Для того чтобы правильно оценить физические явления нужно прежде всего определиться какие характеристики нас интересуют и договориться в каких единицах мы их будем измерять. В известном мультфильме длину удава измеряли попугаями, мартышками и слонами. И это вполне рабочий способ, если допустить, что все попугаи будут одинаковой величины на всём белом свете. Похожим образом обстоят дела и с измерением света. Ведь необходимо, чтобы источник света, который мы приобретаем, светил именно так как мы хотим. А для этого необходимо чтобы его характеристики были обозначены в понятных для всех единицах измерения. Об этих единицах измерения мы и поговорим в этой статье.
Но прежде определимся с характеристиками света, которые нас могут заинтересовать. Наблюдая за источниками света, мы можем заметить, что они могут светить разными оттенками. Иногда свет ламп имеет желтоватый оттенок, иногда синеватый, а иногда встречаются лампы, переливающиеся всеми цветами радуги. О таком явлении говорят, что лампы имеют различный спектр свечения. Дело в том, что свет это электромагнитное излучение, точно такое как, например, радиоволны, только гораздо более высокой частоты. Наш глаз чувствителен к излучению определённого диапазона с длинной волны от 400 до 750 нанометров. Излучение в коротковолновой части диапазона воспринимается нами как свет синего оттенка, а в длинноволновой красного.
Сложные оттенки могут получаться путём смешения излучения в различных участках этого диапазона, а равномерное, непрерывное излучение во всём видимом диапазоне воспринимается нами как белый свет. Излучение определённой длины волны называется монохроматическим, а используемой единицей измерения является длина волны в нанометрах. Например, зелёный свет имеет длину волны примерно 550 Нм. А вот для описания сложных оттенков спектра используется уже другая единица измерения кельвин. И параметр этот зовётся цветовая температура. И это не ошибка, иногда свет можно измерить градусником (не обычным конечно). Если, например, нагреть железо до 900°С (1173K), оно будет излучать красноватый свет. С повышением температуры испускаемый свет будет приобретать оранжевый оттенок, далее окрасится жёлтым и наконец, станет белым. Основываясь на этом наблюдении цветовая температура определяется как температура абсолютно чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона что и рассматриваемое излучение. Диапазон цветовых температур около 3800-5000К называют нейтральным, значения выше 5000K холодным, а ниже 3800 тёплым белым.
Ещё один параметр, который влияет на цветовое восприятие, называется индекс цветопередачи Rили в зарубежной литературе CRI, Ra. За цветовое зрение человека отвечают три вида рецепторов расположенных на сетчатке глаза, каждый из которых имеет чувствительность в узком диапазоне светового излучения красного, зелёного и синего спектра. В зависимости от степени возбуждения этих рецепторов мозг формирует представление о цвете. Возбуждение в равной степени всех трёх рецепторов воспринимается человеком как белый свет. По причине этой особенности зрения мозг человека может ошибаться. Достаточно излучения трёх цветов красного, зелёного и синего чтобы человеческий мозг воспринял его за белый свет. На этой цветовой модели работают, например, цветные дисплеи. Все оттенки получают смешением трёх основных цветов (эта модель называется RGB, аббревиатура от английских слов Red Green Blue). Однако если осветить подобным источником света предметы различных цветов, то мы будем наблюдать искажение цветовой палитры по сравнению с источником света непрерывного спектра. Для того чтобы оценить способность источника света верно отображать цвета был введён индекс цветопередачи. Методика оценки построена на сравнении сдвига цвета эталонных образцов при освещении их исследуемым источником света. Источнику света с верным отображением всех цветов присваивается максимальный индекс 100. Таким индексом цветопередачи обладает, например, солнечный свет и лампы накаливания. Хорошим индексом цветопередачи считают значения выше 80, таким значением обладают, например светодиодные лампы.
А как измерить насколько сильно или слабо свечение у лампы? И снова люди решили сравнивать это свечение со свечением эталонного источника света. В 1884 году немецкий инженер Фридрих фон Хефнер-Альтенек предложил единицу измерения света и свечу особой конструкции как эталон.
Свеча представляла собой фитильную лампу с горючей жидкостью и оптическим устройством для контроля пламени, высота которого должна была составлять 40 мм. Единицу измерения силы света так и назвали кандела от латинского слова candela - свеча. Позже эталоны несколько раз менялись на более современные, но название единицы измерения так и осталось прежним. Последнее определение единицы измерения кандела звучит как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540⋅1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Выбранная частота соответствует длине волны 555нм, т.е. зелёному спектру, вблизи которого находится максимальный уровень чувствительности человеческого глаза. Значение силы света пересчитано из энергетической фотометрической величины, которая в свою очередь не учитывает особенности чувствительности к спектру глаза. Сделано это для того чтобы уйти от устаревших эталонов и связать единицы измерения между собой через коэффициенты пересчёта. Несмотря на некоторую сложность формулировки, это значение количественно не изменилось и, так же как и раньше соответствует старой доброй свече.
Наблюдая за подобным источником света, мы можем заметить, что близко расположенные предметы освещаются сильнее, чем те которые находятся дальше от него. Объясняется это тем, что лучи света распространяются прямолинейно и чем дальше мы отодвигаем предмет от источника света, тем меньше лучей попадут на него, пройдя мимо. Если расположить источник света на расстоянии от стены, а ровно посередине между ними вставить лист бумаги формата А4 то мы сможем наблюдать тень от него уже формата А2. Можно сказать, что тень увеличилась по площади в четыре раза. В таком же соотношении будет разница в освещённости листа бумаги и участка стены за ним, если конечно убрать заслоняющий свет лист. Другими словами увеличение расстояния от источника света до освещаемой поверхности в 2 раза влечёт уменьшение освещённости в 4 раза. Единицей измерения освещённости является люкс (лк) а прибор для измерения освещённости называется люксметр. 1 люкс равен освещённости площадью 1м2 при световом потоке 1 люмен. А люмен в свою очередь равен световому потоку, испускаемому точечным источником с силой света 1 кандела в телесный угол 1 стерадиан. Сфера содержит 4π стерадиан. Если мы поместим наш эталонный источник света 1кд внутрь сферы радиусом 1м, то получим освещённость 1лк.
Полный же световой поток источника света (при условии, что он светит во все стороны равномерно, а не так как на рисунке) будет составлять 4π*1лм=12,57лм. Таким образом, вооружившись некоторыми несложными формулами можно произвести пересчёт одних единиц измерения в другие.
В этой статье мы постарались рассмотреть основные единицы измерения параметров источников света. Конечно, статья не содержит полный перечень характеристик, на которые стоит обращать внимание. Но со временем мы коснёмся и остальных. О пульсациях освещённости, например, можно прочесть тут. А в следующей статье мы коснёмся вопросов практического применения единиц измерения и параметров освещения.