Блог

Свет как физическое явление.

Свет как физическое явление.

Немного теории... Физика света, фотометрические единицы, колориметрические параметры, цветопередача


Теория света:

Свет как физическое явление

Фотометрические единицы

Колориметрические параметры

Цветопередача. Индекс цветопередачи


Свет как физическое явление:                                                (в начало страницы)

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


                                                                                                  (в начало страницы)

Теги: фотометрия, колориметрия, освещённость, яркость, сила света, цветопередача, световой поток