу, которой соответствует телесный угол  = 2πср. Обозначим через Φ_ПС световой поток, излучаемый площадью S в полусферу.

Величина , лм/м² называется светимостью излучающей площади S.

Согласно (2.9) и рис. 2.4 светимость М численно равна световому потоку, излучаемому с единицы площади светящейся поверхности в телесный угол 2π стерадиан.

Рис. 2.4. Определение светимости

2.2.7 Яркость светящейся поверхности, l

Пусть светящаяся поверхность площади S излучает световой поток Φ в телесный угол Ω, ось симметрии которого составляет угол Θ с нормалью к излучающей поверхности, рис. 2.5.

Рис. 2.5. Определение яркости

Величина

(2.10)

называется яркостью светящейся поверхности.

2.2.8 Закон Ламберта

В 1760 году немецким ученым Ламбертом было показано, что, если площадь S не только излучает свет, но еще идеально равномерно рассеивает его по всем направлениям, яркость излучения L не зависит от угла Θ, входящего в (2.10).

Согласно закона Ламберта

L_V = const, (2.11)

для любых Θ, входящих в (2.10).

Элементарные преобразования, показывают, что для Ламбертовского источника, взаимосвязь между светимостью излучающей поверхности М_V и ее яркостью L_V имеет вид

М_V = L_V  π. (2.12)

2.2.9 Световая экспозиция, нv

Световой экспозицией H называется произведение освещенности поверхности Е на время t, в течение которого производится облучение поверхности. По определению,

H = Е  t, (лк  с). (2.13)

В заключение раздела 2.2 мы приводим в таблице 2.2 основные фотометрические характеристики, аналитические выражения для них и размерности в «СИ».

Таблица 2.2 – Перечень основных фотометрических (световых) параметров

Наименование фотометрических величин	Аналитическое выражение	Размерность в СИ»
Сила света	IV	Кандела, (кд)
Световой поток	Φ = IV Ω	Люмен, (лм)
Освещенность поверхности		Люкс, (лк), (люмен на квадратный метр), (лм/м ).
Светимость излучающей поверхности		Люмен на квадратный метр, (лм/м )
Яркость светящейся поверхности		Кандела на квадратный метр, (кд/м )

2.3 Энергетические характеристики оптического излучения

2.3.1 Энергетическая экспозиция, Н_е

Величина, равная отношению энергии излучения Е, падающего на поверхность, к площади этой поверхности S

. (2.14)

2.3.2 Поток излучения, Ф_е

Величина, равная отношению энергии излучения Е, переносимой излучением, к времени переноса этого излучения t

, (2.15)

называется потоком излучения.

2.3.3 Энергетическая светимость М_е (интегральная излучательная

способность)

Интегральная излучательная способность равна отношению потока излучения Ф_е к площади S_И, с которой этот поток испускается

М_е = . (2.16)

2.3.4 Облученность поверхности, Е_е

Величина, равная отношению потока излучения Ф_Э к площади S_П, на которую этот поток падает и поглощается

Е_е = . (2.17)

2.4 Энергетические и световые параметры

Энергетические параметры характеризуют излучение безотносительно к его действию на какой-либо приемник излучения и связаны с переносимой излучением энергии.

С помощью световых параметров оценивают излучение в случае, если приемником излучения служит человеческий глаз. Чувствительность глаза к свету с различными длинами волн не одинакова. Она имеет максимум при  = 0,555 мкм и быстро снижается при удалении от этого максимума. На границах видимого диапазона ( = 0,38 мкм и 0,78 мкм) чувствительность глаза практически падает до нуля [23].

На рис. 2.6 показана относительная спектральная световая эффективность глаза, адаптированного на дневной (1) и ночной (2) свет.

Относительная спектральная световая эффективность V () представляет собой результат усреднения многих исследований. Оптическое излучение в видимом диапазоне описывается световыми параметрами и характеристиками.

Рис. 2.6. Спектральная характеристика чувствительности человеческого глаза

Таким образом, энергетические и световые параметры излучения по смыслу одинаковы, но характеризуют излучение в различных диапазонах волн и имеют различные единицы измерения. Количественные характеристики видимого света связывают со зрительным ощущением. В инфракрасном и ультрафиолетовом поддиапазонах оптического излучения, не воспринимаемого глазом, параметры характеризуют непосредственно энергию, переносимую излучением. Световые и энергетические параметры связаны пропорциональной зависимостью.

Для количественного описания оптического излучения, а так же источников и приемников излучения используются пять основных энергетических параметров: поток излучения и сила излучения – параметры, характеризующие излучение; энергетическая светимость и энергетическая яркость – эти параметры характеризуют источник излучения с учетом площади излучаемой поверхности; энергетическая освещенность (облученность) – этим параметром характеризуют облучаемую, т.е. принимающую излучение, поверхность. Для видимого излучения применяются, соответственно пять световых параметров: световой поток, сила света, светимость, яркость и освещенность.

В ряде случаев эксплуатации излучателей требуется перевод имеющихся световых параметров в энергетические и наоборот. Так, в паспортных данных на светоизлучающие диоды излучение характеризуется обычно силой света или яркостью. Применение же таких приборов, например, в устройствах оптической связи и сигнализации не позволяет непосредственно использовать световые параметры. Переход к энергетическим параметрам осуществляется с помощью световой эффективности, которая в общем случае равна

, (2.18)

где Ф_е- поток излучения (Вт);

Ф_v- световой поток (лм);

I_e- сила излучения (Вт/ср);

I_v- сила света (кд=лм/ср );

L_e- энергетическая яркость (Вт/(срм²));

L _v-яркость (кд/м²).