§ 119. Основные фотометрические характеристики

Световое излучение, проходящее через некоторую поверхность, можно характеризовать количеством энергии, переносимой электромагнитной волной через эту поверхность за одну секунду, т. е. мощностью излучения через данную поверхность. Эта энергетическая характеристика излучения называется потоком световой энергии. Однако, как мы уже видели в предыдущем параграфе, зрительное ощущение зависит не только от мощности излучения, но и от спектральной чувствительности глаза (от коэффициента видности). Поэтому во многих случаях (когда приемником света является глаз) оказывается более удобным характеризовать световое излучение произведением мощности излучения на коэффициент видности Эта психофизическая, или фотометрическая, характеристика излучения, учитывающая спектральную чувствительность глаза, называется световым потоком

Если излучение осуществляется волнами различной длины, то световой поток такого немонохроматического излучения слагается из световых потоков для каждой длины волны:

Таким образом, можно сказать, что световым потоком называется поток световой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению.

Наряду со световым потоком основными фотометрическими характеристиками являются сила света, освещенность и яркость.

Рис. 305

Понятие силы света вводится с помощью представления о точечном источнике света. Источник света считается точечным, если его размер мал по сравнению с расстоянием до места наблюдения и если он испускает свет равномерно по всем направлениям. Точечным источником является, например, звезда, наблюдаемая с Земли, или электрическая лампочка, наблюдаемая на расстоянии нескольких десятков метров, и т. п.

Сила света измеряется световым потоком, создаваемым точечным источником света в единичном телесном угле. Если световой поток создан точечным источником О в телесном угле 2 (рис. 305), то сила света выразится соотношением

Телесным углом называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью (см. рис. 305). Величина телесного угла измеряется отношением площади вырезаемой этим углом на поверхности сферы (с центром О в вершине телесного угла), к квадрату радиуса сферы

Единицей измерения телесного угла является стерадиан (пространственный радиан) — угол, вырезающий единичную глэщадь на сфере единичного радиуса.

Очевидно, что телесный угол, охватывающий все пространство вокруг источника света, равен стерадиан:

В качестве единицы измерения силы света принята кандела — сила света, испускаемая при определенных условиях эталонным источником света специальной конструкции (см. приложение II).

Согласно формуле (19),

откуда следует, что единицей светового потока является световой поток, создаваемый точечным источником с силой света, равной одной канделе, в телесном угле в один стерадиан. Эта единица называется люменом

Для количественной оценки освещения поверхностей вводится понятие освещенности. Освещенностью поверхности называется отношение светового потока падающего на данную поверхность, к величине этой поверхности (рис. 306). Иными словами, освещенность равна световому потоку, падающему на единицу поверхности:

Если линейные размеры поверхности малы по сравнению с ее расстоянием до источника света О, то можно написать

где - проекция на плоскость, перпендикулярную оси потока, а — угол между Тогда

Рис. 306

Подставляя это выражение в формулу (21) и учитывая формулу (20), получим

Таким образом, освещенность поверхности, создаваемая точечным источником света, пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на эту поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния до поверхности.

Зависимостью освещенности от угла падения световых лучей объясняется смена времен года: в северном полушарии освещенность земной поверхности максимальна летом (когда углы а падения солнечных лучей малы) и минимальна зимой (когда углы а велики). Это колебание освещенности вызывает соответствующее колебание температуры на земной поверхности.

Уместно также отметить, что в связи с прямой зависимостью от оказывается целесообразным высевать более светолюбивые растения на южных (в северном полушарии) склонах земной поверхности (которым соответствуют наименьшие значения углов а).

За единицу освещенности принимается люкс это освещенность поверхности площадью световым потоком в падающим перпендикулярно к поверхности:

Чтобы дать наглядное представление о единицах освещенности, отметим, что освещенность, создаваемая прямыми солнечными лучами, имеет порядок освещенность, необходимая для чтения, составляет около а освещенность, создаваемая полной луной, равна примерно

До сих пор мы говорили только о точечных источниках света. Однако во многих случаях источники света являются протяженными: при рассмотрении таких источников глаз различает их форму и размеры.

Для протяженных источников сила света уже не может служить достаточной характеристикой. В самом деле, из двух источников, излучающих свет одинаковой силы, но имеющих различные размеры (площади), меньший источник кажется более ярким, так как он дает большую силу света с единицы площади. Поэтому для протяженных источников света вводится дополнительная характеристика, называемая яркостью.

Яркость В протяженного источника света измеряется силой света, излучаемого с единицы площади видимой (перпендикулярной направлению

наблюдения) поверхности этого источника (рис. 307; М - изображение источника света на сетчатке глаза):

где сила света, видимая поверхность.

Единицей измерения яркости является кандела на квадратный метр

Отметим, что яркость поверхности полуденного Солнца имеет порядок спирали электролампы накаливания — пламени керосиновой лампы — ночного безлунного неба —

Рис. 307

Наименьшая различимая глазом яркость имеет порядок