Что такое яркость источника света и яркость отражающей поверхности

Для расчетов освещенностей различных поверхностей порой очень удобно рассматривать источники света как точечные. Но в реальности точечных источников света не бывает, они всегда имеют какой-то определенный размер и собственную форму. Светильник, люстра, торшер, прожектор и т. д. — это реальные, то есть не точечные источники света, которые нельзя охарактеризовать только силой света.

Если, к примеру, рассмотреть расположенный вдалеке светящийся шар, и сравнить его с другим светящимся шаром, с точно такой же силой света, но другого диаметра, то окажется, что хотя шары и создают на равных расстояниях одинаковую освещенность, тем не менее для наблюдателя они выглядят по разному: шар меньшего диаметра выглядит более ярким, чем более крупный шар.

Причина данного явления заключается в том, что хотя сила света у шаров и одинакова, один из них обладает большей излучающей поверхностью, а другой — меньшей. Значит сила света, излучаемого с единицы площади у данных источников не одинакова, и у маленького шара этот параметр очевидно больше.

Но даже если мы станем рассматривать какой-нибудь источник света с некоторого расстояния, то для нас будет иметь значение не столько реальная площадь излучающей свет поверхности, сколько видимая площадь, то есть ее размер в проекции на плоскость наблюдения, перпендикулярную направлению нашего взгляда.

Таким образом, чтобы наблюдателю достаточно полно охарактеризовать реальный источник света, обладающий размерами и формой, ему необходимо знать и силу света источника, и величину силы света, приходящейся на единицу площади видимой поверхности источника.

Это соотношение и называется яркостью L источника сета, и если сила света равна I, а видимая площадь равна s, то яркость источника света будет равна (силу света можно здесь расписать через световой поток и телесный угол, тогда яркость будет равна световому потоку, испускаемому с единичной площади видимой поверхности источника света внутри единичного телесного угла):

У источников света яркости разных их участков отличаются: у люминесцентной лампы края колбы более темные, а пламя свечи более ярко в ореоле вокруг фитиля и т. д. Еще яркость сильно зависит от того, с какой стороны мы смотрим на источник.

Если, например, случайно посмотреть на сварочную дугу, то в перпендикулярном разряду направлении она окажется более яркой, чем при взгляде на ту же дугу сбоку. То есть яркость характеризует излучающую свет поверхность в выбранном, строго определенном направлении. Это очень важная характеристика, поскольку именно на яркость (сила света на единицу площади) реагирует наш глаз, а вовсе не на силу света как таковую.

Сила света измеряется в канделах, соответственно яркость — в канделах на квадратный метр. Одна кандела на квадратный метр — это такая яркость, которой обладает светящаяся плоскость, отдающая с каждого квадратного метра свет силой в 1 канделу (Кд) в направлении, перпендикулярном плоскости. Для примера, вот приблизительные яркости некоторых распространенных источников света:

По действию на наши глаза источники света могут оказаться опасными. Если яркость будет выше 160000 кандел на квадратный метр, то это вызовет болезненные ощущения в глазу. Чтобы избежать пагубного действия яркого света, человечество научилось разным ухищрениям.

Колбы мощных ламп накаливания делают матовыми и большого размера, чтобы как-бы рассеять свет, сделать его излучаемым не с маленькой площади нити накаливания, а с большой площади поверхности колбы или плафона. Так яркость снижается до безопасной для глаз, а освещенность остается почти полностью неизменной.

Если говорить об отражающих поверхностях, таких как окрашенные стены, проекционные экраны, декоративные изделия и т. д., то они проявляют по отношению к источнику света диффузно-отражающие свойства. Это значит, что они частично отражают падающий на них свет, и сами теперь выступают в роли источников света средней яркости, но обширной площади.

Это играет нам на руку, поскольку стандартные источники света (лампа, светильник, свеча, люстра, фонарь) обладают значительной яркостью, но малой площадью поверхности. Между тем, освещенная поверхность станет обладать яркостью, пропорциональной ее освещенности Е, ведь чем большей световой поток на отражающую поверхность падает, тем выше будет и ее яркость.

И яркость этой поверхности будет пропорциональна ее альбедо r (от лат. albus — белый) — характеристике диффузной отражательной способности поверхности. Чем больше альбедо r, то есть чем большая часть падающего светового потока рассеивается поверхностью, — тем больше и яркость такой поверхности.

Так, яркость освещенной поверхности пропорциональна произведению альбедо и освещенности, причем в разных направлениях яркость будет различной — в зависимости от диаграммы рассеяния освещенной поверхности.

Если поверхность равномерно рассеивает падающий на нее свет, то яркость в любом направлении вычисляется достаточно просто. Если диаграмма рассеяния сложная — вычисление яркости превратится в довольно сложную задачу.

Для равномерного рассеяния достаточно воспользоваться формулой (освещенность — в люксах, яркость — канделах на квадратный метр):

Допустим, есть проекционный экран с альбедо 0,8, а освещенность равна 60 Лк, тогда яркость будет равна 0,8*60/3,14 = 15,3 канделы на квадратный метр. Вот примеры весьма распространенных поверхностей и их яркостей:

Типы электрических ламп — какие лучше и в чем разница

Световая отдача ламп разных типов

Как выбрать светодиодную лампу по мощности

Андрей Повный