Световой поток, сила света, яркость, лучистость, освещенность

Особенности зрения человека

Свет в узком смысле – электромагнитное излучение оптического диапазона (10^–2…10³ мкм), воспринимаемое человеческим глазом и сосредоточенное в области частот от 4,0 · 10¹⁴ Гц до 7,5 · 10¹⁴ Гц или 0,38…0,76 мкм (в вакууме или в воздухе),видимое электромагнитное излучение.

Когда речь идет о видимом излучении, то основным приемником света Глаз – стекловидное тело, имеющее сферическую форму, диаметром 2,5…3 см. Полость глаза заполнена прозрачной студенистой жидкостью под давлением, что обеспечивает глазу сферическую форму. В роговице отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Непосредственно за роговицей располагается радужная оболочка – непрозрачная диафрагма, регулирующая количество света, поступающего на сетчатку, за счет изменения диаметра зрачка (2…4 мм) в процессе световой адаптации. Хрусталик – биологическая линза проецирует четкое изображение на сетчатку, изменяя фокусное расстояние в зависимости от расстояния до объекта. Сетчатка состоит из светочувствительных клеток, преобразующих свет в биоэлектрические импульсы. Частично обработанная информация передается через зрительный нерв в мозг. Два глаза обеспечивают стереоскопическое зрение.

Адаптация к вариациям светового воздействия происходит за счет рефлекторного регулирования диаметра зрачка с временем сокращения и расширения , а также изменения чувствительности сетчатки в диапазоне более 10⁴ раз. Процесс темновой адаптации (увеличение чувствительности) длится 1…1,5 часа, световой – 5…10 мин, что обусловлено различием скоростей реакции колбочковых и палочковых рецепторов.

Спектральная чувствительность глаза локализована в области длин волн λ = 0,38…0,76 мкм и неодинакова для разных λ.Максимум ν_λ = 1 достигается при λ = 555 нм.

Световой поток, сила света, яркость, лучистость, освещенность.

Световой потокF_v – световая величина, оценивающая поток (мощность) оптического излучения по вызываемому им световому ощущению – по воздействию на некий усредненный глаз человека, адаптированный к дневному зрению, спектральная чувствительность которого описывается функцией ν_λ = f(λ). Единица измерения– люмен [лм]. Поток dF_v = 1 лм – световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле dω = 1 ср при силе света I = 1 кд. Соответственно, dF_v = I dω, 1 лм = 1 кд · ср и F_v = ∫I dω.

Световому потоку F_v = 1 лм и λ = 0,555 мкм соответствует энергетический поток F_e = 0,00146 Вт.На этой основе вводится понятие светового ватта: 1 Вт световой = = 1 Вт (λ = 0,555 мкм) = 683 лм.

Для точечного источника света полный телесный угол излучения равен 4π и тогда F_v = 4π I₀, для плоского диффузного излучателя – F_v = π I₀ .

Сила света I = dF/dω определяется отношением светового потока dF, сосредоточенного в элементарном телесном угле dω к величине этого угла. Характеризует свечение источника видимого излучения в заданном направлении.

Единица измерения силы света – кандела, одна из семи основных единиц международной системы (СИ).

Сила света определяет пространственное распределение потока излучения (рис. 1.5, 1.6).

Яркость L = d²F_v/dω dS_┴ = dI/dS_┴ [лм ·м^–2 · ср^–1; кд/м²] – определяет световой поток, распространяющийся в данном направлении в пределах элементарного телесного угла dω с единицы поверхности источника dS_┴, нормальной к направлению наблюдения. Если угол между направлением наблюдения и нормалью к элементу поверхности dS источника равен α , то dS_┴ = dS cos α. Яркость 25…30 кд/м² воспринимается как слабо видимое светлое пятно, 200 кд/м² – ощутимая яркость, 500 кд/м² – привлекающая внимание, 1000 кд/м² – беспокоящая, 2000 кд/м² – слепящая, а > 2000 кд/м² – невыносимая яркость. При прочих равных условиях яркость тем выше, чем меньше размеры источника и уже его диаграмма направленности. Энергетический аналог яркости – угловая поверхностная плотность излучения [Вт ·м^–2 · ср^–1].

6. Лучистость М = dF_v/dS_ист [лм · м^–2] –определяет световой поток, излучаемый с элемента площади dS_истисточника. Энергетический аналог M – поверхностная плотность излучения I_S = dP/dS_ист[Вт · м^–2].

7. Освещенность Е = dF_v/dS_об [лк] –определяет световой поток, падающий на элементарную площадку dS_об поверхности объекта облучения, и совпадает по размерности с лучистостью. Единица измерения освещенности – люкс [лк]: 1 лк = 1 лм · м^–2. Пороговая освещенность равна 10^–6…10^–8 лк. Нормой является Е_N = 200…500 лк, освещенность более 10³ лк вызывает утомление зрения. Энергетический аналог освещенности – поверхностная плотность облучения Е = dР/dS_об [Вт· м^–2].

Освещенность, создаваемая точечным источником пропорциональна его силе света I, обратно пропорциональна квадрату расстояния l до объекта и зависит от угла падения света на объект: Е = I₀ cos θ_пад /l².