Основні світлотехнічні поняття та одиниці

Світлові випромінювання – це електромагнітні випромінювання певної частки оптичного діапазону. За довжиною хвилі оптичні випромінювання знаходяться в діапазоні довжини хвилі від 10 до 340000 нм. У цьому діапазоні видимі випромінювання займають незначну ділянку – діапазон від 380 до 760 нм. Таким чином, при однаковому енергетичному рівні оптичні випромінювання з довжиною хвилі 380-760 нм сприймаються органами зору людини, а за межами цього хвильового діапазону не сприймаються.

Тому, при вирішенні питань світлотехніки такі питання як енергія випромінювання чи потужність недоречні. У зв’язку з цим у світлотехніці введена система світлотехнічних величин і одиниць.

Основними поняттями цієї системи є: світловий потік, сила світла, освітленність і яскравість, фон (характерується коефіцієнтом відбиття (ρ), пропускання (τ) та поглинання (β)), контраст яскравості і видимість.

Світловий потік F ѕ це потік випромінювання, що оцінюється за його дією на людське око. За одиницю світлового потоку прийнято люмен (лм). Наприклад, лампа розжарювання потужністю 40 Вт створює світловий потік 415-460 лм, а люмінесцентна лампа ЛД 40 такої же потужності – 2340 лм.

Сила світла І ѕ просторова щільність світлового потоку, яка визначається відношенням світлового потоку F (лм) до тілесного кута w, у якому цей потік поширюється: І = F/w. За одиницю сили світла прийнято канделу (кд). Тілесний кут ѕ частина простору сфери, обмежена конусом, що спирається на поверхню сфери з вершиною у її центрі. За одиницю тілесного кута прийнято стерадіан (ср). Кут в 1 ср вирізає на поверхні сфери площину, яка є рівною квадрату радіуса сфери. Кандела це сила світла еталонного джерела в перпендикулярному напрямку при температурі затвердіння платини 2046,65° К і тиску P=101325 Па.

Освітленість Е ѕ поверхнева щільність світлового потоку. При рівномірному розподілі світлового потоку F, перпендикулярного освітлюваній поверхні S, освітленість Е = F/S. Наприклад, освітленість поверхні у повний місяць – 0,2-0,3 лк, білої ночі 2-3 лк, опівдні (літо) – 68000–99000 лк.

Яскравість поверхні В ѕ поверхнева щільність сили світла, визначається як відношення сили світла І у даному напрямі до проекції поверхні, що світиться, на площину, перпендикулярну до напряму спостереження. В = І/S cos a, де a ѕ кут між нормаллю до поверхні і напрямом зору. За одиницю яскравості прийнято канделу на квадратний метр (кд/м2 або ніт ). Наприклад, яскравість люмінесцентних ламп – 5*103- 105 кд/м2, лампи розжарювання – 5,5*106 кд/м2. Око людини спроможне нормально функціонувати у діапазоні 10-6–104 кд/м2. Осліплююча яскравість залежить від розміру поверхні, яка світиться, яскравості сигналу та рівня адаптації зору і має розбіг 6,4*10–15,9*104 кд/м2. Для ефективного бачення об‘єкту фонова яскравість повинна знаходитися у діапазоні 10-500 кд/м2.

Коефіцієнти відбиття r, пропускання t та поглинання b поверхонь вимірюються у відсотках або частках одиниці (r + t + b = 1): r = Fr/F; t = Ft/F; b = Fb/F, де Fr, Ft, Fb ѕ відповідно відбитий, поглинений та той, що пройшов через поверхню, світлові потоки; F – світловий потік, що падає на поверхню. Наприклад, коефіцієнт відбиття білої поверхні дорівнюється 0,8 – 0,75 , світло синьої – 0,55, коричневої – 0,23, чорної – 0,1 – 0,07.

Фон – поверхня, що безпосередньо прилягає до об`єкта. Він оцінюється коефіцієнтом відбиття. Фон вважають світлим при r>0,4, середнім ѕ при 0,4 іr>0,2 та темним при r<0,2.

КонтрастK об`єкта спостереження та фону визначається різницею між їх яскравостями: К= (Во – Вф)/Вф, де Во та Вф ѕ відповідно яскравості об`єкта та фону. Контраст вважають великим при К>0,5, середнім при 0,2< K<0,5, малим при K < 0,2.

Видимість V характеризує здатність ока сприймати об’єкт. Видимість залежить від освітлення, розміру об’єкта розпізнавання, його яскравості, контрасту між об’єктом і фоном, тривалості експозиції: V = К/Кпор , де К - контраст між об’єктом і фоном; Кпор – пороговий контраст, тобто найменший контраст, що розрізняється оком за даних умов. Для нормального зорового сприйняття V повинна бути рівною 10–15.

Час зберігання зорового відчуття - 0,2-0,3 с. Сприйняття мерехтливого світла має специфічні особливості. Серія світлових імпульсів сприймається як безупинний сигнал, якщо інтервали між імпульсами порівняні з часом інерції зору. Критична частота мерехтіння дорівнює 15-70 Гц. Таким чином, для забезпечення стабільного зображення частота регенерації сигналу повинна бути не нижчою 70 Гц. Наприклад, у сучасних моніторах частота регенерації зображення складає 85 Гц і вище.