Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Светотехника: Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 653700 - Оптотехника

Голосов: 0

Изложены основы светотехники, параметры и характеристики источников излучения. Особое внимание уделено газоразрядным источникам света и лампам накаливания. Учебное пособие предназначено для студентов, аспирантов и разработчиков светотехнических приборов в качестве пособия, помогающего в освоении основных принципов и практических навыков создания фотометрических приборов.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                                                                         23

             В частности, когда ρλ и τλ малы и расстояние между плоскостями,
ограничивающими среду, мало, то
Tλ = τ λ (1 − ρ λ ) 2

             Величина τλ зависит от толщины среды x. Если обозначить входящий
в среду световой поток dϕ λ , а вышедший dϕ λ , то
                                            '



dϕ λ
   '
     = τ λ = e − kλ x ,
dϕ λ

где kλ - удельное поглощение света – характеризует свойство среды, а τλ и Tλ
характеризуют свойства всей среды в целом.
Заменяя экспоненту на 10 lg e , можно получить   10



                                  '
τ λ = 10 − kλ lg
               10 e⋅ x
                         = 10 − kλ x ,

Отсюда
                                      lg10 τ λ    1
lg10 rλ = − k λ x; k λ = −
              '      '
                                               = − ⋅ [lg10 Tλ − 2 lg10 (1 − ρ λ )]
                                         x        x

          Так как ρλ зависит от угла падения, то и Тλ является функцией угла
падения света на границу раздела сред. Поэтому измерять Тλ надо при
нормальном падении светового потока на эту границу[2,4].


                                                                            24
                ГЛАВА 2. Световые величины и единицы


                          2.1. Световой поток


       Фотометрические         величины          являются         объективными
характеристиками источников и сред. Человек с помощью органов зрения,
как было указано в п.1.1., воспринимает лишь часть лучистого потока.
Величина лучистого потока, оцениваемая по его действию на человеческий
глаз, называется световым потоком, который измеряется в люменах (лм).
Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником,
имеющим силу света в 1 кд (кандела) внутри телесного угла, равному 1 ср
(стерадиану) [1]:
1лм = 1кд⋅1ср


В табл.2.1.1. приведены значения величин светового потока для ряда широко
используемых     в   светотехнике   источников.    Видно,   что    технические
источники: лампы накаливания, люминесцентные,- создают световой поток,
который, как правило, значительно меньше естественного солнечного
освещения.


Таблица 2.1.1
Световой поток некоторых источников света


Источник света                            лм
Электрическая лампа накаливания           1275
осветительная 100 Вт
Электрическая лампа накаливания           19000
осветительная 1000 Вт
Электрическая лампа накаливания           22200
прожекторная 1000 Вт


                                                                              25
Люминесцентная лампа белого цвета          540
15 Вт
Люминесцентная          лампа     дневного 465
цвета 15 Вт
Окно площадью 1 м2, освещенное 30000-50000
солнцем в летний полдень
Окно площадью 1 м2 в пасмурный 5000-10000
день


           Важной характеристикой всякого источника света является световая
отдача, которая выражается отношением создаваемого светового потока к
электрической мощности, лм/Вт. В качестве примера можно указать, что
светоотдача      ламп   накаливания    лежит     в   пределах   10-15лм/Вт,   а
люминесцентных – 35-40лм/Вт.


                                2.2. Освещенность


           Величина светового потока, падающего на единицу площади,
называется освещенностью (Е). За единицу освещенности принят люкс (лк).
        1лм
1лк =
        1м 2
           Для определения освещенности пользуются формулой
     Ф
E=     ,
     S
где Ф – величина светового потока и S – освещаемая площадь.


                                                                          26




              Рис.2.1 Угол падения светового потока

        На рис 2.1 показано, что освещенность будет справедлива для точки
О, а для точек О1 и О2 освещенность будет равна:
      Ф
 E=     ⋅ cos α .
      S
          Появление    косинуса   угла    объясняется   изменением   площади
проекции освещаемой поверхности.
В табл.2.1.2. приведены значения освещенности объектов, создаваемой
техническими источниками, применяемых в светотехнике.


Таблица 2.1.2
Освещенность поверхности в различных условиях ее освещения


Условия освещения поверхности                       Освещенность, лк
Поверхность стола при настольной лампе 100 80-200
Вт
Пол комнаты под лампой накаливания 100 Вт, 20-30
висящей на высоте 3 м от стола


          Видно, что лампа накаливания обеспечивает очень низкое значение
общего освещения (при установке источников у потолка помещения). Для
нормальной работы персонала при искусственном освещении обязательно
требуется дополнительное местное освещение. Для сравнения: минимальная
освещенность        футбольного   поля,     необходимая    для   проведения
телетрансляций, должна составлять 1200-1600лк.


                                                                          27
                                2.3. Светимость


         Светимость (М) выражается отношением величины светового потока
к площади поверхности источника.
Для определения светимости пользуются формулой:
      Ф
М =     ,
      S
где S – площадь излучающей поверхности.
         Единицей измерения светимости является люмен на квадратный метр
(лм/м2)[1].


                                2.4. Сила света


         За единицу силы света принята условная величина - кандела, которая
определяется силой света, испускаемой с площади 1/600000 м2 сечения
полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при
температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины (2042
К) при давлении 101325 Па[1].
         Для   источников   направленного    действия   (прожектор   и   др)
указывается максимальная или осевая сила света; для источников с
равномерным распределением светового потока в пространстве (лампа
накаливания и др) указывается величина силы света средняя по всем
направлениям. От силы света источника зависит освещенность, которая
создается на некоторой поверхности, находящейся на расстоянии l от
источника. Она равна:
       I
Е=       ,
      l2
где I – сила света в данном направлении, l – расстояние от источника до
освещаемой поверхности. Это выражение в фотометрии и светотехнике
называется законом «обратных квадратов».


                                                                                   28

          Если свет падает на освещаемую поверхность под углом α (рис. 2.2),
то его распределение происходит по большей площади. Следовательно,
освещенность следует рассчитывать по формуле:


      I
Е=      ⋅ cos α
     l2
            В табл.2.1.3. приведены значения силы света от некоторых
источников. Раньше одна кандела приравнивалась к силе света свечи.
Таблица 2.1.3
Источники света


Наименование источника                                    Сила света, кд
Керосиновая лампа                                         5
Электрическая лампа накаливания осветительная 120
100 Вт
Электрическая лампа зеркальная 500 Вт                     5000
Электрическая лампа прожекторная 1000 Вт                  2200
Люминесцентная лампа типа ЛД 15 Вт                        45
Зенитный дуговой прожектор диаметром 1,5 м                1,5⋅109




                                                                             S
                                                                    S' =
                                                                           cos α


            Рис.2.2 Диаграмма, иллюстрирующая закон обратных квадратов


                                                                              29
                                     2.5. Яркость


           Любая поверхность может быть видна только в том случае, если она
попадает в поле зрения. Поток лучистой энергии может создаваться самим
источником (тепловое, люминесцентное, лазерное излучение) или за счет
отражения поверхностью источника света от другого естественного или
искусственного источника. В любом случае, яркость характеризуется
свечением поверхности, которую дает в направление наблюдателя каждая
единица видимой ее площади. Самоизлучающие источники можно назвать
первичными, а отражающие свет других – вторичными.
           Яркость светящихся поверхностей определяется отношением силы
света в рассматриваемом направлении к площади проекции этой поверхности
на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Яркость выражается
в кд/м2.
     T
B=     ,
     S
где S – площадь поверхности
           Например,     яркость    дневного   безоблачного   неба   равна   350
мкВт/см2срмкм на длине волны порядка одного мкм, а яркость ночного неба
равна 8,5*10-15Вт/см2ср.


               2.6. Отражение света поверхностями, вторичная яркость


           Яркость     освещенной    поверхности    зависит   от   интенсивности
источника освещения и характера самой поверхности. Она всегда меньше
яркости источника освещения, так как часть света поглощается освещаемой
поверхностью, часть рассеивается по разным направлениям и только часть
его отражается в том направлении, с которого поверхность рассматривается.


                                                                          30
        Различают поверхности с зеркальным (а) и диффузным (б)
отражением (рис.2.3).




                           α = α1




                    Рис.2.3 Виды отражения света



        В случае б), яркость равна освещенности поверхности, умноженной
на коэффициент отражения ρ:
B=E⋅ρ
        Интервал между яркостями самого темного и самого светлого
участков   называют     широтой     сюжета.   Для   характеристики   отличия
поверхности от идеально диффузной вводится понятие коэффициента
яркости, как отношение яркостей реальной и идеальной диффузной
поверхностей при одинаковых условиях освещения и наблюдения.


                                                                         31
                    ГЛАВА 3. Естественное освещение


        Источником дневного освещения является Солнце. Освещенность
объектов определяется наряду с прямым солнечным светом и рассеянным в
атмосфере Земли. Рассмотрим, каковы условия освещенности земной
поверхности в различное время суток.


                            3.1. Освещение днем


        Участок поверхности получает основное освещение двух типов: свет
прямых солнечных лучей и рассеянный свет неба.
Общая освещенность будет равна:
Еобщ = En + Ep ,
где En – освещенность прямых солнечных лучей, Ep – рассеянных лучей.
        Рассмотрим некоторые варианты освещенности.
        Допустим, есть тень от отдельно стоящего предмета. Это участок, на
который не попадает прямой солнечный свет, он освещается только
рассеянным светом неба. Освещенность такого теневого участка Е = Ep. Чем
En >> Ep, тем темнее выглядит теневой участок.
        Рассмотрим случай, когда En = Ep или En < Ep. Такое явление мы
можем наблюдать в пасмурную погоду. В зависимости от толщины
облачного слоя происходит ослабление прямых солнечных лучей. При таких
условиях предметы не имеют теней, освещение различно расположенных
сторон предмета становится примерно одинаковым.
        Если рассматривать освещенность участков горной местности, то:
Еобщ = En + Ep + Eз ,
где Eз – отраженный свет от земли, либо предметов на участке.
        Если сравнить освещенность в пасмурную погоду в зимний период,
когда земля покрыта снегом, и в осенний, когда земля насыщена влагой, то
увидим, что освещенность в зимний период выше.


                                                                           32
       Для определения величины освещенности обычно пользуются
коэффициентом освещенности К.
                E'
Он равен: K =      ,
                Е
где E’ – освещенность на закрытом участке, а Е – освещенность на открытом
участке.
       Для Еобщ величина К составляет порядка 0,8, а для Ep = 0,1
       Какова особенность психофизической стороны дневного освещения?
       Наилучшим       видением   мы   обладаем   днем,   следовательно,   в
отношении физиологии зрения день – это то время, когда глаза работают с
наибольшей эффективностью. Причем, острота зрения, контрастная и
световая чувствительность достигают своих предельных значений при
рассеянном свете. В ясную погоду условия для работы зрения днем
ухудшаются от избытка света. Для смягчения яркости солнечного освещения
и для лучшего его восприятия применяются очки с нейтрально–серыми
(дымчатыми) стеклами. (Подбор очков в солнечную ясную погоду: серые
стекла в видимую (зеленую) область спектра).


                         3.2. Освещение в сумерки


       Промежуток времени, когда Земля получает слабое рассеянное
освещение, постепенно переходящее в ночь, называется сумерками. Так, если
в средних широтах сумерки бывают два раза в сутки – утром и вечером, то в
северных широтах летом эти сумерки смыкаются друг с другом, образуя так
называемые белые ночи. Если на севере сумерки тянутся очень долго, то на
юге темнеет очень быстро. Это объясняется тем, что источником
сумеречного освещения является отраженный свет Солнца, ушедшего за
горизонт. Общая освещенность во время сумерек определяется углом D
погружения Солнца за горизонт (рис. 3.1).



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика