- Основні світлотехнічні величини, якими характеризуються світлові випромінювачі
До основних світлотехнічних величин, які характеризують світлові випромінювачі, відносять: світловий потік Ф, світлову ефективність Κω, світлову віддачу η, силу світла І, яскравість L, світність М та енергетичну світність Ме, колірну температуру Тк і коефіцієнт кольоропередачі (загальний індекс кольоропередачі) Ra.
Світловий потік Ф крізь деяку поверхню S являє собою величину, яка кількісно дорівнює світловій енергії, що переноситься крізь цю поверхню за одиницю часу. Повний світловий потік будь- якого випромінювача кількісно дорівнює його сумарній світловій енергії, що поширюється в усіх напрямках в одиницю часу. Він являє собою світлову потужність даного випромінювача. Одиницею його вимірювання є люмен (лм).
Світловою ефективністю називають частку світлового потоку у повному потоці випромінювання Фе, тобто відношення Κω=Ф/Фе. Одиницею вимірювання повного потоку, тобто повної його потужності, як і електричної потужності, є ват.
Світловий потік джерела світла з лінійчастим спектром складається з монохроматичних світлових потоків Фλί, тобто
.
Світловою віддачею η називають відношення світлового потоку джерела випромінювання Ф у люменах до потужності Р, яка споживається (у ватах), тобто
Відповідно одиницею вимірювання світлової віддачі є люмен, поділений на ват (лм/Вт).
При розрахунках світлової віддачі джерел світла світловий потік Ф зручно визначати за допомогою величини (коефіцієнта), яку називають відносною спектральною світловою ефективністю випромінювання ν(λ) або відносною спектральною світловою ефективністю ока. Вона для однорідного випромінювання, яке викликає у людини найбільше зорове відчуття, дорівнює одиниці (приймається за одиницю). В умовах денного зору це випромінювання має довжину хвилі λ=555 нм, тобто Vλ=555нм=1. Як визначено, для цього випромінювання, колір якого є зеленим,
, тобто один ват випромінювання з довжиною хвилі λ=555 нм в умовах денного зору створює світловий потік, який дорівнює 683 лм.
Для джерела світла з неперервним спектром
а з лінійчастим спектром 
де Фе(λί) - потік випромінювання з довжиною хвилі λί, а V (λ) - значення відносної спектральної світлової ефективності ока для випромінювання з цією довжиною хвилі.
В умовах нічного зору найбільше світлове відчуття у людини викликає випромінювання з довжиною хвилі λ=512 нм.
Значення коефіцієнта ν(λ) в умовах денного зору та V (λ) в умовах нічного зору визначені і наведені в табл. 1.1. Графічні залежності, що відповідають цим значенням коефіцієнтів ν(λ) і V (λ), наведені на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Залежність величин ν(λ) і ν'(λ) від довжини хвилі
Наприклад, як свідчать дані, що наведені в табл.1.1, світлова чутливість ока людини до випромінювання з довжиною хвилі λ = 490 нм приблизно в п’ять разів нижча, ніж до випромінювання з довжиною хвилі λ=555 нм, а коли λ=620 нм, вона нижча майже втричі. Для того, щоб викликати у людини однакове зорове відчуття, потужність випромінювання з довжиною хвилі λ=760 нм повинна в 20000 разів перевищувати потужність випромінювання з довжиною хвилі λ=550 нм. Джерело світла, наприклад, зі складом випромінювання Фе=5,2; 9,1; 10,5; 10,2 Вт, що має відповідно довжини хвиль λί=405; 436; 546 і 577 - 579 нм в умовах денного зору, згідно з даними з табл. 1.1, буде створювати світловий потік
Таблиця 1.1
Значення відносної спектральної світлової ефективності випромінювання ν(λ) і V' (λ)
При розв’язанні багатьох світлотехнічних задач розміри випромінювачів світла та їхніх елементів нерідко бувають настільки малими порівняно з відстанями до приймачів світла, що з достатньою точністю їх можна вважати точечними. При цьому просторову густину світлового потоку, яка виражається відношенням елементарного світлового потоку dФ до елементарного тілесного кута dω, у межах якого цей потік поширюється, називають силою світла. Таким чином, сила світла - це величина, яка кількісно дорівнює світловому потоку, який поширюється від даного точечного випромінювача світла в одиничному тілесному куті.
В обраному напрямку сила світла Іа=dФa/dω. Отже, dФa=Іаdω, де dФа - елементарний світловий потік у цьому напрямку.
Одиницею вимірювання сили світла є кандела (кд), а тілесного кута - стерадіан (ср).
Нагадаємо, що тілесний кут визначається відношенням
де S - площа поверхні сфери, яка вирізана конусом з вершиною у центрі сфери; R - радіус цієї сфери. Один стерадіан - це тілесний кут з вершиною, розташованою в центрі сфери, який вирізає на поверхні сфери площу, що чисельно дорівнює квадрату радіуса.
Яскравість поверхні випромінювача світла L - це фізична величина, яка дорівнює світловому потоку з одиниці площі видимої поверхні випромінювача в одиниці тілесного кута.
Яскравість елементарної поверхні dS у будь-якому напрямку
де α - кут між обраним напрямком та нормаллю до виділеної ділянки поверхні.
Таким чином, яскравість світловипромінюючої поверхні джерела світла залежить від кута, під яким видно цю поверхню. Для вибраного кута вона дорівнює відношенню сили світла ділянки світловипромінюючої поверхні площинкою dS у визначеному
напрямку до проекції цієї поверхні на площину, перпендикулярну вибраному напрямку.
Одиницею вимірювання яскравості є кандела, поділена на квадратний метр (кд/м2). Вона має також назву ніт (нт).
Світність М - це фізична величина, яка чисельно дорівнює світловому потоку, що випромінюється одиницею площі поверхні випромінювача в усіх напрямках, тобто вона являє собою густину світлового потоку на поверхні випромінювача:
де dS - площа елементарної ділянки випромінювача.
Так само енергетична світність Me - це густина повного потоку випромінювання на поверхні випромінювача, що розглядається,
Одиницею вимірювання світності є люмен, поділений на квадратний метр (лм/м2), а одиницею вимірювання енергетичної світності - ват, поділений на квадратний метр (Вт/м2).
Для випромінювача, поверхня якого має кінцеві розміри, при рівномірному розподілі потоку випромінювання по площі цієї поверхні
Колірна температура Тк - це температура абсолютно чорного тіла за шкалою Кельвіна, при якій це тіло створює випромінювання такого самого кольору, як і випромінювач світла, що розглядається. Вона є мірою об’єктивного кольорового враження про випромінювання. На колірному графіку колірна температура джерела світла визначається положенням точки, яка відповідає кольору його випромінювання на лінії чорного тіла. Коли ж кольоровість джерела
випромінювання відтворюється точкою, яка не лежить на лінії чорного тіла, то вона оцінюється корельованою колірною температурою Тк.к, значення якої визначається за найближчою точкою лінії чорного тіла на рівноконтрастному колірному графіку.
Коефіцієнт кольоропередачі (загальний індекс кольоропередачі) Ra оцінює достовірність сприйняття кольорових об’єктів зором при освітленні їх даним світловим випромінювачем порівняно з освітленням їх еталонним джерелом (найчастіше сонячним світлом). Максимальне його значення Ra=100 (сонячне світло).
Значенням Ra=91...100 відповідає дуже хороша кольоропередача, Ra=81...91 - хороша, Ra=51...81 - середня, а Ra< 51 - слабка.
Загальний індекс кольоропередачі випромінювачів світла іноді доповнюють спеціальними індексами Rί, які характеризують передачу кольорів більшої насиченості (червоного, жовтого, зеленого, синього), а також кольорів шкіри людей та зеленого листя.
Зазвичай колір джерел світла поділяють на три основні групи: теплий (Тк<3000 К), нейтральний (Тк=3000...5000 К) та холодний (Тк>5000 К). Зокрема, колір випромінювання джерел світла з колірною температурою Тк=2700 К називають надтеплим, з Тк= 3000 К - теплим, з Тк=4000 К - натуральним білим або просто білим, а з Тк>5000 К - холодним білим або денним.
Коли, наприклад, Тк=2500...2700 К, то у видимому випромінюванні переважають оранжево-червоні промені. При освітленні предметів джерелом світла з цими значеннями колірної температури підсилюються теплі кольорові тони (червоні, оранжеві, коричневі) і слабшають холодні (зелені, блакитні, фіолетові), через що подібні джерела світла мають невисоку достовірність кольоропередачі. Вона може бути поліпшена (до Тк=3500...4000 К) за рахунок використання світлофільтрів та кольорових колб, які частково поглинають оранжево-червоні промені. Проте при цьому одночасно на 30...35 % зменшується світловий потік, який випромінюється джерелом світла.