Мы используем слово “яркий” каждый день, но для инженеров-оптиков эта фраза может вызвать “войну концепций”. Вы имеете в виду ослепительность самой лампы или то, насколько четко она освещает столешницу? За этим стоит целая система “метрологии”, точно описывающая, как генерируется, передается и принимается свет. Сегодня давайте разберем эти основные понятия, как строительные блоки: световой поток, сила света, освещенность, яркость, телесный угол и проецируемый телесный угол. Освоив их, вы по-настоящему “овладеете” светом.
Представьте себе водопроводную трубу. Световой поток (Φ, измеряется в люменах лм) - это общий объем воды, вытекающей из трубы в единицу времени. Он описывает сумму всей видимой световой энергии, излучаемой источником света, - понятие “суммарный световой поток”. 100-ваттная лампа накаливания излучает примерно 1300 люмен - это ее общий “световой поток”. Но одного общего выхода недостаточно: свет распространяется во всех направлениях. Это приводит нас ко второму ключевому понятию - твердому углу.
Если плоский угол похож на отрезание куска пиццы, то телесный угол (Ω, измеряется в стерадианах sr) похож на отрезание “трехмерного куска пиццы” от центра сферы. Полный шар имеет телесный угол в 4π стерадианов. Представьте, что ваши глаза - это центр сферы; все направления, которые вы можете видеть, образуют полное “визуальное пространство”. Любая частичная область в этом пространстве - например, диапазон, ограниченный абажуром, - представляет собой телесный угол меньше 4π. Телесные углы измеряют степень расхождения света в пространстве.
Теперь объединим понятия светового потока и телесного угла. Если световой поток сжимается и излучается в пределах определенного телесного угла, его “плотность” увеличивается. Сила света (I, единица измерения: кандела кд) - это физическая величина, описывающая эту степень концентрации: I = Φ / Ω. Она относится к световому потоку, излучаемому источником света в пределах единичного телесного угла в определенном направлении.
Лазерная указка, несмотря на низкий общий световой поток (Φ), излучает весь свет в пределах чрезвычайно малого телесного угла (Ω). Это приводит к чрезвычайно высокой интенсивности света (I) в этом направлении, что делает ее очень ослепительной. Свеча, с другой стороны, излучает большой световой поток во всех направлениях. Однако из-за большого телесного угла ее сила света невелика.
Освещенность (E, измеряется в люксах lx) описывает количество светового потока, получаемого на единицу площади освещаемой поверхности: E = Φ / A. Она отвечает на вопрос “Насколько яркая эта столешница?” в зависимости от источника света и расстояния. Вот почему чтение при свете уличных фонарей более четкое, чем при свете луны: хотя луна (отражая солнечный свет) имеет огромный суммарный световой поток, ее расстояние настолько велико, что “плотность светового потока” (то есть освещенность), достигающая страницы книги, ничтожно мала.
Это самая легкоусвояемая концепция, однако именно она является истинным параметром “короля”.
Яркость (L, измеряется в нитах или кд/м²) представляет собой воспринимаемую яркость источника света в определенном направлении, ощущаемую человеческим глазом (или детектором). Его определение синтезирует все предыдущие понятия: L = I / (A - cosθ). Здесь I - сила света в данном направлении, A - светоизлучающая площадь источника, а θ - угол между направлением наблюдения и нормалью.
Яркость описывает световой поток на единицу площади поверхности источника света в пределах единичного телесного угла. Это внутреннее свойство, не зависящее от расстояния. Например, уличный фонарь имеет гораздо большую силу света (I) и общий световой поток (Φ), чем экран смартфона, но площадь его поверхности (A) больше, и его свет расходится во всех направлениях (большой телесный угол Ω). Напротив, экран смартфона концентрирует свой световой поток на небольшой площади и в пределах узкого телесного угла. Расчеты показывают, что яркость экрана (L ≈ I/A) может легко превысить 1000 нит - намного больше, чем яркость поверхности старого уличного фонаря. Вот почему при взгляде прямо на экран смартфона он кажется более ярким.
В определении яркости площадь обозначается A - cosθ, представляя собой проецируемую площадь. Почему проецируемая? Потому что при наклоне направления обзора эффективная площадь освещенности, которую вы воспринимаете, уменьшается. Это естественным образом вводит понятие проецируемого телесного угла.
При расчете освещенности на освещенной поверхности телесный угол между источником света и поверхностью также должен учитывать этот фактор наклона - проектируемый телесный угол. Он устраняет разрыв между освещенностью источника света и освещенностью поверхности, служа основным инструментом для более точных расчетов в трассировке лучей и радиометрии.
Отправьте нам запрос