Các đại lượng chiếu sáng: quang thông, cường độ sáng, độ rọi, độ sáng, độ sáng

1. Thông lượng ánh sáng

Quang thông — sức mạnh của năng lượng bức xạ, được đánh giá bằng cảm giác ánh sáng mà nó tạo ra. Năng lượng bức xạ được xác định bởi số lượng tử phát ra từ bộ phát vào không gian. Năng lượng bức xạ (năng lượng bức xạ) được đo bằng joules. Lượng năng lượng toả ra trong một đơn vị thời gian được gọi là quang thông bức xạ hay quang thông bức xạ. Thông lượng bức xạ được đo bằng watt. Quang thông được kí hiệu là Fe.

trong đó: Qе — năng lượng bức xạ.

Thông lượng bức xạ được đặc trưng bởi sự phân bố năng lượng theo thời gian và không gian.

Trong hầu hết các trường hợp, khi họ nói về sự phân bố của thông lượng bức xạ theo thời gian, họ không tính đến bản chất lượng tử của sự xuất hiện của bức xạ, mà hiểu nó như một hàm mang lại sự thay đổi theo thời gian của các giá trị tức thời. của thông lượng bức xạ Ф(t). Điều này có thể chấp nhận được vì số lượng photon do nguồn phát ra trong một đơn vị thời gian là rất lớn.

Theo sự phân bố phổ của thông lượng bức xạ, các nguồn được chia thành ba loại: với phổ tuyến tính, sọc và liên tục. Thông lượng bức xạ của một nguồn có phổ tuyến tính bao gồm các thông lượng đơn sắc từ các vạch riêng lẻ:

trong đó: Фλ — thông lượng bức xạ đơn sắc; Fe—thông lượng bức xạ.

Đối với các nguồn dải phổ, sự phát xạ xảy ra trong các vùng phổ khá rộng—các dải phân cách với nhau bằng các khe tối. Để đặc trưng cho sự phân bố phổ của thông lượng bức xạ với phổ liên tục và dải, người ta dùng đại lượng gọi là mật độ thông lượng bức xạ phổ.

trong đó: λ là bước sóng.

Mật độ của thông lượng bức xạ phổ là một đặc trưng của sự phân bố thông lượng bức xạ trên phổ và bằng tỷ lệ của thông lượng cơ bản ΔFeλ tương ứng với một phần vô cùng nhỏ với chiều rộng của phần này:

Mật độ thông lượng bức xạ quang phổ được đo bằng watt trên nanomet.

Trong kỹ thuật chiếu sáng, nơi mà mắt người là bộ phận thu bức xạ chính, khái niệm quang thông được đưa ra để đánh giá hoạt động hiệu quả của quang thông. Quang thông là thông lượng bức xạ được ước tính từ tác động của nó lên mắt, độ nhạy phổ tương đối của thông lượng này được xác định bởi đường cong hiệu suất quang phổ trung bình được CIE phê duyệt.

Định nghĩa quang thông sau đây cũng được sử dụng trong công nghệ chiếu sáng: quang thông là công suất của năng lượng ánh sáng. Đơn vị của quang thông là lumen (lm). 1 lm tương ứng với quang thông phát ra ở một góc khối duy nhất bởi một nguồn điểm đẳng hướng có cường độ sáng 1 candela.

Bảng 1.Giá trị phát sáng điển hình của nguồn sáng:

Loại đèn Năng lượng điện, W Quang thông, lm Hiệu suất phát sáng lm/w Đèn sợi đốt 100 watt 1360 lm 13,6 lm/W Đèn huỳnh quang 58 watt 5400 lm 93 lm/W Đèn natri cao áp 100 watt 10000 lm 100 lm/W Thấp đèn natri áp suất 180 watt 33000 lm 183 lm / W Đèn thủy ngân cao áp 1000 watt 58000 lm 58 lm / W Đèn halogen kim loại 2000 watt 190 000 lm 95 lm / W Quang thông Ф chiếu vào cơ thể được phân bố theo ba thành phần: phản xạ bởi cơ thể Фρđược hấp thụ bởi Фα và Фτ bị bỏ lỡ... Tại tính toán ánh sáng hệ số sử dụng: phản xạ ρ = Fρ/ F; hấp thụ α= Fα/ F; truyền τ= Fτ/ Ф.

Bảng 2. Đặc điểm ánh sáng của một số vật liệu và bề mặt

Vật liệu hoặc bề mặt Hệ số Hành vi phản xạ và truyền phản xạ ρ hấp thụ α truyền τ phấn 0,85 0,15 — Men silicat khuếch tán 0,8 0,2 — Gương nhôm khuếch tán 0,85 0,15 — Gương kính nhọn 0,8 0 ,2 — Kính mờ định hướng 0,1 0,5 0,4 Thủy tinh sữa sinh học định hướng khuếch tán 0,22 0,15 0,63 Thủy tinh silicat Opal định hướng khuếch tán 0,3 0,1 0,6 Thủy tinh silicat sữa khuếch tán 0, 45 0,15 0,4 Thủy tinh khuếch tán

2. Cường độ ánh sáng

Sự phân bố bức xạ từ một nguồn thực trong không gian xung quanh không đồng đều.Do đó, quang thông sẽ không phải là đặc trưng toàn diện của nguồn nếu không xác định đồng thời sự phân bố bức xạ theo các hướng khác nhau của không gian xung quanh.

Để đặc trưng cho sự phân bố của luồng sáng, người ta sử dụng khái niệm mật độ không gian của luồng sáng theo các hướng khác nhau của không gian xung quanh. Mật độ không gian của quang thông, được xác định bằng tỷ số giữa quang thông với góc khối với đỉnh tại điểm đặt nguồn, trong đó quang thông này phân bố đều, được gọi là cường độ sáng:

trong đó: Ф — quang thông; ω — góc rắn.

Đơn vị cường độ ánh sáng là candela. 1 đĩa CD.

Đây là cường độ sáng phát ra vuông góc bởi một phần tử bề mặt vật đen có diện tích 1:600.000 m2 ở nhiệt độ hóa rắn của bạch kim.
Đơn vị cường độ ánh sáng là candela, cd là một trong những đại lượng chính trong hệ SI và tương ứng với quang thông 1 lm phân bố đều trong một góc khối 1 steradian (xem). Góc khối là phần không gian được bao bọc bởi một mặt nón. Một góc khối ω được đo bằng tỷ lệ diện tích mà nó cắt ra khỏi một hình cầu có bán kính tùy ý với bình phương của hình cầu đó.

3. Chiếu sáng

Độ rọi là lượng ánh sáng hoặc quang thông rơi trên một bề mặt đơn vị. Nó được ký hiệu bằng chữ E và được đo bằng lux (lx).

Đơn vị của độ rọi lux, lx, được đo bằng lumen trên mét vuông (lm/m2).

Độ rọi có thể được định nghĩa là mật độ của thông lượng ánh sáng trên bề mặt được chiếu sáng:

Độ rọi không phụ thuộc vào hướng truyền của dòng ánh sáng tới bề mặt.

Dưới đây là một số chỉ số độ chói thường được chấp nhận:

• Mùa hè, một ngày dưới bầu trời không mây — 100.000 lux

• Chiếu sáng đường phố — 5-30 lux

• Trăng tròn vào đêm quang đãng — 0,25 lux

4. Mối quan hệ giữa cường độ sáng (I) và độ rọi (E).

luật bình phương nghịch đảo

Độ rọi tại một điểm nhất định trên bề mặt, vuông góc với hướng truyền ánh sáng, được định nghĩa là tỷ số giữa cường độ sáng với bình phương khoảng cách từ điểm này đến nguồn sáng. Nếu chúng ta lấy khoảng cách này là d, thì tỷ lệ này có thể được biểu thị bằng công thức sau:

Ví dụ: nếu một nguồn sáng phát ra ánh sáng có công suất 1200 cd theo phương vuông góc với bề mặt cách bề mặt này 3 mét thì độ rọi (Ep) tại điểm ánh sáng chiếu tới bề mặt sẽ là 1200 /32 = 133 lux. Nếu bề mặt cách nguồn sáng 6 m thì độ rọi sẽ là 1200/62 = 33 lux. Mối quan hệ này được gọi là luật bình phương nghịch đảo.

Độ rọi tại một điểm nào đó trên một bề mặt không vuông góc với phương truyền ánh sáng bằng cường độ sáng theo hướng của điểm đo chia cho bình phương khoảng cách giữa nguồn sáng và một điểm trong mặt phẳng nhân với cosin của góc γ (γ là góc tạo bởi phương của tia sáng tới và phương vuông góc với mặt phẳng này).

Vì thế:

Đây là định luật cosin (Hình 1.).

Cơm. 1. Theo định luật cosin

5. Chiếu sáng ngang

Để tính toán độ chiếu sáng theo chiều ngang, nên sửa đổi công thức cuối cùng bằng cách thay thế khoảng cách d giữa nguồn sáng và điểm đo bằng chiều cao h từ nguồn sáng đến bề mặt.

Hình 2:

Sau đó:

Chúng tôi nhận được:

Công thức này tính toán độ rọi ngang tại điểm đo.

Cơm. 2. Chiếu sáng ngang

6. Chiếu sáng dọc

Độ rọi của cùng một điểm P trong mặt phẳng thẳng đứng hướng về nguồn sáng có thể được biểu diễn dưới dạng hàm của độ cao (h) của nguồn sáng và góc tới (γ) của cường độ sáng (I) (Hình 3 ) .

Chúng tôi nhận được:

Cơm. 3. Chiếu sáng dọc

7. Chiếu sáng

Để mô tả các bề mặt phát sáng do thông lượng ánh sáng đi qua chúng hoặc phản xạ từ chúng, tỷ lệ giữa thông lượng ánh sáng do phần tử bề mặt phát ra với diện tích của phần tử này được sử dụng. Đại lượng này được gọi là độ sáng:

Đối với các bề mặt có kích thước hạn chế:

Độ rọi là mật độ của quang thông phát ra từ bề mặt ánh sáng. Đơn vị của độ rọi là lumen trên một mét vuông bề mặt đèn, tương ứng với diện tích 1 m2 sẽ phát ra quang thông 1 lm một cách đồng đều. Trong trường hợp bức xạ toàn phần, khái niệm về độ sáng năng lượng của vật thể bức xạ (Me) được đưa ra.

Đơn vị của cường độ ánh sáng là W/m2.

Độ sáng trong trường hợp này có thể được biểu thị bằng mật độ phổ của độ sáng năng lượng của vật thể phát ra Meλ (λ)

Để đánh giá so sánh, chúng tôi đưa độ sáng năng lượng vào độ sáng của một số bề mặt:

• Bề mặt năng lượng mặt trời — Me = 6 • 107 W/m2;

• Dây tóc nóng sáng — Me = 2 • 105 W/m2;

• Bề mặt của mặt trời ở thiên đỉnh — M = 3,1 • 109 lm/m2;

• Bóng đèn huỳnh quang—M = 22 • 103 lm/m2.

8. Độ sáng

Độ sáng Độ sáng của ánh sáng phát ra từ một đơn vị bề mặt theo một hướng nhất định. Đơn vị đo độ sáng là candela trên mét vuông (cd/m2).

Bản thân bề mặt có thể phát ra ánh sáng, tương tự như bề mặt của đèn hoặc phản xạ ánh sáng đến từ một nguồn khác, chẳng hạn như mặt đường.

Các bề mặt có đặc tính phản xạ khác nhau dưới cùng một ánh sáng sẽ có độ sáng khác nhau.

Độ sáng do bề mặt dA phát ra ở một góc Φ so với hình chiếu của bề mặt này bằng tỷ lệ giữa cường độ ánh sáng phát ra theo một hướng nhất định với hình chiếu của bề mặt phát ra (Hình 4).

Cơm. 4. Độ sáng

Cường độ ánh sáng và hình chiếu của bề mặt phát ra không phụ thuộc vào khoảng cách. Do đó, độ sáng cũng không phụ thuộc vào khoảng cách.

Một số ví dụ thực tế:

• Độ sáng của bề mặt năng lượng mặt trời — 2.000.000.000 cd / m2

• Độ sáng của đèn huỳnh quang — từ 5000 đến 15000 cd / m2

• Độ sáng bề mặt của trăng tròn — 2500 cd / m2

• Chiếu sáng đường nhân tạo — 30 lux 2 cd / m2