Фотометрические величины

Основные величины фотометрииРазобравшись с проблемой правильной цветопередачи, перейдем к другой проблеме, а именно — оценке освещения с точки зрения его достаточности для нормальной жизнедеятельности. Без знания этого вопроса мы не сможем приступить к рассмотрению степени экономичности того или иного типа освещения. Более того, сегодня разработаны и введены в действие государственные и международные стандарты, которые жестко нормируют качество освещения, поскольку от этого в значительной степени зависит здоровье человека, безопасность его жизни. Поэтому проведение световых измерений становится не только полезной, но и просто необходимой задачей.

Наверняка вы, уважаемый читатель, меняли обыкновенную электрическую лампочку в люстре только из-за того, что она недостаточно хорошо освещала комнату. При выполнении такой замены обычно говорят, что установленная лампа слишком «тусклая» и надо бы ее поменять на «более яркую». Также понятно всем, что миниатюрной лампочкой от карманного фонарика не осветишь концертный зал — для этого необходимо использовать значительно более «мощные» источники.

Стоп! Вот мы и нащупали «ниточку», которая позволит нам в количественном отношении оценивать то «количество света», которое может произвести тот или иной световой прибор. Это — энергетические величины. Но почему именно они? Из физики известно, что любая электромагнитная волна, в том числе и световая, переносит энергию, и если нам каким-то образом удастся измерить ее энергию, мы сможем дать источнику света конкретную числовую характеристику.

Теперь давайте вспомним, как мы выбираем в магазине лампу накаливания. Делается это очень просто — мы оцениваем ее «световую производительность» через потребляемую электрическую мощность, зная «на глазок», как светится лампа той или иной мощности. Соответственно лампа накаливания с потребляемой мощностью 25 Вт окажется «тусклее», чем лампа с мощностью 60 Вт. Однако здесь не все так просто: лампа «дневного света» с такой же потребляемой электрической мощностью «произведет» гораздо больше света! Почему это так, мы поговорим чуть позже, а сейчас для нас пришло время признать очевидный факт: для оценки «световой производительности» источника света должны использоваться специальные — световые — величины. Соответственно, нам придется обратиться к науке с названием фотометрия.

На рисунке показаны основные физические величины, называемые фотометрическими величинами. Основная величина фотометрии, «начало ее начал» — это лучистая энергия (обозначается в литературе символом We). Лучистая энергия непосредственно переносится световой волной или совокупностью световых волн во всем спектре. Единица измерения лучистой энергии — хорошо знакомый нам джоуль (Дж). Единственный недостаток лучистой энергии кроется в том, что пока еще не придуман прибор, который сможет ее измерить непосредственно, а только косвенно — при помощи соответствующей математической обработки данных.

Количество лучистой энергии, переносимой световой волной в единицу времени, носит название лучистый поток (обозначается символом Фе ). Эта физическая величина связана с лучистой энергией следующим соотношением:

  Ф =   We / t

где t — некоторый промежуток времени. Лучистый поток измеряется в ваттах (Вт), а его физический смысл можно понять, проведя аналогию с электрической мощностью — это фактическая мощность излучения света от конкретного источника. Отметим также, что лучистый поток может с течением времени меняться, тогда лучистая энергия источника может быть найдена суммированием произведений лучистых потоков и промежутков времени, на которых лучистый поток оставался неизменным. И, что намного важнее, лучистый поток уже можно измерять физическими приборами. Человеческий глаз может выступать качественным прибором для оценки лучистого потока. Качественным — не в смысле «очень хорошим», а в смысле «не дающим конкретных числовых значений», но лишь с субъективно-оценивающим свойством. Впрочем, профессионалы-фотометристы, основываясь на практическом опыте, смогут «на глазок» дать даже приблизительную числовую оценку…

Вернемся к рисунку и вспомним, что глаз человека по-разному воспринимает световые волны в зависимости от их длины. Это означает, что если расположить рядом две лампы с одинаковой мощностью излучения, но имеющих колбы разных цветов, то какая-либо из этих ламп субъективно станет казаться человеку ярче, чем соседняя. К примеру, при сравнении яркости зеленой и синей ламп более яркой окажется зеленая. Чтобы учесть специфику человеческого глаза, в фотометрии была введена еще одна физическая величина — световой поток. Обозначается световой поток символом  Фλ в случае монохроматического излучения (излучения с определенной длиной волны, строго одноцветного) или символом Ф в случае излучения спектра волн. Рассказывая о названной физической величине, сразу оговоримся: световой поток имеет две единицы измерения — ватты и люмены (лм), из-за чего может возникнуть некоторая путаница. Не стоит ее пугаться, так как соотношение между единицами измерения заключается только в коэффициенте пересчета. Кроме того, ватты являются так называемой энергетической единицей измерения, а люмены — световой единицей.

Световой поток монохроматического излучения может найден расчетным способом по формуле:

Фλ =   Фe V(λ)

где V(X) — функция относительной световой эффективности (см. рис.).

При определении светового потока спектрального излучения Ф необходимо просуммировать монохроматические световые потоки по всему спектру с учетом относительной световой эффективности на конкретной длине волны. Расчет по формуле ведется в ваттах, которые для величины Фλ   и Ф получают приставку «световые».

А теперь представим в формулу расчета того же светового потока монохроматической волны, но уже в люменах:

 Фλ =  683 Фe V(λ)

Интегральная величина светового потока Ф при спектральном излучении определяется суммированием потоков монохроматических излучений, вычисленных в люменах по формуле во всем спектральном световом диапазоне (или его части, если какие-то длины волн в спектре отсутствуют).

Загадочный коэффициент «683», появившийся в формуле, не случайно имеет именно такое значение, и его появление в физике обусловлено историей: фотометрия возникла во времена, когда не существовало других стабильных источников света, кроме свечей. Международными метрологическими соглашениями закреплено следующее правило: лучистый поток монохроматического излучения с длиной волны 555 нм и величиной в 1 ватт равен 683 люменам. Порадуем читателя: измерение светового потока в световых ваттах используется крайне редко, а в практических расчетах пользуются именно люменами!