Светотехнические параметры и понятия. Часть 1
Профессиональные светотехники и специалисты, работающие в области освещения, постоянно употребляют разные термины и определения, которые мало о чем говорят простому обывателю, но нужны для правильного описания цветового фона.
Профессиональные светотехники и специалисты, работающие в области освещения, постоянно употребляют разные термины и определения, которые мало о чем говорят простому обывателю, но нужны для правильного описания цветового фона.
Чтобы было проще понимать, о чем идет речь, и что обозначают эти слова, мы подготовили список, объясняющий основные светотехнические термины и характеристики. Его не нужно учить наизусть, можно просто заходить на нужную страницу и освежать в памяти забытый параметр. Говорить «на одном языке» всегда проще.
Светотехнические параметры и понятия.
1 — Видимое и оптическое излучение
Весь окружающий нас мир образуется видимым и оптическим излучением, сосредоточенным в полосе электромагнитных волн от 380 до 760 нм. К ней с одной стороны добавляется ультрафиолетовое излучение (УФ), а с другой инфракрасное (ИК).
УФ-лучи оказывают биологическое воздействия и применяются для уничтожения бактерий. Дозировано они используются для лечебного и оздоровительного эффектов.
ИК-лучи используются для нагрева и сушки в установках, так как в основном производят тепловое воздействие.
2 — Световой поток (Ф)
Световой поток характеризует мощность видимого излучения по воздействию на человеческое зрение. Измеряется в люменах (лм). Величина не зависит от направления. Световой поток — это самая важная характеристика источников света.
Например, лампа накаливания Е27 75 Вт имеет световой поток 935 лм, галогенная G9 на 75 Вт — 1100 лм, люминесцентная Т5 на 35 Вт — 3300 лм, металлогалогенная G12 на 70 Вт (теплая) — 5300 лм, светодиодная Е27 9,5 Вт (теплая) — 800 лм.
3 — Люмен
Люмен (лм) — это световой поток от источника света (лампы) при окружающей температуре 25°, измеренной при эталонных условиях.
4 — Освещенность (Е)
Освещенность — это отношение светового потока, подающего на элемент поверхности, к площади этого элемента. Е=Ф/А, где, А -площадь. Единица освещенности — люкс (лк).
Чаще всего нормируется горизонтальная освещенность (на горизонтальной плоскости).
Средние диапазоны освещенности: на улице при искусственном освещении от 0 до 20 лк, в помещении от 20 до 5000 лк, 0,2 лк в полнолуние в природных условиях, 5000 -10000 лк днем при облачности и до 100 000 лк в ясный день.
5 — Сила света (I)
Сила света — это пространственная плотность светового потока, ограниченного телесным углом. Т. е. отношение светового потока, исходящего от источника света и распространяющегося внутри малого телесного угла, содержащего рассматриваемое направление.
I=Ф/ω Единица измерения силы света — кандела (кд).
Средняя сила света лампы накаливания в 100 Вт составляет около 100 кд.
КСС (кривая силы света) — распределение силы света в пространстве, это одна из важнейших характеристик светотехнических приборов, необходимая для расчета освещения.
6 — Яркость (L)
Яркость (плотность света) — это отношение светового потока, переносимого в элементарном пучке лучей и распространяющемся в телесном угле, к площади сечения данного пучка.
L=I/A (L=I/Cosα) Единица измерения яркости — кд/м2.
Яркость связана с уровнем зрительного ощущения; распространение яркости в поле зрения (в помещении/интерьере) характеризует качество (зрительный комфорт) освещения.
В полной темноте человек реагирует на яркость в одну миллионную долю кд/м2.
Полностью светящийся потолок яркостью боле 500 кд/м2 вызывает у человека дискомфорт.
Яркость солнца примерно миллиард кд/м2, а люминесцентной лампы 5000–11000 кд/м2.
7 — Световая отдача (H)
Световая отдача источника света — это отношение светового потока лампы к ее мощности.
Η=Ф/Р Единица измерения светоотдачи — лм/Вт.
Это характеристика энергоэкономичности источника света. Лампы с высокой световой отдачей обеспечивают экономию электроэнергии. Заменяя лампу накаливания со светоотдачей 7–22 лм/Вт на люминесцентные (50–90 лм/Вт), расход электроэнергии уменьшится в 5–6 раз, а уровень освещенности останется тот же.
8 — Цветовая температура (Тц)
Цветовая температура определяет цветность источников света и цветовую тональность освещаемого пространства. При изменении температуры источника света, тональность излучаемого света меняется от красного к синему. Цветовая температура равна температуре нагретого тела (излучатель Планка, черное тело), одинакового по цвету с заданным источником света.
Единица измерения Кельвин (К) по шкале Кельвина: Т — (градусы Цельсия + 273) К.
Пламя свечи — 1900 К
Лампа накаливания — 2500–3000 К
Люминесцентные лампы — 2700 — 6500 К
Солнце — 5000–6000 К
Облачное небо — 6000–7000 К
Ясный день — 10 000 — 20 000 К.
9 — Индекс цветопередачи (Ra или CRI)
Индекс цветопередачи характеризует степень воспроизведения цветов различных материалов при их освещении источником света (лампой) при сравнении с эталонным источником.
Максимальное значение индекса цветопередачи Ra =100.
Ra = 90 и более — очень хорошая (степень цветопередачи 1А)
Ra = 80–89 — очень хорошая (степень цветопередачи 1В)
Ra = 70–79 — хорошая (степень цветопередачи 2А)
Ra = 60–69 — удовлетворительная (степень цветопередачи 2В)
Ra = 40–59 — достаточная (степень цветопередачи 3)
Ra = менее 39 — низкая (степень цветопередачи 3)
Ra он же CRI — color rendering index был разработан для сравнения источников света непрерывного спектра, индекс цветопередачи которых был выше 90, поскольку ниже 90 можно иметь два источника света с одинаковым индексом цветопередачи, но с сильно различающейся передачей цвета.
Комфортное для глаза человека значение CRI = 80–100 Ra
Мы пишем о световом дизайне и светильниках. Знакомим вас с дизайнерами и их творчеством.
Рассказываем о новинках и помогаем сделать правильный выбор.. Следите за нашими соцсетями, чтобы быть в курсе новинок и тенденций в световом дизайне.
Основные световые величины и единицы их измерения
Основной поток информации об окружающей среде приходит к человеку через глаза, которые выступают инструментом зрительного анализа.
Для характеристик влияния света на глаз принято несколько показателей, основными из которых выступают количественные величины — световой поток, сила света, освещенность и яркость.
Световой поток
Световой поток выступает основной величиной восприятия глазом световой энергии и выражается в люменах (лм). Определение светового потока связано с появлением первых ламп накаливания, когда потребовалась величина сравнения их излучения с силой света свечи.
Люмен составляет 1/683 часть ватта с длиной волны монохромного излучения 555 нм. Такая величина связана с пиком восприятия глаза именно этой видимой части спектра.
Сила света
Дальнейшее развитие светотехники потребовало конкретизации светового потока в освещаемом пространстве и появилась такая характеристика как сила света. Эта величина выражает плотность светового потока через освещаемые углы и выражается в канделах (кд). Кандела в переводе на наш язык звучит как свеча, что отразилось в использовании в Советском Союзе этого термина до начала шестидесятых годов прошлого века.
Физический смысл 1 канделы состоит в показателе светового потока 1 люмен, излучаемый в пространственный угол 1 стерадиан. Силу света такой величины излучает восковая свеча, световой поток которой составляет примерно 12 люмен.
Освещенность
Появление понятия освещенность связано с необходимостью измерить освещение конкретных предметов или площадей. Измеряемая в люксах (лк), освещенность показывает световой поток, попадающий на единицу площади освещения. Один люкс обозначает 1 люмен светового потока на 1 м² освещаемого пространства.
Наглядным представлением величины в 1 люкс служит освещении одной восковой свечой плоскости, перпендикулярной распространению света, и расположенной на расстоянии 1 метр от нее.
Яркость
Способность глаза по разному воспринимать равноосвещенные объекты привела к появлению такой величины как яркость. Она определяет плотность светового потока в пространстве и показывает взаимосвязь силы света наблюдаемого объекта и площади проекции данного предмета. Общепринятой величиной измерения яркости выступает 1 кд/м².
Яркость освещаемого предмета определяется не только световой силой источника, но и отражающими свойствами этого предмета. Чем выше отражающий коэффициент одинаково освещаемых предметов, тем светлее они воспринимаются глазом.
Анализу показателей качества освещения, таких как коэффициент пульсации, показатели ослепленности и дискомфорта, а также спектральный состав света, будет посвящена отдельная статья.
Светотехнические величины: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость
Световой поток — мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучистую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, излучающейся в единицу времени называется потоком излучения или лучистым потоком. Измеряется поток излучения в ваттах. Световой поток обозначается Фе.
где: Qе — энергия излучения.
Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.
В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения во времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, дающую изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, излучаемых источником в единицу времени, очень велико.
По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейчатым, полосатым и сплошным спектрами. Поток излучения источника с линейчатым спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:
где: Фλ — монохроматический поток излучения; Фе — поток излучения.
У источников с полосатым спектром, излучение происходит в пределах достаточно широких участков спектра — полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосатым спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения
где: λ — длина волны.
Спектральная плотность потока излучения — это характеристика распределения лучистого потока по спектру и равняется отношению элементарного потока ΔФeλ соответствующего бесконечно малому участку, к ширине этого участка:
Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.
В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия потока излучения, вводится понятие светового потока. Световой поток — это поток излучения, оценивающийся его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО.
В светотехнике используется и такое определение светового потока: световой поток — это мощность световой энергии. Единица светового потока — люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.
Таблица 1. Типичные световые величины источников света:
| Типы ламп | Электрическая энергия, Вт | Световой поток, лм | Световая отдача лм/вт |
| Лампа накаливания | 100 Вт | 1360 лм | 13,6 лм/Вт |
| Люминесцентная лампа | 58 Вт | 5400 лм | 93 лм/Вт |
| Натриевая лампа высокого давления | 100 Вт | 10000 лм | 100 лм/Вт |
| Натриевая лампа низкого давления | 180 Вт | 33000 лм | 183 лм/Вт |
| Ртутная лампа высокого давления | 1000 Вт | 58000 лм | 58 лм/Вт |
| Металлогалогенная лампа | 2000 Вт | 190000 лм | 95 лм/Вт |
Световой поток Ф, падая на тело, распределяется на три составные части: отраженную телом Ф ρ , поглощенную Ф α и пропущенную Ф τ . При светотехнических расчетах используют коэффициенты: отражения ρ = Ф ρ /Ф; поглощения α =Ф α /Ф; пропускания τ =Ф τ /Ф.
Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей
| Материалы или поверхности | Коэффициенты | Характер отражения и пропускания | ||
| отражения ρ | поглащения α | пропускания τ | ||
| Мел | 0,85 | 0,15 | — | Диффузное |
| Эмаль силикатная | 0,8 | 0,2 | — | Диффузное |
| Алюминий зеркальный | 0,85 | 0,15 | — | Направленное |
| Зеркало стеклянное | 0,8 | 0,2 | — | Направленное |
| Стекло матированное | 0,1 | 0,5 | 0,4 | Направленно-рассеянное |
| Стекло молочное органическое | 0,22 | 0,15 | 0,63 | Направленно-рассеянное |
| Стекло опаловое силикатное | 0,3 | 0,1 | 0,6 | Диффузное |
| Стекло молочное силикатное | 0,45 | 0,15 | 0,4 | Диффузное |
Распределение излучения реального источника в окружающем пространстве не равномерно. Поэтому световой поток не будет исчерпывающей характеристикой источника, если одновременно не определяется распределение излучения по разным направлениям окружающего пространства.
Для характеристики распределения светового потока пользуются понятием пространственной плотности светового потока в разных направлениях окружающего пространства. Пространственную плотность светового потока, определяющуюся отношением светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника, в пределах которого равномерно распределен этот поток, называют силой света:
где: Ф — световой поток; ω — телесный угол.
Единицей силы света является кандела. 1 кд.
Это сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела, площадью 1:600000 м2 при температуре затвердевания платины.
Единица силы света — кандела, кд является одной из основных величин в системе СИ и соответствует световому потоку 1 лм, равномерно распределенному внутри телесного угла 1 стерадиан (ср.). Телесный угол — часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Телесный угол ω измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего.
Освещенность — это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Она обозначается буквой Е и измеряется в люксах (лк).
Единица освещенности люкс, лк имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м2).
Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:
Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.
Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:
- Лето, день под безоблачным небом — 100 000 люкс
- Уличное освещение — 5-30 люкс
- Полная луна в ясную ночь — 0,25 люкс
4. Отношение между силой света (I) и освещенностью (Е).
Закон обратных квадратов
Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:
Для примера: если источник света излучает свет силой 1200 кд в направлении, перпендикулярном к поверхности, на расстоянии 3-х метров от этой поверхности, то освещенность (Ер) в точке, где свет достигает поверхности, будет 1200/32 = 133 лк. Если поверхность находится на расстоянии 6м от источника света, освещенность будет 1200/62= 33 лк. Это отношение называется «закон обратных квадратов» .
Освещенность в определенной точке на поверхности, не перпендикулярной направлению распространения света, равняется силе света в направлении точки измерения, разделенной на квадрат расстояния между источником света и точкой на плоскости умноженной на косинус угла γ ( γ — угол, образованный направлением падения света и перпендикуляром к этой плоскости).
Это закон косинуса (рисунок 1.).
Рис. 1. К закону косинуса
5. Горизонтальная освещенность
Для расчета горизонтальной освещенности целесообразно изменить последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света к поверхности.
Чем отличаются световой поток, сила света и яркость?
Световой поток – это физическая характеристика, оценивающая величину лучистой энергии, излучаемой источником света. Световая энергия распространяется в пространстве во все стороны на 360 градусов от излучателя. Потери мощности (рассеивание) приводят к уменьшению плотности светового потока по мере удаления от источника. В результате прилегающая площадь освещается лучше, чем удаленная. 
Единицей измерения служат Люмены. Один Люмен – это световой поток, излучаемый источником c силой света в одну Канделу, в телесном угле один Стерадиан. На упаковке светодиодной продукции обязательно указывается количество Люменов, выдаваемых конкретным изделием. Именно по этому показателю необходимо выбирать led лампы, ленты и светильники. Точно измерить световой поток можно только в лаборатории при помощи дорогостоящего оборудования. Для измерения применяются приборы двух типов:
- сферический фотометр – выполнен в форме сферы с нанесенным изнутри специальным покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к единице. На одной из внутренних стенок размещается фотоэлемент со специализированным фильтром. Осветительный прибор помещают в центр фотометра и измеряют световой сигнал фотоэлементом. При сравнении измеренного значения с результатом от эталонного источника излучения вычисляется величина абсолютного светового потока источника освещения;
- фотометрический гониометр – используется совместно с калиброванным люксметром. Процесс состоит в измерении освещенности от источника света на сферической поверхности. При интегрировании результатов, полученных на всей площади сферы получается абсолютное значение светового потока.
Что означают сила света и яркость?
Световое излучение распределяется в пространстве неоднородно, с максимумами и минимумами на различных векторах распространения. Чтобы количественно оценить распределение света по любому направлению используется специальный параметр.
Сила света – это пространственная плотность светового потока, которая равна отношению светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника света. Единицей измерения является Кандела. Под одной Канделой понимается световой поток в один Люмен, который равномерно распределен в телесном угле один Стерадиан.
При проектировании и расчете систем освещения всегда используют кривую силы света (КСС), демонстрирующую как реально распределяется свет от светильника. Поэтому данная характеристика обязательно приводится в документации на светотехническое оборудование.
Переходим к следующему параметру, который обычно путают со световым потоком и ассоциируют с Люменами. Что совершенно неверно.
Яркость – это отношение силы света, отдаваемого поверхностью свечения и распространяющегося в пределах определенного телесного угла, к площади проекции светового пучка на плоскость, перпендикулярную взгляду наблюдателя. Измеряется в Канделах на квадратный метр (Кд/м2).
Для иллюстрации можно представить световой конус, излучаемый лампой в направлении наблюдения и имеющий определенную плотность. Пересекаем конус воображаемой поперечной плоскостью в любом месте и получаем проекцию светового потока на этой плоскости. Чем дальше от лампы, тем меньше становится плотность света. Соответственно уменьшается яркость источника, визуально воспринимаемая наблюдателем.
При расчете осветительной системы учитываются вторичные источники света. Например, стены, потолок и элементы интерьера светлого цвета. Они отражают световой поток и также характеризуются яркостью, рассчитываемой вручную по формуле или автоматически в программе Dialux.
Выпускаются потолочные и настенные светильники, которые освещают комнату светом, отраженным от потолка и стен. Их видимая оптическая яркость невысока, поскольку зрение воспринимает не прямой, а отраженный световой поток небольшой силы.