Світлові величини

Люмен

Люмен це 1/683 Вт світлового монохроматичного, тобто строго одноколірного, випромінювання з довжиною хвилі 555 нм, що відповідає максимуму кривої спектральної чутливості ока. Величина 1/683 з'явилася історично, коли основним джерелом світла були звичайні свічки, і випромінювання електричних джерел світла, що тільки з'являлися, порівнювалося зі світлом таких свічок. В даний час ця величина узаконена багатьма міжнародними угодами та прийнята повсюдно.

Тілесний кут

Світловий потік від джерел світла — будь то простий сірник або надсучасна електрична лампа — як правило, розповсюджується більш-менш рівномірно на всі боки. Однак за допомогою дзеркал або лінз світло можна направити потрібним нам чином, зосередивши його в деякій частині простору. Частина чи частка простору характеризується тілесним кутом. Поняття «тілесний кут» прямого відношення до світла не має, проте використовується у світлотехніці настільки широко, що без нього неможливе пояснення багатьох світлотехнічних термінів та величин.

Весь світ

Сила світла - це відношення світлового потоку, укладеного в якомусь тілесному куті, до величини цього кута. Сила світла вимірюється в канделах (скорочене російське позначення кд, іноземне – cd). Слово кандела перекладається російською мовою як свічка, і саме свічкою називалася одиниця сили світла у СРСР до 1963 року.

Кандела

Одна кандела - це сила світла джерела, що випромінює світловий потік у тілесному куті. Приблизно таку силу світла має звичайна свічка стеаринова (звідси ясно, що світловий потік такої свічки дорівнює приблизно 12,56 люмен). Світло від будь-якого джерела потрібне, як правило, для того, щоб висвітлити конкретне місце — робочий стіл, вітрину, вулиці тощо. Для характеристики освітлення конкретних місць запроваджується ще одна світлова величина - освітленість.

Освітленість

Освітленість - це величина світлового потоку, що припадає на одиницю площі поверхні, що освітлюється. Якщо світловий потік Ф падає якусь площу S, то середня освітленість цієї площі (позначається буквою Е) дорівнює: Е = Ф/S . Одиниця виміру освітленості називається люксом (скорочене позначення у російськомовній літературі - лк). Один люкс - це освітленість, при якій світловий потік 1 лм падає на площу 1 квадратний метр: 1 лк = 1 лм/1 м2. Щоб уявити собі цю величину, скажімо, що освітленість близько 1 лк створюється свічкою стеаринової на площині, перпендикулярній напрямку світла, з відстані 1 метр. Для порівняння: освітленість від повного місяця на поверхні Землі взимку на широті Москви не перевищує 0,5 лк; Пряма освітленість від Сонця влітку на широті Москви може досягати 100 000 лк. Припустимо, що на робочому столі освітленість дорівнює 100 лк. На столі лежать аркуші білого паперу, якась папка чорного кольору, книга в сірій палітурці. Освітленість усіх цих предметів однакова, а око бачить, що аркуші паперу світліші за книжку, а книга — світліша за папку. Тобто наше око оцінює світлоту предметів не за їхньою освітленістю, а за якоюсь іншою величиною. Ця «інша величина» називається яскравістю.

Яскравість

Яскравість поверхні S - це відношення сили світла, що випромінюється цією поверхнею в якомусь напрямку, до площі проекції цієї поверхні на площину, перпендикулярну до обраного напрямку. Як відомо, площа проекції будь-якої плоскої поверхні на іншу площину дорівнює площі цієї поверхні, помноженої на косинус кута між площинами. Якщо для світлового потоку, сили світла та освітленості існують спеціальні одиниці виміру (люмен, кандела та люкс), то для одиниці виміру яскравості спеціальної назви немає. Щоправда, у старих (до 1963 року) підручниках з фізики, світлотехніки, оптики та в іншій технічній літературі було кілька назв одиниць виміру яскравості: у російськомовній — нит і стильб, в англомовній — фут-ламберт, апостильб та ін. жодну з цих одиниць не прийняла, а прийнятої одиниці виміру яскравості спеціальної назви не вигадала. За одиницю виміру яскравості зараз у всіх країнах прийнята яскравість плоскої поверхні, що випромінює силу світла в 1 кд з одного квадратного метра в напрямку, перпендикулярному поверхні, що світить, тобто 1 кд/м2. Від чого залежить яскравість предметів? Насамперед, звичайно, від кількості світла, що на них потрапляє. Але в наведеному прикладі на всі предмети, що лежать на столі, потрапляє однакова кількість світла. Значить, яскравість залежить і від властивостей самих предметів, а саме — від їхньої здатності відбивати світло, що падає.

Відображення

Коефіцієнт відбиття - це відношення величини світлового потоку, відбитого від будь-якої поверхні, до світлового потоку, що падає на цю поверхню від будь-якого джерела світла або світильника. Чим вищий коефіцієнт відображення предмета, тим світлішим він нам здається. У наведеному прикладі з робочим столом коефіцієнт відображення аркушів паперу вищий, ніж палітурки книги, а у цієї палітурки — вище, ніж у папки. p align="justify"> Коефіцієнт відображення матеріалів залежить як від властивостей самих матеріалів, так і від характеру обробки їх поверхні. Відображення може бути спрямованим у якусь одну сторону або розсіяним у певному тілесному куті. Візьмемо лист звичайного білого паперу або ватману. З якого б боку і під яким би кутом ми на такий аркуш не дивилися, він здається нам однаково світлим, тобто яскравість його в усіх напрямках однакова. Таке відображення називається дифузним чи розсіяним; відповідно, поверхні з таким характером відбиття також називають дифузними. Це не глянсовий папір, більшість тканин, матові фарби, побілка, шорсткі металеві поверхні та багато іншого. Але якщо ми почнемо полірувати шорстку металеву поверхню, то характер її відображення почне змінюватися. Якщо поверхня відполірована дуже добре, то все світло, що падає на неї, буде відображатися в один бік. При цьому кут, під яким відображається падаюче світло, точно дорівнює куту, під яким він падає на поверхню. Таке відображення називається дзеркальним, а рівність кутів падіння та відображення світла є одним із базових законів світлотехніки: на цьому законі засновані всі методи розрахунків прожекторів та світильників із дзеркальною оптичною частиною. Крім дзеркального та дифузного відображення, існує спрямовано-розсіяне (наприклад, від погано відполірованих металевих поверхонь, шовкових тканин або від глянцевого паперу), а також змішане (наприклад, від молочного скла). Крива, що характеризує кутовий розподіл коефіцієнта відбиття, називається індикатрисою відбиття. Для поверхонь з дифузним відображенням яскравість пов'язана з освітленістю простим співвідношенням: яскравість дзеркальної поверхні дорівнює яскравості предметів, що відбиваються в ній (джерел світла, стелі, стін і т.п.), помноженої на коефіцієнт відображення. Для оцінки яскравості предметів та поверхонь із спрямовано-розсіяним та змішаним відображенням необхідно знати індикатриси відображення. Чотири названі світлові величини - світловий потік, сила світла, освітленість і яскравість - це ті найважливіші поняття, без знання яких неможливо пояснення роботи джерел світла та освітлювальних приладів. Однак для такого пояснення потрібне ще й знання світлотехнічних характеристик матеріалів. З одного з таких показників — коефіцієнтом відображення — ми познайомилися. Але в природі немає матеріалів, що відображають все світло, що падає на них. Та частка світла, яка відбивається від матеріалу, у випадку ділиться ще на частини: одна частина проходить крізь матеріал, інша поглинається у ньому.

Коефіцієнти пропускання та поглинання

Частка світла, що проходить крізь матеріал, характеризується коефіцієнтом пропускання, а частка, що поглинається – коефіцієнтом поглинання. Співвідношення між цими трьома коефіцієнтами - відображення, поглинання і пропускання - можуть бути різними, але у всіх без винятку випадках сума трьох коефіцієнтів дорівнює одиниці. У природі немає жодного матеріалу, у якого хоча б один з трьох коефіцієнтів дорівнював 1. Найбільше дифузне відображення мають свіжий сніг, хімічно чисті сірчанокислий барій і окис магнію. Найбільше дзеркальне відображення у чистого полірованого срібла та спеціально обробленого алюмінію.

Розмір коефіцієнта пропускання вказується в довідковій літературі для певної товщини матеріалу (зазвичай на 1 див). До найбільш прозорих матеріалів можна віднести особливо чистий кварц і деякі марки поліметилметакрилату (органічного скла), які мають гіпотетичну (реально неіснуючу!) речовину з коефіцієнтом поглинання, рівним 1, називається «абсолютно чорним тілом». Як і відображення, пропускання світла може бути спрямованим (у силікатного або органічного скла, полікарбонату, полістиролу, кварцу тощо), дифузним або розсіяним (молочне скло), спрямовано-розсіяним (матоване скло) і змішаним.

Переважна більшість матеріалів по-різному відбиває, пропускає чи поглинає світло з різною довжиною хвилі, тобто різного кольору. Саме ця властивість матеріалів визначає їх колір і створює багатобарвність навколишнього світу. Для повної характеристики світлотехнічних властивостей матеріалів необхідно знати як абсолютні значення їх коефіцієнтів відбиття, пропускання і поглинання, а й розподіл цих коефіцієнтів у просторі (індикатриси) і з довжинам хвиль. Розподіл коефіцієнтів по довжинах хвиль називається спектральними характеристиками (відображення, пропускання чи поглинання). Усі три названих коефіцієнта є відносними (безрозмірними) величинами і вимірюються у частках одиниці чи відсотках (у тих частках, помножених на 100).