Сила света - это отношение светового потока точечного источника света к величине телесного угла, в котором он распространяется:

J=F/oj. (1.2)

Единицей силы света является кандела (кд). Бе значение принимается таким, чтобы яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины была бы равна 60 кд на 1 см2. Под полным излучателем понимается устройство, обладающее свойствами абсолютно черного тела.

Световой поток - поток световой энергии, оцененный по его воздействию на глаз человека. Единицей светового потока является люмен (лм). Он равен световому потоку, излучаемому изотропным источником с силой света в 1 кд в пределах телесного угла в одни стерадиан (1 лм =1 кд -1 стер). Изотропным называется такой источник света, для которого сила света не зависит от направления. Для изотропного источника J = Fj (An), где F - полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям. Телесный угол 1 стер - это угол, вырезающий иа поверхности сферы единичного радиуса площадь, равную единице. Телесный угол такой величины заключается в круговом конусе с плоским углом раствора при вершине в 63,5 .

Между потоком излучения и световым потоком существует определенное соотношение, которое зависит от спектрального состава энергии излучения. Обусловлено это тем, что наш глаз по-разному реагирует на излучения. К излучениям одних частей спектра он более чувствителен, к излучениям других менее чувствителен, одни лучи вызывают в глазу более сильное раздражение, другие - менее сильное. Наиболее чувствителен глаз к желто-зеленым лучам, уже небольшое их количество воспринимается зрением как яркий свет. Чувствительность глаза к спектральным излучениям уменьшается по мере перехода от желто-зеленых к красным и фиолетовым лучам.

Возьмем несколько источников света, у которых цвет различный, а излучаемый световой поток одинаков, т.е. цветные источники выглядят равнояркими. Пусть, например, это будут разноцветные лампы накаливания, причем каждая из них дает световой поток в 1 лм. При помощи термоэлемента (прибора, позволяющего измерить поток излучения, выражаемый в ваттах) определим потоки излучения, испускаемые каждой из этих ламп. Окажется, что, хотя световые потоки у всех ламп одинаковые, потоки излучения у них разные.

Обозначим отношение светового потока к потоку излучения коэффициентом К(\). Установлено, что имеет максимальное значение для монохроматического излучения с длиной волны 556 нм, что соответствует желто-зеленому цвету. Коэффициент К(\), соответствующий этой длине

волны, равен 683 лм/Вт, его принято называть световым эквивалентом мощности, или световой отдачей. Таким образом, монохроматический поток лучей с А. = 556 нм, имеющий мощность 1 Вт, несет в себе световой поток в 683 лм. Для других монохроматических излучений коэффициент К(\) определяется как К{\) = 683v (X), где 683 - световой эквивалент мощности; v(\) - ордината кривой спектравьиой чувствительности глаза для соответствующего излучения с длиной волны X.

Яркость - сила света, отнесенная к единице площади светящейся поверхности, расположенной перпендикулярно направлению света:

B=JfS. (1.3)

Если светящаяся поверхность рассматривается под некоторым утлом, то яркость этой поверхности в данном направлении равна отношению силы света поверхности в этом направлении к площади ее проекции на плоскость, перпендикулярную к линии зрении.

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м3). Яркостью в 1 кд/м2 обладает равномерно светящаяся плоская поверхность в направлении нормали к ней, если в этом направлении сила света 1 м1 поверхности равна 1 кд.

Освещенностью (Е) некоторого участка плоскости называется световой поток, приходящийся на единицу площади. Единицей измерения освещенности является люкс (лк). Люкс - это освещенность, при которой световой поток в 1 лм равномерно распределен на поверхности в 1 м3.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВЕТА

Международной системой измерения цвета предусмотрено каждый хроматический цвет характеризовать тремя колориметрическими величинами: цветовым тоном (X), чистотой (*), яркостью (В), или светлотой (L). Яркость определяется для характеристики цвета светящихся тел, светлота (или относительная яркость) - для характеристики цвета несветнщихся тел.

Для монохроматического излучения цветовой тон - это длина волны испускаемого им излучения.

При оценке цвета тела, имеющего сложный спектральный состав излучения, в наш глаз поступают лучи многих Длин, волн. Однако эта сложность спектрального состава, это разнообразие длин волн зрением не констатируется и мы всегда воспринимаем какой-то один определенный цвет.

Цвет, аналогичный цвету любого сложного по составу Излучения, может быть получен путем смешения определенного монохроматического излучения с белым светом. Пред-

Рис. 4. Получение цвете, тождественного цвету сложного излучения Ф путем смешения монохроматического излучения X, яркость которого рвана Од, и пучка белого света Wc яркостью Bw

станим себе белый экран, на который направлено излучение сложного состава Ф (рис. 4). В другом месте экрана будем смешивать монохроматические излучения с белым светом. Оказывается, изменяя длину волны и мощность монохроматического излучения и регулируя мощность пучка белого света, путем их смешения можно получить цвет, визуально неотличимый от цвета излучения Ф: Подобранная длниа волны монохроматического излучения и будет являться цветовым тоном излучения Ф. Таким образом, цветовой тон хроматического цвета - это длина волны такого монохроматического излучения, смешение которого в определенной пропорции с белым обеспечивает получение цвета, тож-дествеииого в визуальном отношении данному.

Следует отметить, что указание на длииу волны, характеризующую цветовой тон, еще ничего не говорит о спектральном составе излучения и отнюдь не говорит о том, что спектральный состав его одинаков со спектральным составом другого излучения, цветовой тон которого определяется той же длиной волны.

Значение цветового тона (X) позволяет судить о том, к какому из основных цветов относится данный цвет. Если, например, цветовой тон равен 520 нм, данный цвет является зеленым (см. табл. 1).

Монохроматических излучений, имеющих пурпурный цвет, в природе не существует. По этой причине цветовой тон пурпурных цветов выражается длиной волны дополнительных к ним цветов. Дополнительными называются такие пары цветов, оптическое смешение которых в определенной пропорции приводит к получению ахроматических цветов. При записи цветового тона пурпурных цветов при числовом значении ставится дополнительно штрих или буква "д", например X =500нм = 500 (д) нм.

Чистота - колориметрическая величина, показывающая степень выражения цветового тона в данном цвете. Для уяснения физического смысла этой величины внорь обратимся к рис. 4. Определим чистоту цвета излучения Ф. Для этого измерим яркость, создаваемую на экране монохроматическим излучением и пучком белого света, каждым в отдельности. Чистота цвета Р, %, излучения Ф равна отношению

яркости монохроматического излучения (В\) к сумме

яркостей монохроматичес кого излучения и пучка белого света (В&)

P=B\I{B* + B6) 100. (1.4)

Наибольшей чистотой (100%) обладают монохроматические цвета, ахроматические цвета имеют чистоту, равную нулю.

Для выражения яркости цвета подставим в формулу (1.3) значение/из формулы (1.2), получим

В= Fi{Su). (1.5)

Световой поток монохроматического излучения определяется по формуле

F(k) =Ф(\)К(\) =683Ф(Х)>(Х), (1.6)

где Ф(Х) - мощность монохроматического луча; К{\) - коэффициент, учитывающий соотношение между световым потоком и потоком излучения; У (X) - относительная спектральная чувствительность глаза для излучения с длиной волны X.

Для сложного излучения световой Поток равен

F=683f Ф(М»(К)с1\. (1.7)

После подстановки в формулу (1.5) значения f (X) получается следующее выражение для определения яркости монохроматических излучений:

В{\) =683Ф(Х)1><Х)ДЛо) =683Яэ(Х)у(Х), (1.8)

где fi*(X) - лучистая (энергетическая) яркость, Вт/(м* -ср), равная Вэ(\) =ф(Х)/(5ш)., Яркость цвета сложного излучения

B=6S3 f <0(X)v<X)dX/(Sw). (1.9)

Яркость несветнщихся тел занисит от интенсивности освещения и поэтому ее определение связано с большими трудностями. Колориметрической системой предусмотрено проводить цветовые измерения несветящихся тел прн стандартных источниках света. Вместо действительной яркости при этих источниках света для несветящнхся тел определяется относительная яркость, называемая светлотой. Свет-Лота равна

L=BvTlBn, (1.10)

гДв Bqt - яркость отраженного (или пропущенного) телом светового потока; В„ - яркость падающего на тело светового потока.

Подставим в формулу (1.10) значение яркости из формулы (1.3), затем значение У из формулы (1.2). С учетом

Рнс. 5. Кривая спектральной чувствительности глаза (кривая вид-ности) :

а - дневное зрение; б - сумеречное зрение

того, что S и и для отраженного и падающего потоков света равны между собой, по-чоо loo soo яр лучим

Длина вши,»„ L = FOT / FB. (1.11)

Отраженный (FQT> и падающий (F„) потоки соответственно равны

780 7В0

F<n = S (Pw(X)p(X)A(X)rfX=683 / *w(X)p(X)v(X)<A; (1.12)

150 380

780 780

Fn = f <Pw(X)(X)rfX=683 / *w(X)v(X)rfX, (1.13)

380 380

где Фц1(Х) " мощность монохроматических лучей в лучистом потоке стандартного источника света, освещающего тело; р(Х) - коэффициент отражения монохроматических лучей поверхностью тела.

Подставив в формулу (1-11) соответствующие значения

/•от и Fп, получим следующее выражение, характеризующее

светлоту:

/ <Pw(X)p(X)v(X)c/X / <Pw(X)v(X)"(/X

Кривая-спектральной чувствительности глаза представлена на рис. 5. По оси ординат здесь отложены величины, характеризующие чувствительность глаза в отношении восприятия яркости монохроматических излучений, за единицу принята чувствительность глаза к излучению с длиной волны 566 нм.

Определение спектральной чувствительности проводилось следующим образом. Одна половина фотометрического поля заполнялась эталонным излучением, неизменным по яркости н спектральному составу. Это излучение обеспечивало постоянный уровень реакции глаза. Другая половина поля поочередно заполнялась монохроматическими излучениями разных длин воли. Мощность монохроматических излучений подбиралась каждый раз таким образом, чтобы ощущение яркости от обеих половин фотометрического поля было одинаковым. Спектральная чувствительность рассчитывалась

как обратная величина мощности этих монохроматических излучений. Для длин волн, которым соответствовала малая мощность излучения, получено высокое значение спектральной чувствительности, и наоборот.

Как видно из рис. 5, наиболее яркими человеческий глаз видит желто-зеленые цвета (максимум кривой а соответствует длине волны 556 нм, при которой v(X) = 1,0002). Яркость остальных цветов уменьшается по мере перехода от желто-зеленых к крайним красным н синим цветам.

Следует отметить, что для характеристики визуального восприятия чистоты цвета используется термин насыщенность цвета. Под насыщенностью цвета понимается степень отличия хроматического цвета от равного ему по светлоте ахроматического. Чем больше отличие хроматического цвета от ахроматического, т.е. чем сильней он отличается от него по чистоте, тем выше насыщенность цвета.

8. ИСТОЧНИКИ СВЕТА. СТАНДАРТНЫЕ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Всякое тело температурой выше абсолютного "Нуля является источником излучений. При низких температурах тела испускают излучения с большими длинами волн (редио-волны, иифрекрасные лучн). Видимое излучение начинает появляться при температуре примерно 500°С. С повышением температуры увеличивается общее количество излучения, в его спектральном составе возрастает доля коротковолновых излучений. В результате увеличивается яркость источника света, его цвет изменяется от красного к желтому и далее к белому и голубовато-белому.

Источниками света являются нагретые тела (Солнце, лампы накаливания) и газоразрядные лампы.

Одной из характеристик источников света являются цветовая температура (Гс). Цветовой тем пературой источника света называется такая температура абсолютно черного тела, при которой цвет его излучения совпадаете цветом излучения данного источника. Поскольку спектральный состав излучения абсолютно черного тела вполне определенно связан с его температурой, а по спектральному составу можно охарактеризовать цвет излучения, по величине цветовой температуры источника света можно судить о цвете его излучения.

Моделью абсолютно черного тела является внутренняя поверхность пустотелого шара с небольшим отверстием. Если даже внутренняя поверхность такого тела имеет и не