Зависимость освещенности от расстояния до источника света: Работа со светом — закон обратных квадратов

Работа со светом — закон обратных квадратов


В техническом плане, закон обратных квадратов является законом, который утверждает о том, что значение физической величины в определенной точке пространства является обратно пропорциональным квадрату расстояния к источнику поля, непосредственно которое и характеризует эта самая физическая величина. У многих данное определение вызовет недоумение. Казалось бы, как это относится к фотографии, и вообще, что это значит? На самом деле, это напрямую относится к фотографии, а точнее, к работе со светом.


Концепция


Данный закон позволяет легче понимать важность расстояния от объекта съемки до источника света. По сути, закон обратных квадратов поясняет степень уменьшения яркости света в зависимости от увеличения расстояния. Допустим, что есть источник света, который работает на полную мощность. Объект стоит от него на расстоянии двух метров. А как изменится освещение объекта, если он отойдет на 2 метра от источника света. многим может показаться, что освещение уменьшится в 2 раза, но на самом деле это не так.


Опираясь на закон обратных квадратов, можно сказать, что сила света будет обратно пропорциональна квадрату расстояния. Получается, что если взять расстояние 2 метра, то квадрат этого числа будет равняться 4, а так как нам необходимо обратно пропорциональное значение, то мы получим 1/4. Получается, что на расстоянии 2 метра от источника света освещение уменьшится на 1/4. На расстоянии 3 метра интенсивность освещенности уменьшится до значения 1/9, так как квадрат числа 3=9, а обратная пропорциональность дает значение 1/9.


Таким образом, можно построить таблицу, которая будет описывать интенсивность света в зависимости от источника света до объекта.


Практика


В фотографии описанный выше закон влияет на экспозицию. Можно говорить о том, что первоначальное падение освещенности объекта происходит быстро, но чем дальше удаляется объект, тем падение освещенности уменьшается. Для наглядности можно взглянуть на схему, которая демонстрирует процентное отношения падения освещенности на расстоянии 10 метров:


Можно заметить, что с первого по второй метр интенсивность света уменьшается на целых 75%, но затем, с 4 по 20 падает только лишь на 5%.


Экспонирование


Мы разобрались с тем, что чем объект съемки находится ближе к источнику света, тем сильнее он освещен, а чем он находится дальше, тем, соответственно, освещен он слабее. Основываясь на имеющихся данных, можно сказать, что для создания снимка с нормальной экспозицией при близко стоящем к источнику света объекте, следует использовать значение диафрагмы F16. Закрытая диафрагма отсечет часть света, которая в данном случае может дать переэкспонирование. В том случае, если объект расположен достаточно далеко, диафрагму желательно открыть до значения F4. Это позволит большему количеству света пройди сквозь объектив и попасть на матрицу. При одинаковой выдержке обе фотографии должны смотреться примерно одинаково, так как диафрагмой мы уравняли количество света, попадающего на сенсор камеры.


Это позволяет примерно рассчитать, на каком расстоянии от источника света какое значение диафрагмы следует использовать:


Освещение одного объекта


Теперь поместим значения диафрагмы на верхнюю часть схемы и представим, что источником света освещена модель, которая постоянно двигается в кадре. Вы наверняка заметил, что чем ближе объект съемки находится к источнику света, тем чаще происходят колебания числа F. Это значит, что если наша модель, находясь близко к источнику света, сделает шаг назад или вперед, нужно перестраивать камеру, иначе снимок получится или пересвеченный или слишком темный.


Расположив модель на расстоянии от 6 до 9 метров, можно позволить ей ходить во все стороны, а вы можете сконцентрироваться на съемке и не перестраивать камеру.


Освещение нескольких объектов


При работе с несколькими объектами или моделями может оказаться, что они окажутся неравномерно освещены. Например, расположив объекты съемки близко к источнику света, они окажутся в диапазоне от F22 до F11. Это значит, что некоторые объекты могут оказаться пересвечены, а некоторые слишком темные:


Если же переместить те же объекты на расстояние 7-9 метров от источника света, все они окажутся в одной световой зоне и будут освещены одинаково:


Освещение фона


Часто в съемке необходимо, чтобы одни предметы были светлее других. Это часто используется при работе с фоном. В таком случае можно поместить модель значительно ближе к источнику света, чем фон. При таком построении кадра фон будет казаться темным, а модель светлой.


Чтобы получить одинаковое освещение модели и фона, их необходимо расположить подальше от источника света и поставить недалеко друг от друга:


Вывод


На самом деле то, что было описано в статье — это лишь основы закона обратных квадратов. Он на самом деле намного более запутанный. Дело в том, что в нем очень много переменных. К ним относится мощность источника света, несколько источников, скорость затвора камеры, дополнительные линзы и многое другое. Зная основу, всегда можно продолжить изучение. Даже описанная выше информация, при правильном её использовании может помочь делать более качественные снимки.


На основе материалов с сайта: http://photomotion.ru

Светотехнические параметры и понятия. Часть 1. Справочная информация

Профессиональные светотехники и специалисты, работающие в области освещения, постоянно употребляют разные термины и определения, которые мало о чем говорят простому обывателю, но нужны для правильного описания цветового фона.

Чтобы было проще понимать, о чем идет речь, и что обозначают эти слова, мы подготовили список, объясняющий основные светотехнические термины и характеристики. Его не нужно учить наизусть, можно просто заходить на нужную страницу и освежать в памяти забытый параметр. Говорить «на одном языке» всегда проще.

Светотехнические параметры и понятия.

1 — Видимое и оптическое излучение

Весь окружающий нас мир образуется видимым и оптическим излучением, сосредоточенным в полосе электромагнитных волн от 380 до 760 нм. К ней с одной стороны добавляется ультрафиолетовое излучение (УФ), а с другой инфракрасное (ИК).

УФ-лучи оказывают биологическое воздействия и применяются для уничтожения бактерий. Дозировано они используются для лечебного и оздоровительного эффектов.

ИК-лучи используются для нагрева и сушки в установках, так как в основном производят тепловое воздействие.

2 — Световой поток (Ф)

Световой поток характеризует мощность видимого излучения по воздействию на человеческое зрение. Измеряется в люменах (лм). Величина не зависит от направления. Световой поток — это самая важная характеристика источников света.

Например, лампа накаливания Е27 75 Вт имеет световой поток 935 лм, галогенная G9 на 75 Вт — 1100 лм, люминесцентная Т5 на 35 Вт — 3300 лм, металлогалогенная G12 на 70 Вт (теплая) — 5300 лм, светодиодная Е27 9,5 Вт (теплая) — 800 лм.

3 — Люмен

Люмен (лм) — это световой поток от источника света (лампы) при окружающей температуре 25°, измеренной при эталонных условиях.

4 — Освещенность (Е)

Освещенность — это отношение светового потока, подающего на элемент поверхности, к площади этого элемента. Е=Ф/А, где, А -площадь. Единица освещенности — люкс (лк).

Чаще всего нормируется горизонтальная освещенность (на горизонтальной плоскости).

Средние диапазоны освещенности: на улице при искусственном освещении от 0 до 20 лк, в помещении от 20 до 5000 лк, 0,2 лк в полнолуние в природных условиях, 5000 -10000 лк днем при облачности и до 100 000 лк в ясный день.

На картинке представлены: а — средняя освещенность на площади А, б — общая формула для расчета освещенности.

5 — Сила света (I)

Сила света — это пространственная плотность светового потока, ограниченного телесным углом. Т. е. отношение светового потока, исходящего от источника света и распространяющегося внутри малого телесного угла, содержащего рассматриваемое направление.

I=Ф/ω Единица измерения силы света — кандела (кд).

Средняя сила света лампы накаливания в 100 Вт составляет около 100 кд.

КСС (кривая силы света) — распределение силы света в пространстве, это одна из важнейших характеристик светотехнических приборов, необходимая для расчета освещения.

6 — Яркость (L)

Яркость (плотность света) — это отношение светового потока, переносимого в элементарном пучке лучей и распространяющемся в телесном угле, к площади сечения данного пучка.

L=I/A (L=I/Cosα) Единица измерения яркости — кд/м2.

Яркость связана с уровнем зрительного ощущения; распространение яркости в поле зрения (в помещении/интерьере) характеризует качество (зрительный комфорт) освещения.

В полной темноте человек реагирует на яркость в одну миллионную долю кд/м2.

Полностью светящийся потолок яркостью боле 500 кд/м2 вызывает у человека дискомфорт.

Яркость солнца примерно миллиард кд/м2, а люминесцентной лампы 5000–11000 кд/м2.

7 — Световая отдача (H)

Световая отдача источника света — это отношение светового потока лампы к ее мощности.

Η=Ф/Р Единица измерения светоотдачи — лм/Вт.

Это характеристика энергоэкономичности источника света. Лампы с высокой световой отдачей обеспечивают экономию электроэнергии. Заменяя лампу накаливания со светоотдачей 7–22 лм/Вт на люминесцентные (50–90 лм/Вт), расход электроэнергии уменьшится в 5–6 раз, а уровень освещенности останется тот же.

8 — Цветовая температура (Тц)

Цветовая температура определяет цветность источников света и цветовую тональность освещаемого пространства. При изменении температуры источника света, тональность излучаемого света меняется от красного к синему. Цветовая температура равна температуре нагретого тела (излучатель Планка, черное тело), одинакового по цвету с заданным источником света.

Единица измерения Кельвин (К) по шкале Кельвина: Т — (градусы Цельсия + 273) К.

Пламя свечи — 1900 К

Лампа накаливания — 2500–3000 К

Люминесцентные лампы — 2700 — 6500 К

Солнце — 5000–6000 К

Облачное небо — 6000–7000 К

Ясный день — 10 000 — 20 000 К.

9 — Индекс цветопередачи (Ra или CRI)

Индекс цветопередачи характеризует степень воспроизведения цветов различных материалов при их освещении источником света (лампой) при сравнении с эталонным источником.

Максимальное значение индекса цветопередачи Ra =100.

Показатели цветопередачи:

Ra = 90 и более — очень хорошая (степень цветопередачи 1А)

Ra = 80–89 — очень хорошая (степень цветопередачи 1В)

Ra = 70–79 — хорошая (степень цветопередачи 2А)

Ra = 60–69 — удовлетворительная (степень цветопередачи 2В)

Ra = 40–59 — достаточная (степень цветопередачи 3)

Ra = менее 39 — низкая (степень цветопередачи 3)

Ra он же CRI — color rendering index был разработан для сравнения источников света непрерывного спектра, индекс цветопередачи которых был выше 90, поскольку ниже 90 можно иметь два источника света с одинаковым индексом цветопередачи, но с сильно различающейся передачей цвета.

Комфортное для глаза человека значение CRI = 80–100 Ra

Читайте также:

Как измеряют освещенность (естественное и искусственное освещение)

Отличие Освещенности и Светового потока



Сегодня на рынке освещения большая путаница с техническими параметрами, такими как световой поток (измеряемый в люменах (Лм) и освещенность (измеряемый в люксах (Лк). Большинство, при подборе светильников обращают внимание на световой поток (Лм – указывается на упаковке каждого светодиодного светильника), а не на требования освещенности.Чаще всего, в расчет берется суммированный световой поток лампы или светодиодов, без световых и тепловых потерь.



Световой поток, можно измерить только в специальной лаборатории,самомуэто сделать с подручными прибораминевозможно! В нормативных документах существует понятие светового потока, но нет определенных требований к нему.



Освещенность любой человек может измерить самостоятельно, без сложного оборудования.Что такое освещённость?



Освещённость– это величина отношения светового потока к площади, на которую он падает. Причём падать он должен на эту плоскость именно перпендикулярно. Измеряется в люксах, lux (лк).

Зачем измерять освещённость?



Учеными доказано, что плохой (или, наоборот, слишком хороший) свет через сетчатку глаза воздействуют на рабочие процессы нашего мозга.



Как следствие, свет влияет на психологическое состояние человека: если света недостаточно — он чувствует угнетенность, пониженную работоспособность, сонливость; если свет слишком яркий, он способствует возбуждению, подключению дополнительных ресурсов организма, вызывая их повышенный износ. И то и другое – одинаково вредно.



Если же свет подобран правильно, то благодаря улучшению освещенности производительность на рабочем месте может быть повышена на 25—30%.



Нормативы



До недавнего времени в России для измерения освещённости руководствовались межгосударственным стандартом измерения освещённости — ГОСТ 24940-96. В этом ГОСТе используются такие понятия, как: освещённость, средняя, минимальная и максимальная освещённость, цилиндрическая освещённость, коэффициент естественной освещенности (КЕО), коэффициент запаса, относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения.



В 2012 году Россия ввела собственный, национальный стандарт измерения освещённости, ГОСТ Р 54944-2012 «Здания и сооружения. Методы измерения освещенности».



В этом ГОСТе к тем понятиям, что были раньше, добавлены новые: полуцилиндрическая освещённость, аварийное освещение, резервное освещение, эвакуационное освещение, охранное освещение, рабочее освещение.



В 2016 году был откорректирован Свод правил — СП 52.13330.2016, который после актуализации 2011 года потерпел незначительные изменения, такие как:

  • согласно пункту4.1теперь нормируется именно средняя освещенность, а не наименьшая;

  • в пункте7.3.1говориться, что в учебных заведениях запрещено применять осветительные приборы на светодиодах;

  • в пункте7.6.9определены новые нормы размещения эвакуационных знаков безопасности;

  • и др.

Параметры для оценки освещенности



Световые волны как один из видов электромагнитных волн различают по длине и частоте колебаний, которые связаны между собой следующей математической зависимостью:



Ь = с/&



где А, — длина волны; м;с —скорость распространения света, 300 000 км/ч; частота колебаний, Гц(1 Гц равен одному колебанию в 1 с). Силу светаизмеряют в канделах (кд). 1 кд соответствует У60силы света, излучаемого в перпендикулярном направлении поверхностью абсолютного черного тела площадью 1 см2при температуре затвердевания платины 1760°С.



Освещенностьизмеряется в люксах. Люкс (лк) есть освещенность поверхности, на каждый квадратный метр которой падает световой поток, равный одному люмену (лм):



1 лк = 1 лм/1 м2.



Люмен —это световой поток, излучаемый в пределах телесного угла в 1 стер источником, сила света которого равна 1 св; находится как отношение площади освещенности к квадрату расстояния до источника света. Если поверхность освещается несколькими источниками, создающими на ней освещенности ?,,Е2и т. д., то полная освещенность поверхности Е будет равна их сумме.



Коэффициент пульсации. Изменение условий освещения помещений вызывает адаптацию органов зрения, в основе которой лежат физиологические и фотохимические процессы, приводящие к изменению чувствительности зрения. Частые и резкие изменения условий освещения отражаются на физическом состоянии человеческого организма.



Скорость различения и устойчивость ясного видения предметов зависят также от уровня освещенности. Скорость различения особенно велика при уровне освещенности 400—500 лк, устойчивость ясного видения соответствует уровню освещенности 130— 150 лк.



Важными факторами, которые необходимо принимать во внимание при определении освещенности помещений, являются цветовые решения интерьеров и различие яркости наблюдаемого предмета и фона, на котором рассматривается предмет. Таким образом, яркостной контраст зависит от уровня освещенности: чем меньше освещенность, тем должна быть больше контрастность. Яркость фона определяется количеством отраженного света, воспринимаемого человеческим глазом.

Виды освещения



Освещенность обеспечивается путем устройства окон и установки светильников.



В одних случаях требуется равномерная освещенность помещения, в других — нормативной должна быть освещенность рабочих мест, а освещенность всего помещения может быть в два-три раза меньше. Это зависит от назначения помещений и достигается использованием определенных типов светильников и их размещением, что предусматривается проектом. Освещение бывает естественным и искусственным.



Естественное освещение



Источниками естественного освещения являются:

  • солнце,
  • луна (точнее отражённый ею свет),
  • рассеянный свет небосвода (это не просто поэтическое название , термин используемый в протоколах по измерению освещенности).



Естественное освещение помещений зависит:

  • от местности, где расположено здание. В СНИП определено понятие световой климат — так называется характер изменения освещенности на открытом воздухе в течение суток, месяца, года. Световой климат напрямую зависит от географической широты местности и высоты стояния солнца.
  • от ориентации здания,
  • от расстояния здания от затемняющих объектов;
  • от расположения световых проемов и их размеров:



    Расположение: Для лучшего освещения самых удаленных точек помещений необходимо, чтобы верхняя граница светового проема была поднята как можно выше над уровнем пола, а наиболее удаленная от окна точка находилась на расстоянии, не превышающем двойной высоты верхнего края проема над полом.



    Размер: В жилых и служебных помещениях требования к размеру световых проемов разные: в жилых — 1:8 по отношению к площади освещаемого пола, в служебных и административных — не менее 1:10. Размер светового проема равен площади проема за вычетом 15% площади, приходящейся на оконные устройства.



На основании всех этих факторов помещение имеет определенный уровень освещенности, который характеризуется коэффициентом естественной освещенности (КЕО), представляющим собой отношение освещенности внутри помещения (Лк) к одномоментной освещенности снаружи (Лк), измеряется КЕО в процентах ( %)



Коэффициент естественной освещенности для жилых и общественных зданий и производственных помещений с боковым освещением зависит от точности выполняемых работ и колеблется от 1,5 до 2, а для помещений с грубыми работами КЕО =0,5. При верхнем и комбинированном освещении в соответствии со СНиП этот коэффициент колеблется от 2 до 7.



Искусственное освещение



Источниками искусственного освещения – являются любые осветительные приборы (лампы, светильники, светодиодные ленты)



При определении эксплуатационных характеристик искусственного освещения необходимо обращать внимание на

  • мощность света,
  • равномерность освещения,
  • отсутствие резких теней и блескости.



Нормы освещенности установлены СНиП в зависимости от назначения помещений и проводимых там работ.



Подробную информацию можно изучить в статьях:



«Нормы освещенности по Нормативным документам»



«Нормы пульсации по Нормативным документам»



Коэффициент эксплуатации



(обратно пропорционален коэффициенту запаса , КЗ, использовавшемуся ранее)



При планировании освещенности на этапе проекта важно не забывать, что в процессе эксплуатации любой осветительный прибор может уменьшить создаваемую им освещенность. Для компенсации этого спада при проектировании вводится коэффициент эксплуатации (КЭ).



КЭ для искусственного освещения учитывает:

  • загрязнение
  • не восстанавливаемое изменение отражающих и пропускающий свойств оптических элементов
  • спад светового потока
  • выход из строя источников света
  • загрязнение поверхностей помещений, наружных стен здания или сооружения, проезжей части дороги или улицы.



КЭ для естественного освещения учитывает:

  • загрязнение и старение светопрозрачных заполнений в световых проемах,
  • снижение отражающих свойств поверхностей помещения. Как пример, при запылении ограждающих поверхностей в лабораториях освещенность снижается на 10% за год, в деревообрабатывающих цехах на 30% за полгода.



Измерение освещённости рабочих мест проводят вместе с замерами уровня шума, пыле- и загрязнённости, вибрации — в соответствии с СанПин (санитарные правила и нормы).



Измерение освещённости производят ЛЮКСОМЕТРОМ( от Люкс)



Люксометр — это мобильный, портативный прибор для измерения освещенности, принцип работы которого идентичен фотометру.



Правила использования:

  • прибор всегда находится в горизонтальном положении;
  • его устанавливают в точках, место положение которых рассчитываются согласно методике, указанной в Госстандартах. Количество контрольных точек должно быть не менее 10;
  • все люксометры сертифицируются, и погрешность люксметра, согласно ГОСТ должна быть не больше 10%.



Люксметры бывают субъективные и объективные.



Субъективный люксметр основан на уравнивании яркости двух полей освещения (освещенность одного поля известна). Он состоит из вентильного фотоэлемента и измерительного устройства. Электрический ток, который дает фотоэлемент при освещении его поверхности, пропорционален ее освещенности. Поэтому измерительное устройство, проградуированное в люксах, показывает сразу значение освещенности.



Объективные люксметры являются более точными, в них роль анализатора выполняет селеновый фотоэлемент, а показания регистрирует гальванометр. При попадании световых лучей на приемную часть фотоэлемента в схеме прибора возникает ЭДС, пропорциональная уровню освещенности. Шкала прибора имеет 50 делений с обозначением трех пределов измерений освещенности: 0—25, 0—100, 0—500 лк. Если освещенность превышает 50 лк, то на фотоэлементе устанавливают поглотитель, который расширяет основные пределы измерения в 100 раз, что позволяет измерять освещенность 0—50 000 лк.



Измерения проводятся отдельно по искусственному и естественному освещению. При этом нужно следить, чтобы на прибор не падала какая-либо тень, и поблизости не было источника электромагнитного излучения. Это внесёт помехи в результаты. После того как сделаны все необходимые замеры освещенности, на основе полученных результатов, по специальным формулам, рассчитываются нужные параметры, и делается общая оценка. То есть, полученные параметры сравниваются с нормативом, и делается вывод о том достаточно ли освещённость данного помещения или территории.



На каждый вид измерений в каждом помещении или участке улицы заполняется отдельный протокол. Оценочный протокол выдаётся как по каждому помещению или территории, так и по всему объекту. Этого требует «ГОСТ. Измерение освещённости» должно быть выполнено по правилам.



Рекомендации замеров освещенности для светодиодных светильников

  1. Замеры освещенности светодиодных светильников необходимо проводить после их 2 часовой работы, когда они выйдут на рабочий режим (несколько раз в течение дня). Светодиоды и источники питания выделяют большое количество тепла. Оно отводится за счет теплоотводящих материалов (алюминий, компаунд и т.п) и определенной конструкции (большая радиаторная площадь и т.п.). Тем не менее повышенные температурные режимы оказывают серьезное воздействие на освещенность.

  2. Чтобы не ошибиться с параметрами освещенности, лучше при проектировании сразу закладывать коэффициент падения освещенности, который зависит от типа и характеристики объекта.

  3. Следите за работой светодиодных светильников и параметрами освещенности весь гарантийный срок, т.к. если производитель заявляет гарантийный срок 3 и более года, то светильники при соблюдении условий должны сохранять качественные в течение всего срока.

  4. Если условия эксплуатации светильников происходят при температурных режимах свыше +45 гр, то замеры освещенности надо делать гораздо чаще, чем регламентируют нормы.


  5. На заметку: на некоторых Интернет-ресурсах Вы можете встретить информацию: «В жилых комнатах норма освещения лампами накаливания установлена 25—30 лк, люминесцентными лампами — 75 лк.». Данная информация является устаревшей и указывает минимальную освещенность. Но, как писалось ранее,в последней редакции — СП 52.13330. 2016 теперь нормируется средняя освещенность, а не наименьшая. И с учетом перехода на светодиодные источник света средняя освещенность для жилых помещений составляет 200 Лм.

А. В. Мельник. Театрально-концертное постановочное освещение. Основы постановочного видео

Чтобы детально разобраться в тонкостях профессии, необходимо знать, хотя бы фрагментарно некоторые элементы из смежных дисциплин, многие решения происходят не внутри, а на стыке профессий. Не зря, художник по свету является и художником и психологом и инженером одновременно. Физиология, психология,  электроника, программирование, оптика и электрика и ещё многие дисциплины составляют основу нашей профессии. Я не говорю уже о художественном кругозоре. Без знания основ смежных дисциплин  (хотя бы фрагментарного, на уровне представления), невозможно стать полноценным художником по свету. В данном учебнике частично представлены, самые необходимые основы смежных знаний. Не всё дисциплины  требуется изучить «от корки до корки», но иметь представление о существовании этих разделов, чтобы при необходимости, разобраться в теме более глубоко необходимо.

Физика света. Оптика.

Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика. С  точки зрения физик,  свет –  это электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом. Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов-частиц, обладающих определённой  энергией, импульсом и нулевой массой. Оперируя физическими понятиями, важно понимать, что человеческий глаз, воспринимающий свет, орган весьма субъективный, а человек, не центр вселенной. Световые волны существуют вне зависимости от того, воспринимает их глаз или нет. Физика оперирует различными величинами характеризующими свойства света.

Энергетические величины

К основным из них относятся энергетические (абсолютные)  величины, характеризующие свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам в частности относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, светимость и облученность. Эти величины используются в науке и в нашей профессии используются редко.

Фотометрические величины

Для художника по свету существенно знать что, каждой энергетической величине соответствует аналог-световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещенность.

Важнейшим свойством света является его интенсивность. Количественно, интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин.

Световая энергия Qv – физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин. Характеризует способность энергии, переносимой светом, вызывать у человека зрительные ощущения. Единица измерения люмен-секунда (лм/с).

Световой поток Ф –  физическая величина, определяющая количество «световой мощности» в соответствующем потоке излучения. Если излагать сущность светового потока, это весь поток (весь свет), излучаемый или лампой во все стороны или прибором, в основном направлении. Световой поток основная величина, характеризующая «силу» светового прибора. Единица измерения – люмен(лм) (не путать с ansilumen.) Употребление терминов «яркость» или «мощность» в обиходе, является некорректным, т.к. в физике, применяются к совершенно другим характеристикам.

Сила света Iv  – физическая величина,  определяющая величину световой энергии, переносимой в некотором направлении. Количественно определяется соотношением дельты светового потока к  дельте телесного угла. Единица измерения канделла (кд).

Телесный угол – часть пространства, конус- определяющий объединение всех лучей в пространстве, выходящих из вершины угла и пересекающих некую поверхность, которая называется поверхностью, стягивающей данный угол. Единица измерения – стерадиан или квадратный градус.  В практике, часто используется термин – угол расхождения, измеряемый в градусах.

Телесный угол

Яркость – световой поток, посылаемый в данном направлении и поделённый на элементарно малый телесный угол и на проекцию площади источника света на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Проще говоря, соотношении силы света, излучаемой поверхностью к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Единица измерения канделла на метр кв. (кд/м.кв.).

Светимость – световой поток, испускаемый с малого участка светящейся поверхности. Равна отношению светового потока, исходящего с малого участка, к площади этого участка. Единица измерения Ватт на квадратный метр (вт/м.кв).

Освещённость –  величина характеризующая поверхность, на которую падает определённый световой поток. Численно равна световому потоку, падающему на участок поверхности малой единичной площади. Отношение дельты потока, к дельте площади. Единицей измерения служит люкс (лк).

Освещенность

Закон обратных квадратов – закон, который утверждает, что значение некой величины в данной точке пространства обратно пропорционально квадрату расстояния от источника поля которое характеризует эта величина, применительно к свету-источника света.

Художник по свету должен всегда помнить, что весь световой поток излучаемый прибором, распределяется на площадь, равной проекции луча на плоскость. Чем эта площадь больше, тем освещённость меньше, и наоборот. Применяя zoom (см. ч.III), мы весь световой поток распределяем в границах луча, чем луч шире, тем освещённость в конкретной точке меньше, а чем луч уже, тем освещённость больше, то есть световой поток неизменен. Применяя же iris, мы отсекаем часть светового потока и луч чем уже, тем слабее.

Оптические свойства света

Распространение света

Часто свет распространяется в какой либо среде, в веществе, но может распространятся и в вакууме. В вакууме, свет распространяется со скоростью (с), равной 299 792 458 м/с . С точки зрения современной физики, этопредельная скорость перемещения любого физического тела. Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме, например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частицами в веществе. Теоретически, «остановленный свет» перестаёт быть светом.

Преломление

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если луч света не является нормальным к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Такое изменение направления и является преломлением света. Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, как, например, в линзах световых приборов. Другими словами, это явление, при котором меняется направление распространения луча света, когда он переходит из одной среды в другую, как например, из вакуума или воздуха в такую другую среду, как стекло или вода или наоборот.

Показатель преломления – численное значение, указывающее на степень преломления среды и выраженное формулой n=sin i/sin r. «n» – это константа, не связанная с углом падения светового луча, указывающая на показатель преломления преломляющей среды по сравнению со средой, из которой исходит луч. Для обычного оптического стекла «n», как правило, обозначает показатель преломления стекла по отношению к воздуху.

Дисперсия

Явление, при котором оптические характеристики среды меняются в зависимости от длины волны светового луча, проходящего через среду. Когда свет поступает в линзу или призму, характеристики дисперсии линзы или призмы вызывают изменения показателя преломления в зависимости от длины волны, в результате чего свет рассеивается. Иногда это явление называют также цветовой дисперсией.

Отражение

Отражение отличается от преломления тем, что представляет собой явление, ведущее к тому, что часть света, падающего на стекло или на другую среду, отделяется и идет в совершенно новом направлении. Направление движения одинаково, независимо от длины волны. Когда свет попадает в линзу, не имеющую противоотражательного покрытия, и выходит из нее, то приблизительно 5% света отражается на границу между стеклом и воздухом. Количество отраженного света зависит от показателя преломления стеклянного материала.

Дифракция

Явление, при котором световые волны попадают в район тени от объекта. В случае с объективом светового прибора и особенно в объективе фото-видеокамеры экспозиция часто регулируется путем изменения размера диафрагмы (отверстия для прохождения света) объектива (апертуры), чтобы отрегулировать количество света, проходящего через объектив. Дифракция в объективе происходит при малых диафрагмах, когда ребра диафрагмы мешают прохождению световых волн по прямой линии, в результате чего лучи света проходят близко к ребрам диафрагмы, огибая эти ребра на пути через диафрагму. Дифракция вызывает уменьшение контрастности и разрешающей способности изображения, в результате чего получается неконтрастное изображение. Хотя дифракция имеет тенденцию появляться тогда, когда диаметр диафрагмы меньше определенного размера, на самом деле она зависит не только от диаметра диафрагмы, но и от различных факторов, таких, как длина волны света, фокусное расстояние и светосила объектива.

Поляризация света

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным . У линейно-поляризованного света определена плоскость (т.н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрического вектора волны. У циркулярно-поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по или против часовой стрелки. Неполяризованный светявляется смесью световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определённым углом, зависящим от показателей преломления сред, называемого углом Брюстера. Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причём угол поворота зависит от концентрации  оптически активного вещества.

Видимость света

Под понятием свет, понимают не только  но и примыкающие к нему широкие области  света, не воспринимаемым человеческим глазом. Наряду с «видимым светом», существует  «невидимый свет»:  , , . Длины волн видимого светалежат в диапазоне от фиолетового 380 до красного 740 ,что соответствует частотам от 790 до 405 террагерц. Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волнысвета приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат находится в полном согласии с тем, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому. С подобным явлением, мы часто сталкиваемся в повседневной работе, красное световое пятно будет казаться темнее, чем зелёное. В телевизионной практике, особенно в «доцифровой», зелёный цвет передается на порядок лучше, чем красный.

Источники света

Существование человека и всего живого неразрывно связано с главным источником светана Земле – Солнцем. Это, как знает каждый, раскаленная звезда. Любое тело, излучающее лучистую энергию, видимую глазом человека будет называться источником света.Большинство источников света выделяют лучистую энергию при нагревании, тем или иным способом.

Цветовая температура

Солнце не исключение, и представляет собой нагретое тело. Солнце, как и другие звезды имеет свою температуру. Одни звезды раскалены сильнее и они носят названиеголубых звёзд, другие гораздо холоднее и носят название красных.

Чем сильнее раскалено тело, тем более его оттенок стремится в сторону голубого цвета. Солнце, по сравнению с другими звездами, имеет среднюю температуру, оно желтое. Температура нагрева звезды получила название цветовой или колориметрической температуры. Закономерно, что другие тела или вещества, при нагреве тем или иным способом излучают свет и обладают определённой цветовой температурой.

Не все источники излучают свет при нагревании (глубоководные организмы, бактерии), но все источники цвета обладают определенной световой температурой. Важно понимать, что любой освещённый предмет, будет светится отраженным светоми соответственно иметь свою цветовую температуру.

Цветовая температура описывается в физике, как температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение, идентичное цветовому тону рассматриваемого излучения. Измеряется в кельвинах (К). Свет при нагревании испускают как естественные источники: звезды, магма вулкана, лесной пожар, так и искусственные источники: взрыв, костер, свеча, лампа. Не всегда искусственный источник света обязательно нагрет. Существует свечение холодных веществ – люминесценция.

Шкала цветовых температур распространённых источников света

800К – начало видимого темно-красного свечения раскалённых тел, раскаленный металл

1500 – 2000К – свет пламени свечи

2800К – лампа накаливания 100 Вт

3200 – 3250К – галогеновая лампа

3400К – солнцеу горизонта

3500К – люминесцентная лампа белого света

4000К – люминесцентная лампа холодного белого света

4300 –4500К – утреннее солнце и солнце в обеденное время

4500-5000К – ,

5000К – солнце в полдень

5500К – облака в полдень

5500–5600К –

5600–7000К – люминесцентная лампа дневного света

6200К – свет, близкий к дневному свету

6500К – стандартный источник дневного белого света

6500-7500К  – облачность

7000К – светодиодный белый свет

7500К – дневной свет с большой долей рассеянного от чистого голубого неба

7500–8500К – сумерки

9500К – синее безоблачное небо на северной стороне перед восходом Солнца

15000К – ясное голубое небо в зимнюю пору

20000К – синее небо в полярных широтах

Цветовая температура источника света имеет первостепенное значение в постановочном освещении. Дело в том, что человеческий организм имеет и своеобразную генетическую память и сильно подвержен собственному опыту. Несмотря на то, что Солнце является желтой звездой, солнечный свет воспринимается, как абсолютно белый, как эталон, как точка отсчета в восприятии человека. Всё, что выше по цветовой температуре, то более голубое, что ниже, то более желтое. Именно с желтым оттенком связано понятие теплоты и уюта, это традиционно пламя свечи, домашнего освещения. Именно к такой цветовой температуре привык человеческий глаз. Именно такой свет, чуть желтоватый применяют в бытовом освещении, стремясь создать дома уютный свет. Именно этот свет будет более привычным для освещения лица актера.

При постановочном свете, естественное освещение не используется, за исключением разве что, уличных мероприятий. Основным источником света является искусственный свет, свет лампы.

Физические свойства цвета

Как сказано выше, свет на границе между средами испытывает преломляется и отражается. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является  скалярной, ступенчатой  (без вектора) функцией , в анизотропных средах, где распространение света зависит от направления, показатель преломления  представляется в виде тензора, объекта, линейно преобразующий элементы одного линейного пространства в элементы другого.

Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью; благодаря этому возможно разложение немонохромного (излучения, с разной длиной волн) света, например, белого в спектр. В широком смысле, спектр – это распределение интенсивностей электромагнитного излучения по частотам и длинам волн. Совокупность всех волн в диапазоне от 380 до 740 даёт свет, воспринимаемый глазом, как белый. Различными способами, белый свет может разделятся на совокупность участков с разными длинами волн именую, в дальнейшем видимым спектром, или спектром.

Спектр

Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.

Одной из характеристик света является его цвет, который для монохромного излучения (излучения с одной длинной волны) определяется длиной волны, а для сложного излучения – его спектральным составом. Для художника по свету представляет интерес два способа получения монохромного излучения.

лазеры– источники света, выделяющие исключительно монохромный луч, более того, излучение лазера когерентно, то есть длина волны совпадает по фазе, точнее, постоянна во времени.

светофильтры (цветофильтры) – оптическое устройство, выделяющее из линечатого спектра лампы нужную линию (или несколько линий)  монохромного излучения, подавляя все остальные участки спектра.

 Цветовое зрение человека

Очень важно понимать, что в физике нет, как такового синего или пурпурного цвета, а есть цвета вызывающий ощущения синего или пурпурного цвета. Поэтому многие физические явления рассматриваются, через призму физиологии человека. В дальнейшем мы будем подходить к пониманию цвета не только и не столько с позиции физических характеристик, сколько с позиций физиологии глаза человека в частности и восприятия цвета человеческим мозгом в целом.

Физиология восприятия света и цвета

Физиология зрения

Для художника по свету, кроме художественных и инженерных представлений, крайне необходимо иметь представление о физиологических и психических процессах, происходящих в организме человека, когда он видит свет на сцене.

Более 90% процентов всей сенсорной информации человек получает через органы зрения.

Представим человеческий глаз, как аналог оптической системы фотоаппарата или видеокамеры, нейроны, как передающие кабели, а мозг, как сложнейший компьютер, воспринимающий и обрабатывающий видеоинформацию. Первым устройством, непосредственно воспринимающим информацию является человеческий глаз. Глаз имеет форму шара, заполненного эластичным стекловидным телом, надежно защищенным от внешних воздействий глазницами черепа.

Вспомогательные органы глаза

Веки, прикрывающие глаз снаружи, покрыты кожей, а изнутри тонкой оболочкой коньюктивой.

Слезные органысмачивают поверхность глазного яблока, веки свободно скользят по слизистой поверхности, защищая глаз от внешней среды;

Шесть глазные мышцработают согласованно и служат для вращения глазного яблока.

Глазное яблоко состоит из наружной, средней и внутренней оболочек.

Наружная оболочкасостоит из склеры (глазной белок), отвечающей за постоянство формы, объема и тонуса глаза и роговицы, вставленной в склеру.

Роговица– наиболее выпуклая часть переднего отдела глаза, прозрачная, сферическая чувствительная оболочка, выполняет функции объектива.

Средняя оболочка глаза состоит из радужки, выполняющей функции диафрагмы, располагается позади прозрачной роговицы.  В центре радужки расположен зрачок,через который, лучи достигают сетчатки. Зрачок  с помощью мышц регулирует количество поступающего света. Диаметр зрачка способен изменяться в зависимости от освещения и состояния нервной системы.

В области зрачка расположен хрусталик, представляющий собою своеобразную  двояковыпуклую линзу.

Строение глаза

Оптическая система глазаспособна рефлекторно адаптироваться к различным условиям, в первую очередь, фокусировать изображение. Способность адаптации глаза, называют аккомодацией. На практике, следует учитывать, что в условиях плохой видимости взгляд человека фокусируется вблизи, вызывая эффект Мандельбаума.

Между роговицей и радужкой, радужкой и хрусталиком находятся камеры глаза, заполненные прозрачной светопреломляющей жидкостью — водянистой влагой, которая питает роговицу и хрусталик.

Позади хрусталика расположено желеобразное, прозрачное,стекловидное тело.

Свет, попадающий в глаз, преломляется оптической системой и проецируются на заднюю поверхность глаза, покрытую необычайно сложной и чувствительной рецепторной субстанцией, называемой сетчаткой. Фактически, сетчатка выполняет функции фотопленки в фотоаппарате или матрицы в цифровой камере. Стоит обратить внимание, что изображение попадающее на  сетчатку является перевернутым, как в классической схеме простейшего оптического устройства.

Сетчатка неоднородна по своей структуре и состоит из десяти слоев, разные участки сетчатки по разному реагируют на попадающий свет. На сетчатке расположены отростки светочувствительных клеток — палочек,отвечающие за световую чувствительность и колбочек, отвечающих, преимущественно, за восприятие цветов. В них протекают фотохимические процессы обеспечивающие цветовое зрение. Палочки расположены ближе к краям сетчатки, что позволяет контролировать периферийное зрение, колбочки, напротив — тяготеют к центру. Нужно отметить, что чувствительность колбочек примерно в 100 раз ниже, чем у палочек,  поэтому, при низкой освещенности, восприятие цвета понижено. Этот эффект называют сумеречным зрением. Подобное явление описывается в эффекте Пуркинье– красные цвета при пониженном освещении кажутся более темными, нежели зелеными, а синие, наоборот — более светлыми.

Центральная область, где  находятся большее количество рецепторов, наиболее чувствительна и её называют желтым пятном. Область, где рецепторы отсутствуют, называется слепым пятном, отсюда пучок нейронов выходит на обратную сторону сетчатки и далее в мозг.

Зрительная система человека обладает свойством бинокулярности, объемного зрения. Эта способность обусловлена тем, что человеческий мозг анализирует данные, полученные двумя глазами, причем информация, от расположенных соосно, но на некотором расстоянии друг от друга источников изображения (глаз) несколько отличается. Положение предмета в пространстве воспринимается мозгом, как ощущение (сенсорное чувство).

Бинокулярное зрение. При взгляде на какой-либо предмет у человека с нормальным зрением не возникает ощущения двух предметов, хотя и имеется два изображения на двух сетчатках. Изображения всех предметов попадают на так называемые корреспондирующие,или соответственные, участки двух сетчаток, и в восприятии человека эти два изображения сливаются в одно. Бинокулярное слитие или объединение сигналов от двух сетчаток в единый нервный образ происходит в первичной зрительной коре.

Информация, полученная периферическим парным органом зрения — глазами, через длинную и сложную цепь зрительных нервов, зрительный тракт и зрительные путипоступает в промежуточный мозг с первичными зрительными центрами .

Зрительные пути  переплетаются со звуковыми путямив так называемом варолиевомузле. Именно это свойство обуславливает взаимное влияние света и  звука. Усиление звука влияет на зрительные рецепторы и наоборот — усиление света влияет на чувствительность звуковых рецепторов. Природа взаимодействия неоднозначна и подлежит тщательному изучению.

Наличие параллелей между цветом и звуком до сих пор остается спорным вопросом. Зрительные и слуховые нейронные дуги анатомически тесно переплетены . Очевидно, что между восприятием цвета и звука существует некая связь. Над закономерностью связи цветового тона и ноты бились и бьются до сих пор лучшие умы человечества. Скрябин, Римский-Корсаков, Чюрленис – как композиторы, обладали так называемым цветным слухом, где каждой ноте присваивался определенный цвет. А. Скрябин, создал цветомузыкальное произведение «Прометей» («Поэма огня»), в котором наряду с нотной партитурой, прописана  специальная цветовая строка – «люче». Эта строка по сегодняшний день является загадкой для многих специалистов в области светомузыки. По сути, она до сих пор не разгадана. К. Чюрленис создавал наряду с музыкальными произведениями, произведения живописные, давая им названия своих музыкальных произведений.

Отдельного упоминания заслуживают наши современники и соотечественники. Многолетние теоретические и практические исследования Ванечкина, Галеева в области светомузыки, послужили созданию единственного в мире «СКБ Прометей» (Казань). Многолетние эксперименты в Музее космонавтики (Москва) проводимые Правдюком, это уже история развития русской театральной школы. Этими людьми придумано огромное количество прототипов приборов, которые сейчас используются в театральной  и концертной технике. Описание этих приборов и теоретические исследования опубликованы и доступны.

Необходимо отметить, что помимо пересечения со звуковыми трактами, зрительные тракты, частично пересекаются у основания мозга, в зоне хаизмы. Окончательный анализ зрительных сигналовпроисходит в стволовых (подкорковых) центрах и непосредственно в коре головного мозга. Изначально информация от левой части сетчатки каждого глаза обрабатывается преимущественно левым полушарием головного мозга, а информация от правой части, соответственно — правым, затем информация складывается.

Необходимо учитывать на практике, что человеческое зрение очень адаптируемо. При переходе от темноты к свету наступает временное ослепление, а затем чувствительность глаза постепенно снижается. Это явление называют световой адаптацией. Обратное явление – темновая адаптация, наблюдается при снижении освещенности. Первое время, при резком снижении уровня освещенности, человек почти ничего не видит, затем начинают проявляться контуры предметов, потом детали. Повышение световой чувствительности при снижении освещенности происходит неравномерно: первые 10 минут чувствительность увеличивается в десятки раз, а затем, в течении час- в десятки тысяч раз. На чувствительность  к свету, кроме звуковых сигналов, оказывают влияние также вкусовые и обонятельные сигналы.

Явление дифференциальной зрительной чувствительностипроявляется при оценке участков поверхности, освещенных по разному. Для того чтобы человеческий глаз увидел разницу в освещенности разных поверхностей, эта разница должна быть не менее 1-1.5 % (закон Вебера).

Соседние нейроны взаимодействуют друг на друга. Торможение этих нейронов проявляется в явлении яркостного контраста.Серая полоска бумаги, лежащая на светлом фоне, кажется темнее такой же полоски, лежащей на темном фоне. Светлый фон возбуждает множество нейронов сетчатки, а их возбуждение тормозит клетки, активизированной серой полоской. Наиболее сильно подобное торможение действует между близко расположенными нейронами, осуществляя локальный контраст. Происходит кажущееся  усиление перепада яркости на границе поверхностей разной освещенности. Этот эффект называют подчеркиванием контуров: на границе яркого поля и темной поверхности  видны две дополнительные линии ( еще более яркую – на границе светлого поля, и еще более темную – на границе тёмного поля).

Слишком яркий свет вызывает  ощущение слепоты. Верхняя граница слепящей яркости зависит от адаптации глаза: чем дольше была темновая адаптация, тем меньшая яркость света вызывает ослепление. Если в поле зрения попадают очень яркие предметы, они ухудшают чувствительность в значительной части сетчатки . При слишком ярком концентрированном свете мелких детали не различаются. Это явление называют слепящей яркостью света.

Зрительное ощущение появляется не мгновенно. Прежде чем возникнет ощущение, в зрительной системе должны произойти многократные преобразования и передача сигналов. Времяинерции зрения,необходимое для возникновения зрительного ощущения, в среднем равно 0,03—0,1 с. Это ощущение исчезает также не сразу после того, как прекратилось раздражение, — оно держится еще некоторое время. Если в темноте водить по воздуху какой-либо яркой точкой , то мы увидим не движущуюся точку, а светящуюся линию. Быстро следующие, одни за другим световые раздражения сливаются в одно непрерывное ощущение.

Минимальная частота следования световых вспышек света, при которой происходит слияние отдельных раздражений рецепторов, называется критической частотой слития мельканий. На этом свойстве зрения основаны кино и видео: мы не видим промежутков между отдельными кадрами (от 24 кадров  в секунду), так как зрительное ощущение от одного кадра еще длится до появления другого. Это и обеспечивает иллюзию непрерывности изображения и его движения.

Ощущения, продолжающиеся после прекращения раздражения, называются последовательными образами. Если посмотреть на включенную лампу и закрыть глаза, то она видна еще в течение некоторого времени. Если же после фиксации взгляда на освещенном предмете перевести взгляд на светлый фон, то некоторое время можно видеть негативное изображение этого предмета, то есть его светлые части — темными, а темные — светлыми (отрицательный последовательный образ). Причина его в том, что возбуждение от освещенного объекта локально тормозит  определенные участки сетчатки. Если после этого перевести взгляд на равномерно освещенный экран, то его свет сильнее возбудит те участки, которые не были возбуждены ранее.

Остротой зрения называется максимальная способность глаза различать отдельные детали объектов. Остроту зрения определяют по наименьшему расстоянию между двумя точками, которые глаз различает, то есть, видит отдельно, а не слитно. Нормальный глаз различает две точки, видимые под углом в 1°. Максимальную остроту зрения имеет желтое пятно. К периферии от него острота зрения намного ниже.

Поле зрения. Если фиксировать взглядом небольшой предмет, то его изображение проецируется на желтое пятно сетчатки. В этом случае мы видим предмет центральным зрением. Его угловой размер у человека 1,5—2°. Предметы, изображения которых падают на остальные места сетчатки, воспринимаются периферическим зрением. Пространство, видимое глазом при фиксации взгляда в одной точке, называется полем зрения. Измерение границы поля зрения производят периметром. Границы поля зрения для бесцветных предметов составляют книзу 70°, кверху — 60°, внутрь — 60° и кнаружи — 90°. Поля зрения обоих глаз у человека частично совпадают, что имеет большое значение для восприятия глубины пространства. Поля зрения для различных цветов неодинаковы и меньше, чем для черно-белых объектов, так как на периферии количество колбочек минимально. Следует обратить внимание, что большинство живописных работ, видео экраны,  зеркало сцены представляют собой горизонтальный прямоугольник. Это облегчает зрению воспринимать картину в целом, с одного взгляда.

Оценка расстояния. Восприятие глубины пространства и оценка расстояния до объекта возможны как при просмотре одним глазом – монокулярное зрение, так и двумя глазами – бинокулярное зрение. Во втором случае оценка расстояния  будет гораздо точнее. Некоторое значение в оценке близких расстояний при монокулярном зрении имеет явление аккомодации. Для оценки расстояния имеет значение также то, что образ предмета на сетчатке тем больше, чем он ближе.

Оценка величины объекта. Величина предмета оценивается, как функция величины изображения на сетчатке и расстояния предмета от глаза. В случае, когда расстояние до незнакомого предмета оценить трудно, возможны грубые ошибки в определении его величины.

Движение глаздля зрения. При рассматривании любых предметов глаза двигаются. Глазные движения осуществляют мышцы, прикрепленных к глазному яблоку. Движение двух глаз совершается одновременно и синхронно. Рассматривая близкие предметы, необходимо сводить (конвергенция), а рассматривая далекие предметы — разводить зрительные оси двух глаз (дивергенция). Следует обратить внимание, что для непрерывного получения мозгом зрительной информации необходимо движение изображения на сетчатке. Как уже упоминалось, импульсы в зрительном нерве возникают в момент включения и выключения светового изображения. При длящемся действии света на одни и те же фоторецепторы импульсация в волокнах зрительного нерва быстро прекращается и зрительное ощущение при неподвижных глазах и объектах исчезает через 1— 2 с. Чтобы этого не случилось, глаз при рассматривании любого предмета производит не ощущаемые человеком непрерывные скачки . Вследствие каждого скачка изображение на сетчатке смещается с одних фоторецепторов на новые, вновь вызывая импульсацию клеток. Продолжительность каждого скачка равна сотым долям секунды, а амплитуда его не превышает 20°. Чем сложнее рассматриваемый объект, тем сложнее траектория движения глаз. Они как бы прослеживают контуры изображения, задерживаясь на наиболее информативных его участках. Движение глаз актера, как наиболее информативного участка на сцене подсознательно привлекает внимание зрителя. Любое движение объекта на статичной сцене, моментально привлекает внимание.

Для художника по свету важно применять полученные знания на практике и помнить, что чувствительность глаза варьируется в очень широких приделах, глаз адаптируется к  изменению освещенности очень гибко, поэтому в исключительных случаях допустимо применять источники света малой мощности, важно только не забывать про четыре момента:

а) при недостаточной освещенности глаз излишне напрягается;

б) важны не абсолютные яркостные характеристики комплекта световых приборов, а их соотношение между собой;

в) иногда для выделения яркого акцента или создания ощущения вспышки достаточно заранее, незаметно для зрителя снизить на какой-то срок общую яркость картинки и потом резко вернуть на прежний уровень. Для создания ощущения темноты, достаточно резко, но незначительно снизить яркость всех приборов;

г) снижение чувствительности глаза, вызывает снижение чувствительности звука. При более ярком освещении, чувствительность уха повышена, поэтому концерты симфонической музыки рекомендуется проводить при более ярком освещении, чем рок концерты.

Психология восприятия цвета

Цвета спектра. Цветовой круг.

Впервые непрерывный спектр на семь цветов разбил Исаак Ньютон. Это разбиение условно и во многом случайно. Условность разбиения на семь цветов вызвана европейским менталитетом ученого и определенными европейскими традициями: семь нот, семь планет, семь металлов, семь грехов и т.д. Для неевропейских культур — число 7 магического значения не имеет. Стоит заметить, что существенный вклад в цветоведение внесли художники, философы и поэты.

Величайший поэт И. В. Гёте создал трактат «Учение о цвете». Все явления, связанные с цветом, Гёте рассматривал  с позиции воздействия цвета на человека, выделяя два вида таких воздействий: на организм человека (физиологическое) и на его духовный мир(психологическое). Цвет он называл продуктом света, продуктом, вызывающим эмоции. Гёте первым предложил четкую систему, описывающую воздействие различных цветовых впечатлений на психику человека.

У Гёте каждый цвет– это сгусток эмоциональной сущности, имеющий свой темперамент и по-разному проявляющийся в столкновении с другими цветами. Эмоциональные реакции на эти взаимоотношения являются эстетической основой цветовой гармонии. Шесть основных цветов образуют два треугольника. Свернув непрерывную линию спектра в кольцо, поэт создал цветовой круг Гете, где друг напротив друга оказались противоположные цвета, сочетания которых принято считать гармоническими сочетаниями.

Первая характерная пара – желтый и синий, являлась основанием цветового треугольника, на вершине которого, Гёте расположил «царственный» пурпурный цвет. Вторая характерная пара – оранжевый и фиолетовый, служила основанием треугольника, вершина которого отводилась «плебейскому» зеленому цвету. Таким построением Гёте впервые установил иерархию гармонических взаимосвязей.

По мнению  Гёте, цвет объективен, как и электромагнитные колебания, столь высоко ценимые физиками. Этот подход не отрицает наличия электромагнитного спектра, регистрируемого физическими методами, как индикатора некоторых цветов.

Взгляды И. В. Гёте позволяют выйти из сферы физики и физиологии в область, непосредственно относящуюся к психологии.

Практика художников наглядно показывала, что очень многие цвета и оттенки можно получить смешением небольшого количества красок.

Философы , анализируя явления природы, пытались разложить цвет на элементы, привело к выделению основных цветов, в качестве которых эмпирически выбрали красный, зелёный и синий.

Основные и дополнительные цвета. Сложение цветов.

В Англии основными цветами долго считали красный, жёлтый  и синий. Лишь в 1860 г. Д. К. Максвелл ввел аддитивную систему RGB(красный, зеленый, синий).Эта система в настоящее время доминирует в различных системах цветовоспроизведения. Система основана на аддитивном (прибавление) сложении цветов.

В 1951 г. Э. Мюллер предложил субтрактивную(вычитание) систему CMY (сине-зеленый, пурпурный, желтый). Эта системашироко применяется в живописи и полиграфии. Та же система широко применяется и в постановочном освещении. Только в отличии от живописи, где «смешиваются» (на самом деле вычитаются) пигменты, в постановочном свете эти цвета, в разных соотношениях вычитаются из белого цвета. И в том и в другом случае эти три основных цвета, задействованные на 100% каждый, в сумме дадут черный цвет. Чёрная краска в живописи и полностью темный луч в постановочном свете.

Понятие дополнительный цветбыло введено по аналогии с основным цветом.Было установлено, что оптическое смешение некоторых пар цветов может давать ощущение белого цвета. Так, в триаде основных цветов красный-зелёный-синий, дополнительными являются голубой-пурпурный-жёлтый.

На цветовом круге Гёте, эти цвета располагают оппозиционно, так что цвета обеих триад чередуются. В полиграфической практике в качестве основных цветов,  используют разные наборы основных цветов.

Восприятие цвета

С точки зрения физиологии, цвет — это субъективная характеристика, электромагнитного излучения оптического диапазона, которая определена физиологическим зрительным ощущением и определяемая на основании возникающего и зависящая от физических, физиологических и психологических факторов. Восприятие цвета определяется индивидуальностью человека, а также спектральным составом, цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света, а также несветящимися объектами.

Следует отличать отраженный цвет, как психофизиологическую характеристику объекта (бурый медведь, малиновый  автомобиль) и испускаемый цвет, как характеристику источника света (красный свет, зеленый свет). С точки зрения физиологии, существуют несколько взглядов на природу восприятия цвета.

Теории цветоощущения

Наибольшим признанием пользуется трехкомпонентная теория (Г. Гельмгольц), согласно которой цветовое восприятие обеспечивается тремя типами колбочек с различной цветовой чувствительностью. Одни из них чувствительны к красному цвету,другие – к зеленому,а третьи – к синему.Всякий цвет оказывает действие на все три цветоощущающих элемента, но в разной степени. Эта теория прямо подтверждена в опытах, где измеряли поглощение излучений с разной длиной волны у одиночных колбочек сетчатки человека. Согласно другой теории, предложенной Э. Герингом,в колбочках есть вещества, чувствительные к бело-черному, красно-зеленому и желто-синему излучениям. В опытах, где микроэлектродом отводили импульсы  клеток сетчатки животных при освещении монохроматическим светом, обнаружили, что разряды большинства нейронов  возникают при действии любого цвета. В других клетках-модуляторах импульсы возникают при освещении только одним цветом. Выявлено 7 типов модуляторов, оптимально реагирующих на свет с разной длиной волны (от 400 до 600 нм).

В сетчатке и зрительных центрах найдено много, так называемых, цветооппонентных нейронов. Действие на глаз излучений в какой-то части спектра их возбуждает, а в других частях спектра-тормозит. Считают, что такие нейроны наиболее эффективно кодируют информацию о цвете.

На практике, если долго смотреть на окрашенный предмет, а затем перевести взор на белую бумагу, то тот же предмет виден окрашенным в дополнительный цвет . Причина этого явления в цветовой адаптации, т. е. снижении чувствительности к этому цвету. Поэтому из белого света как бы вычитается тот, который действовал на глаз до этого, и возникает ощущение дополнительного цвета. Такое явление вызывает последовательные цветовые образы.

Характеристики цвета

Прежде всего необходимо ещё раз подчеркнуть, что цвет это свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого, или видимого излучения. Цвет как явление изучается целым рядом наук. Поэтому изучению подлежат наблюдаемые цвета.

Цвет любого тела воспринимается нами благодаря тому, что тела пропускают или отражают часть световых лучей, падающих на них.

Поглощение и отражение лучей избирательно для каждого тела, так что мы видны цвет тела таким, который соответствует суммарному эффекту смешения между собой отдельных лучей, входящих в спектр.

Все цвета делятся на две группы. В первую входят белые, черные и все серые цвета — от самого светлого , до самого темного. Такие цвета называются ахроматическими.Ахроматические цвета различаются между собой только яркостью. Никакой другой характеристики они не имеют.

Во вторую группу входят все спектральные цвета, плюс — пурпурный, со всеми переходами между ними и всевозможными оттенками. Эти цвета называются хроматическими. Каждый хроматический цвет обладает тремя свойствами: цветовым тоном, светлотой и насыщенностью.0016.jpg

Цветовой тон — основная характеристика цвета, которую имеют в виду, называя цвет красным, синим и т. д. Цветовой тон может быть определен местом спектра,  наиболее подходящим к данному цвету.

Помимо цветового тона  цвета различаются по светлоте,  одни из них называются светлыми, а другие – темными.

Какую бы светлоту ни имел хроматический тон, всегда можно найти равный ему по светлоте ахроматический. Поэтому светлоту хроматического цвета характеризуют сравнением с ахроматическим.

Насыщенностью цвета называется степень отличия этого цвета от равного ему по светлоте ахроматического.

Наряду с предложенной существуют еще несколько характеристик цветов, оперирующих понятиями:

Оттенок, цветовой тон (цвет) – название цвета (красный, синий и т.д.).

Интенсивность – уровень концентрации цвета (преобладание того или другого тона).

Глубина – степень яркости или приглушенности тональности цвета.

Светлота – степень разбеленности (% присутствия в цвете белого и светло-серого тонов).

Насыщенность – % присутствия темно-серого и черного тонов.

Яркость – характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению.

Контрастность – отношение разности яркостей объекта и фона к их сумме.

Важным свойством цвета является его теплота. Группу красных, оранжевых, желтых и желто-зеленых цветов принято называть теплыми (по сходству с цветом солнца, огня ), а голубо-зеленые, голубьте, синие и фиолетовые цвета – холодными (по сходству со льдом, прохладной водой, небом и т.д.). Теплые цвета – ближние, холодные – дальние.

Внутри каждого цвета-тона, может присутствовать полутон– характеристика теплоты цвета, внутри одного тона: теплый красный или холодный красный.

Это деление условно. Всякий цвет может иметь разные оттенки и в сочетании с другими казаться теплее или холоднее. Например, красный цвет с легкой примесью синевы будет холоднее оранжево-красного; чем больше в зеленом принеси золотисто-желтого, тем теплее его оттенок; лимонно-желтый оттенок холоднее золотистого и т. д.

Характеризуя цвет, художники зачастую употребляют и такие термины как светосила, интенсивность, звучность, блеклость.

Видимый цвет зависит от характера освещения. Вечером при свете лампы все холодные цвета темнеют, причем голубые зеленеют, синие теряют свою насыщенность; красный цвет при электрическом освещении становится насыщеннее, оранжевый — краснеет, светло-желтый трудно отличить от белого, который желтеет. В целом искусственное освещение (в комнате) отличается от дневного красновато-желтым оттенком.

Человеческий глаз обладает неодинаковой чувствительностью к разному цвету с изменением условий естественного освещения. Так, например, днем, когда колбочки наиболее задействованы, желтые цвета глаз видит самыми светлыми. Красный и синий цвет, к примеру, цветок мака и василек, воспринимаются близкими по светлоте.

При наступлении сумерек, колбочки постепенно перестают реагировать, палочки, нечувствительные к свету,  начинают превалировать. Постепенно, глаз перестает различать цвета, начиная с красных; дольше всех видим синий свет. Поэтому в сумерках василек выглядит светлее мака, который кажется почти черным.

Важно обратить внимание, человеческое восприятие цвета субъективно, оно связано с бесконечно разнообразными условиями наблюдения натуры и индивидуальным творческим восприятием, поэтому полученными знаниями нельзя пользоваться механически.

Настроение цвета

Общеизвестно, что цвет влияет на настроение человека, оперируя цветом в искусстве мы оперируем настроением зрителя. Наряду с многими другими факторами, цвет управляет взглядом зрителя. Кроме того, цвет незаменимый помощник в процессе передачи нужного  настроения. Это свойство цвета обусловлено множеством причин: генетическими, физиологическими, эмпирическими, традиционными, религиозными и т. д.

Важно понимать что цвет обладает, вдобавок, менталитетом: он зависит от традиции, религиозных и географических особенностей восприятия: белый цвет в Европе — цвет чистоты, бога, мира. В восточных культурах – цвет смерти, несчастий и траура. Красный в Японии – жизнь, в Индии – чистота, а в Южной африке – траур.

Красный – активный, возбуждающий, желтый – радостный, солнечный, зеленый – жизненный, успокаивающий, голубой – прохладный, облегчающий и т.д.

Да, отдельные цвета влияют на настроение зрителя, но во сто крат больше на настроение оказывают воздействие, не столько отдельные цвета, сколько цветовые сочетания.

Сочетания цветов. Контраст. Цветовая  гармония. Колорит.

Конечно, все люди чувствуют по разному, но некоторые закономерности восприятия цветовых сочетаний всё-таки присутствуют в довольно сильной степени. Именно цветовая гармония определяет, какую реакцию у зрителя вызовет то или иное цветовое сочетание. Важно понимать, что эмоции настроения вызывает не только и не столько сюжет произведения, сколько его колорит.

Существует огромное количество таблиц, выведенных эмпирически, где различные сочетания, вызывают определённые эмоции и характерные признаки.

К примеру, красно-черная гармония агрессивна, желто-черная обозначает насилие, желто-синяя-умиротворенность, фиолетово-желтая навязчивую неприличную роскошь и т. д.

Конечно, мало толку будет взять подобную таблицу и автоматически её перенести на сцену, очень важны будут не только сочетания цвета, но и полутона сочетания, светлость, насыщенность и многие другие факторы. Важно чтобы цветная картинка не рассыпалась, а воспринималась, как единое целое. Для этого важно использовать один  объединяющий тон, чередование тонов, их ритм.

В общем, те закономерности, которые называют цветовой композицией. Используя яркость, светлоту и насыщенность цвета, можно умело направить взгляд зрителя в цветовой центр композиции.

Изучив колористику цвета более подробно, можно получить очень точный инструмент, позволяющий умело и относительно просто работать с цветом на сцене. Конечно, формат этого учебника не позволяет сделать это в полноценном объеме, но дает направление поиска.

Электротехника.

Электротехника является для любого художника по свету  фундаментальной дисциплиной, без тщательного изучения которой, в принципе  невозможна любая практическая деятельность.

Тщательное изучение основ электротехники выходит за пределы компетенции данного пособия, как по причине обширности материала, так и по причине доступности методически выверенных методических материалов по «Основам электротехники».

Читателям предлагается самостоятельно изучить следующие разделы электротехники:

Электрический заряд. Закон Кулона.

Электродвижущая сила.

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Электрический ток. Постоянный и переменный электрический ток.

Проводники. Диэлектрики.

Электрический ток в проводниках, газах, полупроводниках.

Закон Ома.

Сопротивление.

Сила тока.

Потребляемая мощность.

Последовательное и параллельное соединение проводников.

Электрические схемы.

Активная и индуктивная нагрузка.

Расчёты потребляемой мощности и нагрузки.

Крайне важно знать, что ни один осветитель не может быть допущен к самостоятельной практической деятельности без изучения и получения соответствующей группы допуска следующих дисциплин:

Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. (ПТБ).

Данные правила обязательны для всех потребителей электроэнергии независимо от их ведомственной принадлежности и форм собственности.

Свет в фотостудии. Урок 3

На этом уроке мы продолжим говорить о характеристиках света, о том, как их можно использовать в фотографии и вспомним законы физики.

Свет бывает естественный и искусственный — в зависимости от происхождения источника освещения. Так, естественный свет — это свет, излучаемый природными источниками. Прежде всего, к ним относятся огонь, солнце, луна и звезды.

Но в природе встречаются и более редкие источники видимого света. Например, светящиеся организмы, скопление которых может создавать световое пятно, достаточное для создания удивительных снимков.

Под естественный свет приходится скорее подстраиваться, чем управлять им: выбирать подходящее время суток и располагать модель относительно света, а не наоборот. Управлять естественным светом можно разве что при помощи отражателей, рассеивателей и проч., перенаправляя лучи света в нужном направлении. Исключением является огонь, которым человек успешно научился управлять — зажигать свечи, костры и факелы в любом количестве.

К искусственному освещению относится свет источников и приборов, созданных руками человека: лампы накаливания, вспышки, газовые фонари, люминесцентные лампы, свечение различных приборов, экранов и т. д. Искусственным светом, как правило, легче управлять: выбирать угол падения, интенсивность, включать или выключать источник.

С точки зрения фотографии можно выделить источники света, которыми фотограф может беспрепятственно управлять (вспышки, студийные осветители и др.) и те, к которым приходится приспосабливаться (солнечный свет, свет в общественном помещении, уличное освещение ночью).

И в том, и в другом случае нелишним будет знание правил распределения света в пространстве:

1. В природе света действует правило обратных квадратов. А именно: сила света обратно пропорционально квадрату расстояния. FL = 1 / s2 , где FL— сила света (интенсивность освещения), s — расстояние от источника освещения до объекта съемки. Так, если поставить вспышку на расстоянии 3 метра от модели, то сила света на таком расстоянии будет равна 1/9 исходной мощности импульса.

2. С увеличением расстояния от источника освещения площадь светового пятнаувеличивается.

3. С увеличением расстояния от источника свет становится более мягким.

4. Чем выше плотность вещества, через которое проходит свет, тем быстрее снижается сила света (т.е. тем сильнее он рассеивается).

А если применить эти знания в фотостудии, то мы можем прийти к практическим выводам:

1. Чем ближе модель к источнику света, тем меньшую экспозицию нужно выставлять(сильнее закрывать диафрагму или сокращать выдержку, либо и то, и другое).

2. Сначала при увеличении расстояния от источника сила света уменьшается очень быстро, затем этот процесс замедляется. Поэтому чем дальше вы расположите модель от источника света, тем большую свободу движений она будет иметь.

3. Для равномерного освещения нескольких объектов съемки располагайте источник освещения дальше от них. Например, при групповом портрете: чем больше людей вы снимаете, тем дальше нужно отодвигать осветительный прибор для равномерного освещения всех портретируемых.

4. Для получения более мягкого рисунка при отсутствии рассеивателей отодвиньте источник света подальше от модели.

5. При невозможности управлять мощностью источника освещения аппаратно (при помощи переключателей мощности импульса), можно просто отставить осветительный прибор дальше от модели.

6. При съемках в тумане или под водой источник света нужно подносить значительно ближе к объекту съемки для достижения сравнимого результата.

На следующем уроке мы разберем, что такое — цветовая температура и почему некоторые фотографии получаются желтыми, а некоторые синеголубыми.

Источник: http://photonews.ru

Как правильно рассчитать светодиодное освещения комнаты в квартире или доме

Как правильно рассчитать светодиодное освещения комнаты в квартире или доме

Светодиод или светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

При ремонте квартиры к вопросам расчёта освещения обычно относятся без особой ответственности, и устанавливают светильники, как хочется, прикидывая яркость света «на глаз». Однако освещение это важная часть любой стройки, как с дизайнерской, так и с инженерной точки зрения. Более того, существуют государственные документы, нормирующие эти вопрос, как например, СНИП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».

В этой статье пойдет речь о том, как рассчитать светодиодное освещение для дома. Хотя расчеты для производственных и других типов помещений, а также с применением других типов источников света, в общем аналогичны.

Освещенность и световой поток

Целью расчётов и проектирования освещения является достижение нормированной освещенности для определённого помещения. Для каждого помещения есть свой норматив освещенности. Её можно вычислить исходя из класса зрительной работы, то есть из того как много и с деталями какой величины вы будете работать, какой цвет фона на котором располагается деталь, цвет самой детали и другие факторы.

Обычно это пугает людей далёких от темы, но не переживайте мы не будем углубляться в такие дебри. Есть таблицы с усредненными, типовыми значениями освещенности для, каждого из типов помещений, поэтому можно ими воспользоваться, ниже приведена одна из таких таблиц.

Но знать необходимую освещенность недостаточно.

Во-первых, освещенность это величина светового потока на 1 кв. м. освещаемой площади. Она измеряется в Люксах (Лк). Есть и закон обратных квадратов, который гласит, что при удалении источника света на определённое расстояние освещенность освещаемой поверхности снижается в квадрат раз. Т.е. если настольную лампу поднять над столом на высоту 2 метра, то освещенность стола снизится в 2 в квадрате раза или в четыре раза.

Е=Ф/S,

где E – освещенность, Ф – световой поток, S освещаемая площадь.

Во-вторых, в технической документации или на упаковках источников света (ламп, светильников) указывают величину в Люменах (Лм) — так измеряют световой поток.

Типы, схемы освещения

Освещение может быть искусственным и естественным. Если на естественное освещение мы слабо можем влиять, то на искусственное — легко. В свою очередь, искусственное делят на три типа, иногда говорят три схемы освещения:

1. Общее. Когда нормированная освещенность на высоте рабочей поверхности достигается по площади всего помещения. Преимуществом этого типа является то, что вы получаете яркий свет во всей комнате, в некоторых случаях это же может являться и недостатком.

К недостаткам относят высокую первоначальную стоимость, ведь светильники и лампы такой мощности и в таких (в зависимости от площади) количествах нужно для начала купить, обслуживание (любые лампы рано или поздно сгорают и их нужно менять), а также энергопотребление мощной системы освещения.

2. Местное. Здесь нормированная освещенность достигается только по площади рабочей поверхности.

3. Комбинированное. Такой компромисс, когда рабочие поверхности освещаются местными светильниками, типа брат, настольных ламп и прочего, а проходы, остальное пространств комнаты освещается в разы слабее потолочными светильниками (люстрами, если говорить о жилой комнате).

Расчёт освещенности

Точность расчетов освещения, как обычно, зависит от их сложности, но в большинстве случаев можно пользоваться описанным ниже методом расчёт освещения по коэффициенту использования светового потока. Также стоит отметить, что на количество светильников влияет не только излучаемый ими световой поток, но и форма распределения света.

Если рассуждать просто, то парой направленных источников света вы не добьетесь равномерного освещения, в лучшем случае получите пару мощных пучков света и отраженный от стен рассеянный свет. А вот если светильники дают рассеянный примерно равномерный свет во все стороны, то добьетесь очень легко и равномерной освещенности.

Допустим, что мы рассчитываем освещение гостиной, из таблицы, приведённой в начале статьи видно, что нормированная освещенность должна быть 450 Лк. Для гостиной лучше использовать общую схему освещения, ведь локальные пересветы вряд ли добавят интерьеры красоты, а освещению функциональности.

Исходя из формулы:

E = Ф/S

Выразим необходимый световой поток:

Ф = E*S

А так также введем два коэффициента, один поправочный, связанный с высотой потолков, а второй тоже поправочный, но связанный с типом источников света.

Если высота потолков до 2.7 метров – то Кз1 = 1, если от 2.7 до 3 – то Кз1=1.2. Для светодиодных ламп Кз2=1.1-1.2, возьмем 1.2, этот коэффициент предусматривает снижение светового потока от светодиодных ламп в течение срока их эксплуатации.

Допустим, что наша гостиная следующих размеров – 3х4м с потолками высотой в 2.7 метра. Тогда:

Ф=450Лк*12кв.м*1*1.2 = 6480 Лм

То есть нам нужен такой источник света, чтобы обеспечить световой поток 5400 Лм. У светодиодных ламп в среднем светоотдача находится на уровне 80-120 Лм/Вт, возьмем усреднено 100 лм/Вт, тогда нам нужно 54 Вт светодиодного света.

С первого взгляда может показаться, что это много, но фактически вы можете добиться, установив 5 ламп на 12-14 Вт в люстру с пятью рожками. А ведь согласитесь, что в гостиной таких размеров, такая люстра отлично впишется, и будет создавать достаточное количество света.

Мы привели пример на первой попавшейся нам люстре. Однако для подбора количества светильников и количества ламп в них есть и другой, более технический метод.

Примем за N – количество светильников, n – количество ламп.

Чтобы посчитать, сколько светильников со светодиодными лампами нужно разместить в комнате, нужно определиться с его световым потоком. Здесь есть два варианта.

1. Если вы будете вешать готовые светильники, где лампы не заменяются, то нужно посмотреть документацию на него, или найти такой же в любом интернет магазине и посмотреть его световой поток, также это должно быть написано на упаковке. Для примера возьмем вот такие врезные светильники, их заявленная мощность 12Вт, а световой поток при этом 1000 Лм.

Тогда: N = Фобщее/Фсветильника

N = 6480/1000 = 6.48 светильников

Здесь лучше округлить в большую сторону, тогда нужно приобрести и установить 7 светодиодных светильников.

2. Если у вас уже есть люстра с несколькими рожками, например с пятью, то вы можете рассчитать, лампы, какой мощности нужно вкрутить в неё:

w = Фобщ/(кол-во рожков*100)

Фобщ – общий световой поток, который мы рассчитали выше – 6480, w – мощность лампы, 100 – это количество Лм/Вт выдаваемые светодиодами

W = 6480/5*100 =12.96

В принципе, мощность ламп совпала, выше мы примерно указали 12-14 Вт. Расчеты верны.

В приведенных расчетах мы не учитывали коэффициентов отражения, это приблизительные величины позволяющие оценить примерное количество света которое нужно для ламп. Я нарочно опустил эту информацию, исходя из того, что вряд ли кто-то будет так серьезно подходить к расчету освещения для дома, а выбрать светильник и лампы такой расчет поможет.

Автоматизация расчетов освещения

В 21 век, большую часть проектной работы автоматизировали, для ПК есть большое количество программного обеспечения. Его называют «системы автоматизированного проектирования» или сокращенно САПР.

И для освещения есть отличные решения, например, программа Dialux поможет рассчитать светодиодное и другие типы освещения, кроме того в ней есть примеры готовых проектов, сильной стороной этой программы является визуализация примерного итогового результата, если вам интересно, пишите в комментариях и мы сделаем подробный обзор этого ПО. В этом видео продемонстрирована работа в Dialux.

Для проверки расчетов можно использовать онлайн-калькулятор. Их множество в сети.

Кстати, наши расчеты оказались достаточно точны, и количество светильников совпало, я выбрал подобные светильники тем, что приведены в примере.

Ранее ЭлектроВести писали, что сейчас производители смартфонов и смарт-часов вынуждены адаптировать дизайн устройств под параметры аккумуляторов. Скоро об этом можно будет забыть: аккумулятор любой формы можно создать при помощи дешевого 3D-принтера, используя полимерные «чернила» с функцией проводимости.

По материалам: electrik.info.

Типы света — UWP applications



  • Чтение занимает 4 мин

В этой статье

Свойство типа освещения определяет, какой тип источника света вы используете.The light type property defines which type of light source you’re using. В Direct3D существует три типа источников света — точечные, прожекторные и направленные.There are three types of lights in Direct3D — point lights, spotlights, and directional lights. Каждый тип по-разному освещает объекты в сцене и вносит различные объемы вычислительной нагрузки.Each type illuminates objects in a scene differently, with varying levels of computational overhead.

Точечный светPoint Light

Точечные источники света имеют цвет и расположение в сцене, но не имеют определенного направления.Point lights have color and position within a scene, but no single direction. Они излучают свет равномерно во всех направлениях, как показано на следующем рисунке.They give off light equally in all directions, as shown in the following illustration.

Хорошим примером точечного источника света является лампа накаливания.A light bulb is a good example of a point light. Точечные источники света обладают свойствами затухания и дальности действия и освещают сетку по принципу вершина за вершиной.Point lights are affected by attenuation and range, and illuminate a mesh on a vertex-by-vertex basis. Во время освещения Direct3D использует расположение точечного источника света в пространстве и координаты освещаемых вершин, чтобы рассчитать вектор направленности освещения и расстояние, которое свет преодолевает.During lighting, Direct3D uses the point light’s position in world space and the coordinates of the vertex being lit to derive a vector for the direction of the light, and the distance that the light has traveled. Оба этих параметра используются вместе с нормалью вершины, чтобы вычислить вклад этого источника света в освещенность определенной поверхности.Both are used, along with the vertex normal, to calculate the contribution of the light to the illumination of the surface.

Направленный светDirectional Light

Направленные источники света имеют только цвет и направление и не имеют расположения.Directional lights have only color and direction, not position. Они излучают параллельный свет.They emit parallel light. Это означает, что весь излучаемый направленными источниками свет проходит через сцену в одном направлении.This means that all light generated by directional lights travels through a scene in the same direction. Представить себе направленный источник света можно как очень сильно удаленный источник света, такой как солнце.Imagine a directional light as a light source at near infinite distance, such as the sun. Направленные источники света не имеют свойств затухания и дальности действия, поэтому при расчете цветов вершин в качестве коэффициентов Direct3D использует только заданные вами свойства направления и цвета.Directional lights are not affected by attenuation or range, so the direction and color you specify are the only factors considered when Direct3D calculates vertex colors. Из-за небольшого количества коэффициентов освещения эти источники света являются наименее сложными в вычислениях.Because of the small number of illumination factors, these are the least computationally intensive lights to use.

SpotLightSpotLight

Прожекторные источники света имеют свойства цвета, расположения и направления, в котором они светят.Spotlights have color, position, and direction in which they emit light. Свет, излучаемый прожекторным источником, состоит из яркого внутреннего конуса и более крупного внешнего конуса, а интенсивность света уменьшается от одного к другому, как показано на следующем рисунке.Light emitted from a spotlight is made up of a bright inner cone and a larger outer cone, with the light intensity diminishing between the two, as shown in the following illustration.

Прожекторы имеют свойства ослабления, затухания и дальности действия.Spotlights are affected by falloff, attenuation, and range. Эти факторы, а также расстояние, которое свет преодолевает до каждой вершины, учитываются при расчете эффектов освещения для объектов в сцене.These factors, as well as the distance light travels to each vertex, are figured in when computing lighting effects for objects in a scene. Вычисление этих эффектов для каждой вершины делает прожекторы наиболее сложными из всех источников света в Direct3D.Computing these effects for each vertex makes spotlights the most computationally time-consuming of all lights in Direct3D.

Значения ослабления, тета и фи используются только прожекторными источниками.Falloff, Theta, and Phi values are used only by spotlights. Эти значения определяют размер внутренних и внешних конусов света на объекте, а также то, как свет ослабляется при переходе от одного к другому.These values control how large or small a spotlight object’s inner and outer cones are, and how light decreases between them.

Тета — это угол для внутреннего конуса освещения в радианах, а фи — это угол для внешнего конуса освещения прожектора.Theta is the radian angle of the spotlight’s inner cone, and the Phi value is the angle for the outer cone of light. Ослабление определяет, как снижается интенсивность освещения при переходе от внешнего края внутреннего конуса к внутреннему краю внешнего конуса.Falloff controls how light intensity decreases between the outer edge of the inner cone and the inner edge of the outer cone. В большинстве приложений задается значение ослабления 1,0 для создания равномерного ослабления на переходе между двумя конусами, но при необходимости можно задать другие значения.Most applications set Falloff to 1.0 to create falloff that occurs evenly between the two cones, but you can set other values as needed.

На следующем рисунке показана связь между этими значения и тем, как они влияют на внутренние и внешние конусы прожектора.The following illustration shows the relationship between these values and how they can affect a spotlight’s inner and outer cones of light.

Прожекторы излучают свет, состоящий из двух частей: яркий внутренний конус и внешний конус.Spotlights emit a cone of light that has two parts: a bright inner cone and an outer cone. Самый яркий свет попадает во внутренний конус, а за пределами внешнего конуса свет отсутствует; между этими двумя областями интенсивность света ослабляется.Light is brightest in the inner cone and isn’t present outside the outer cone, with light intensity attenuating between the two areas. Этот тип снижения интенсивности обычно называется ослаблением.This type of attenuation is commonly referred to as falloff.

Количество света, который получает вершина, основано на расположении вершины во внутреннем или внешнем конусе.The amount of light a vertex receives is based on the vertex’s location in the inner or outer cones. Direct3D вычисляет скалярное произведение вектора направления прожектора (L) и вектора от источника света до вершины (D).Direct3D computes the dot product of the spotlight’s direction vector (L) and the vector from the light to the vertex (D). Это значение равно косинусу угла между двумя векторами и служит индикатором расположения вершины, его можно сравнить с углами конуса света, чтобы определить, находится ли вершина во внутреннем или внешнем конусе.This value is equal to the cosine of the angle between the two vectors, and serves as an indicator of the vertex’s position that can be compared to the light’s cone angles to determine where the vertex might lie in the inner or outer cones. На иллюстрации ниже представлено графическое изображение отношения между этими двумя векторами.The following illustration provides a graphical representation of the association between these two vectors.

Система сравнивает это значение с косинусом углов внутреннего и внешнего конусов прожектора.The system compares this value to the cosine of the spotlight’s inner and outer cone angles. Значения тета и фи источника света представляют суммарные значения углов конуса для внутреннего и внешнего конусов.The light’s Theta and Phi values represent the total cone angles for the inner and outer cones. Поскольку ослабление происходит по мере удаления вершины от центра освещенности (а не по всему углу конуса), среда выполнения делит эти углы конуса пополам перед расчетом их косинусов.Because the attenuation occurs as the vertex becomes more distant from the center of illumination (rather than across the total cone angle), the runtime divides these cone angles in half before calculating their cosines.

Если скалярное произведение векторов L и D меньше либо равно косинусу угла внешнего конуса, вершина находится за пределами внешнего конуса и не получает света.If the dot product of vectors L and D is less than or equal to the cosine of the outer cone angle, the vertex lies beyond the outer cone and receives no light. Если скалярное произведение векторов L и D больше косинуса угла внутреннего конуса, значит, вершина находится в пределах внутреннего конуса и получает максимальное количество света с учетом затухания по мере удаления.If the dot product of L and D is greater than the cosine of the inner cone angle, then the vertex is within the inner cone and receives the maximum amount of light, still considering attenuation over distance. Если вершина находится где-то между двумя этими областями, ослабление рассчитывается по следующему уравнению.If the vertex is somewhere between the two regions, then falloff is calculated with the following equation.

Где:where:

  • If — интенсивность света после ослабленияIf is light intensity after falloff
  • Альфа — это угол между векторами L и DAlpha is the angle between vectors L and D
  • Тета — это угол внутреннего конусаTheta is the inner cone angle
  • Фи — это угол внешнего конусаPhi is the outer cone angle
  • p — значение ослабленияp is the falloff

Эта формула выдает значение от 0,0 до 1,0, которое определяет интенсивность света на вершине с учетом ослабления.This formula generates a value between 0.0 and 1.0 that scales the light’s intensity at the vertex to account for falloff. Также применяется значение затухания, которое зависит от расстояния между вершиной и источником света.Attenuation as a factor of the vertex’s distance from the light is also applied. На следующем графике показано, как различные значения ослабления могут влиять на кривую ослабления.The following graph shows how different falloff values can affect the falloff curve.

Влияние различных значений ослабления на фактическое освещение довольно умеренное, и небольшое снижение производительности вызывается при расчете кривой для значений ослабления, отличных от 1,0.The effect of various falloff values on the actual lighting is subtle, and a small performance penalty is incurred by shaping the falloff curve with falloff values other than 1.0. По этим причинам это значение обычно устанавливается равным 1,0.For these reasons, this value is typically set to 1.0.

Источники света и материалыLights and materials



Понимание закона обратных квадратов света

В этом сообщении в блоге я хотел бы поделиться с вами некоторыми мыслями о связи между диафрагмой и законом обратных квадратов света, а также их влиянием на ослабление света.

Позвольте мне облегчить вас в этой теме, объяснив сначала диафрагму.

Число ступеней диафрагмы (число ступеней f)

Переключение с максимальной диафрагмы на следующую меньшую уменьшает количество падающего света, попадающего в ваш объектив.Кроме того, диаметр апертуры каждый раз уменьшается в 1 / √2 раза, что также сокращает поверхность линзы и, следовательно, количество света вдвое.

Благодаря этой градации мы просто настраиваем выдержку и диафрагму в соответствии с существующим освещением: каждое f-число (f-ступень) является результатом предыдущего, умноженного на √2 (что составляет 1,414). Мы округляем результат до 1,4, чтобы, например, апертура 4 — согласно расчету 4 x 1,4 — превратилась в следующее более высокое значение диафрагмы 5.6.

Вот отрывок из этой хорошо известной последовательности, который гласит:

f / 1 f / 1,4 f / 2 f / 2,8 f / 4 f / 5,6 f / 8 f / 11 f / 16 f / 22 f / 32

В редких случаях есть также макрообъективы с максимальным числом f 45. Поскольку макрообъективы часто располагаются очень близко к объекту, большое число f позволяет достичь хорошей глубины резкости (несмотря на близость) .

Закон света обратных квадратов

Мы создаем идеальное освещение для каждого сценария с помощью закона обратных квадратов.Закон обратных квадратов работает следующим образом: если вы удвоите расстояние между объектом и источником света, он осветит площадь поверхности в четыре раза больше, чем раньше.

В общем, мы умножаем расстояние на себя, чтобы вычислить увеличение этой площади поверхности. Однако большая площадь поверхности приводит к интенсивности света, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния, поскольку такое же количество света должно быть соответственно распределено на большей площади поверхности.

Таким образом, мы видим спад света, что означает уменьшение силы света.

С технической точки зрения закон обратных квадратов гласит следующее: энергия (в нашем случае: сила света) в точке A (предметная область) уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния A до источника энергии (например, нашей головки вспышки). ).

Чтобы записать закон обратных квадратов (его формулу), требуются только некоторые базовые математические знания. Однако физика, лежащая в основе этого, обычно очень сложна.Поэтому мы собираемся подойти к этому закону только иллюстративно и с точки зрения фотографии. По этой причине мы имеем в виду экспозицию датчика изображения или пленки и освещение объекта. При использовании вспышки и прожектора особенно удобен закон обратных квадратов.

Интенсивность света, например, увеличивается в четыре раза (4) при уменьшении вдвое (1/2) расстояния до источника света и объекта. Соответственно, если вдвое увеличить расстояние, то интенсивность света снизится на четверть.В соответствии с этим эти примерные пары цифр действительны (расстояние: 3-кратное; интенсивность: 1/9) и (4; 1/16), если мы умножаем расстояние соответственно.

В общем, закон обратных квадратов объясняет непропорциональное ослабление света с увеличением расстояния от объекта до источника света. Эти знания помогают нам лучше понять, как соотносить свет и освещение с расстоянием до объекта и его яркостью.

Практическое применение

Из-за отношения обратных квадратов описанного закона интенсивность света довольно сильно падает, когда объект впервые перемещается дальше от источника света.После этого он постоянно уменьшается на более слабом уровне. Например: если мы увеличим расстояние между источником света и объектом с 1 метра до 2 метров, 75 процентов интенсивности света будет потеряно на объекте. Но когда мы увеличиваем расстояние с 4 до 10 метров, мы теряем всего 5 процентов.

Таким образом, интенсивность света вблизи источника света имеет особенно высокие значения. Но на расстоянии эта интенсивность достигает лишь крошечного значения. Вот как мы создаем подходящее освещение: при постоянной выдержке значение f увеличивается, чем ближе объект приближается к источнику света — чем меньше диафрагма, тем меньше света попадает в камеру.

И наоборот: значение f уменьшается по мере увеличения расстояния от объекта до источника света. В обоих случаях соответствующие снимки выглядят почти одинаково: просто потому, что через объектив проходит одинаковое количество света.

Вот как мы теоретически создаем правильное значение f для каждой комбинации расстояния, интенсивности света и выдержки.

Освещение только одного объекта

Для статичных объектов достаточно одного фиксированного значения f. Однако для движущихся объектов требуются гибкие значения f, особенно когда они находятся очень близко к источнику света: из-за закона обратных квадратов небольшое изменение расстояния до источника света приводит к резкому изменению освещения.В свою очередь, одного фиксированного значения f достаточно для объекта, находящегося на большом расстоянии, даже если он перемещается в более крупном масштабе.

Освещение нескольких предметов

Иногда все объекты расположены довольно близко к источнику света в виде прожектора или чего-то подобного. В таких случаях передний объект может быть переэкспонирован, тогда как задний объект остается недоэкспонированным.

Например, три объекта, расположенные друг за другом, пересекают значения f в диапазоне от f / 22 до f / 11.Есть простое решение этой проблемы, которое позволяет равномерно освещать все объекты: просто поместите все объекты подальше от источника света. Таким образом, их относительные размеры по отношению друг к другу остаются одинаковыми, и всем им требуется только одно и то же значение f для хорошей экспозиции, например, f / 4.

Вы можете очень хорошо увидеть различия в нашем примере ниже. Если освещение расположено на расстоянии 8 метров от первой модели, падение света для 4-й модели составляет всего около 2/3 ступени.Однако, если вы разместите источник света всего в 2 метрах, разница в яркости между 1-й и 4-й моделями составит в общей сложности 2 1/3 ступени (например, f-ступень 8 -> 3,5)!

Особая задача: правильное освещение фона

В наших изображениях мы, конечно же, часто также хотим видеть контрасты вместо однородной яркости: нам нужны более светлые и более темные части изображения. Например, нам нужен достаточно темный фон, на котором наша привлекательная модель будет правильно и ярко освещена — близко к источнику света! Квадратичное ослабление света на более удаленном фоне приводит к недоэкспонированному и, следовательно, темному фону.Вот как сильный контраст работает в наших интересах благодаря закону обратных квадратов.

В свою очередь, мы также используем этот «закон обратных квадратов», когда мы хотим, чтобы модель и фон были равномерно и хорошо освещены: затем мы помещаем источник света на значительном расстоянии как от модели, так и от фона — таким образом мы добиваемся очень равномерного освещения. освещение.

Как вы можете видеть в примере ниже, уже достаточно разместить источник света на расстоянии 4 метров от модели, чтобы равномерно осветить и модель, и фон.Теперь разница между моделью и фоном составляет всего 2/2 ступени. Если бы модель все же была помещена ближе к фону, падение света можно было бы еще больше уменьшить.

Между прочим, если источник света расположен слишком близко к модели (здесь всего 1 метр), как показано в верхнем примере, падение света на тело модели уже настолько велико, что — в случае всего тела выстрел — ноги будут недоэкспонированы. Поэтому такое позиционирование стоит учитывать только при портретной съемке.

Соединение между головкой вспышки, выходом, ISO и диафрагмой

Чтобы увидеть зависимости еще лучше, мы установили как можно больше значений относительно друг друга, как показано на графической иллюстрации ниже.

Мы предполагаем головку вспышки мощностью 1000 Вт с гигантским диапазоном управления 1-10. Диафрагма и значение ISO были выбраны для примера, чтобы показать зависимость между этими цифрами. Значение ISO или диафрагмы (то есть только одно из этих двух значений) необходимо устанавливать в соответствии с таблицей, чтобы всегда обеспечивать одинаковую освещенность (яркость) объекта во время регулировки регулятора мощности вспышки.

Что сразу бросается в глаза, так это то, что выходная мощность головки вспышки (ватт / секунды) должна удваиваться за каждую диафрагму. Таким образом, выходная мощность в верхнем диапазоне от 9 до 10 увеличивается в общей сложности на 500 Вт, тогда как выходная мощность в нижнем диапазоне между 1 и 2 изменяется только на прибл. 0,2 Вт. Теперь, взглянув на эти довольно резкие различия в мощности, вы поймете, какой огромной работы потребовались производители головок вспышек, чтобы сделать все возможное с такой выдающейся точностью.

Заключение

Итак, о чем нужно обязательно помнить?

Относительно диафрагмы: разница от одной диафрагмы к другой всегда приводит либо к удвоению, либо к уменьшению вдвое яркости. Для головки вспышки это также всегда означает удвоение или уменьшение вдвое мощности (Ws). Например, если мощность вспышки изменяется с 5 на 6, то это в точности равно одной диафрагме.

Относительно расстояния: если объект расположен близко к источнику света, падение света на этом объекте очень велико по сравнению с фоном.Падение света на площадь! При удвоении расстояния до объекта требуется в 4 раза больше световой энергии, чтобы сбалансировать разницу в яркости.

Удвоение / уменьшение расстояния вдвое всегда равно 2 диафрагмам относительно разницы яркости!

Более длинное расстояние между источником света и объектом приводит к более равномерному освещению как объекта, так и фона, поскольку падение света продолжает уменьшаться с увеличением расстояния. Поэтому этот эффект имеет огромное влияние на дизайн освещения.


П.С. Вы можете поэкспериментировать с расстояниями, диафрагмой и светоотдачей в set.a.light 3D, который был представлен здесь еще в 2013 году. Оно того стоит! Как только вы полностью поймете корреляцию между расстоянием, диафрагмой и падением света, вы можете легко использовать эти эффекты, чтобы улучшить свой дизайн освещения и выборочно управлять им.


Об авторе: Йоханнес Даунер — основатель и генеральный директор Elixxier, компании-разработчика программного обеспечения, стоящей за set.a.light 3D, которая позволяет фотографам планировать технические детали фотосессии в виртуальной среде.Эта статья также была опубликована здесь.

Светимость и кажущаяся яркость | Астрономия 801: планеты, звезды, галактики и Вселенная

Дополнительная литература с сайта www.astronomynotes.com


Возможно, самым простым измерением звезды является ее видимая яркость. Я намеренно осторожен в выборе слов. Когда я говорю «кажущаяся яркость», я имею в виду, насколько яркой кажется звезда для детектора здесь, на Земле. С другой стороны, яркость звезды — это количество света, которое она излучает с ее поверхности.Разница между светимостью и видимой яркостью зависит от расстояния. Другой способ взглянуть на эти величины состоит в том, что светимость является внутренним свойством звезды, а это означает, что каждый, у кого есть какие-либо средства измерения светимости звезды, должен найти одно и то же значение. Однако видимая яркость не является внутренним свойством звезды; это зависит от вашего местоположения. Таким образом, все будут измерять различную видимую яркость одной и той же звезды, если все они находятся на разном расстоянии от этой звезды.

Для аналогии, с которой вы знакомы, снова рассмотрим фары автомобиля. Когда автомобиль находится далеко, даже если включен дальний свет, свет не будет слишком ярким. Однако, когда машина проезжает мимо вас в пределах 10 футов, ее огни могут казаться ослепляюще яркими. Если подумать об этом по-другому, учитывая два источника света с одинаковой яркостью, более близкий источник света будет казаться ярче. Однако не все лампочки имеют одинаковую яркость. Если вы поместите автомобильную фару на расстоянии 10 футов, а фонарик — на расстоянии 10 футов, фонарик будет казаться более тусклым, потому что его яркость меньше.

Звезды имеют широкий диапазон видимой яркости, измеренной здесь, на Земле. Изменение их яркости вызвано как изменением их яркости, так и изменением расстояния до них. По своей природе тусклая ближайшая звезда может казаться нам на Земле такой же яркой, как и сама по себе светящаяся далекая звезда. Существует математическая зависимость, которая связывает эти три величины — видимую яркость, светимость и расстояние для всех источников света, включая звезды.

Почему источники света кажутся слабее в зависимости от расстояния? Причина в том, что по мере того, как свет движется к вам, он распространяется и покрывает большую площадь.Эта идея проиллюстрирована на этом рисунке:

Рис. 4.5: Закон обратных квадратов

Опять же, подумайте о светимости — энергии, излучаемой звездой в секунду, — как о внутреннем свойстве звезды. Вы можете представить себе, как эта энергия излучается, проходя через сферические оболочки с центром в звезде. На изображении выше вся сферическая оболочка не проиллюстрирована, а только небольшой участок. Каждая оболочка должна получать от звезды одинаковое общее количество энергии в секунду, но, поскольку каждая последующая сфера больше, свет, падающий на отдельную часть более удаленной сферы, будет разбавлен по сравнению с количеством света, падающим на отдельную часть близлежащая сфера.Величина разбавления связана с площадью поверхности сфер, которая определяется по формуле:

A = 4 π d2 Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации». .

Насколько ярким будет тот же источник света наблюдателям, прикрепленным к сферической оболочке с радиусом в два раза большим, чем первая оболочка? Поскольку радиус первой сферы равен d, а радиус второй сферы будет 2 x d, это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации». , то площадь поверхности большей сферы больше в 4 раза = (22) Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. См. Технические требования в разделе «Ориентация» для получения списка совместимых браузеров. Если вы утроите радиус, площадь поверхности большей сферы увеличится в 9 раз = (32) Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации».. Поскольку одинаковое общее количество света освещает каждую сферическую оболочку, свет должен распространяться, чтобы покрыть в 4 раза большую площадь для оболочки, в два раза большего радиуса. Свет должен распространяться, чтобы покрыть в 9 раз большую площадь, если радиус снаряда в три раза больше. Таким образом, источник света будет казаться в четыре раза слабее, если вы будете вдвое дальше от него, чем кто-либо другой, и он будет казаться в девять раз слабее, если вы будете в три раза дальше от него, чем кто-либо другой.

Таким образом, уравнение для видимой яркости источника света определяется как значение светимости, деленной на площадь поверхности сферы с радиусом, равным вашему расстоянию от источника света, или

F = L / 4 π d2 Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации». , где d — ваше расстояние от источника света.

Кажущуюся яркость часто называют потоком и обозначают сокращенно F (как я сделал выше). На практике поток выражается в единицах энергии в единицу времени на единицу площади (например, Джоули / секунда / квадратный метр). Поскольку светимость определяется как количество энергии, излучаемой объектом, она выражается в единицах энергии в единицу времени [e.г., Джоуль / секунда (1 Джоуль / секунда = 1 Ватт) Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации». ]. Расстояние между наблюдателем и источником света равно d и должно указываться в единицах расстояния, например, в метрах. Вы, вероятно, знакомы со светимостью лампочек, выраженной в ваттах (например, лампочка мощностью 100 Вт), и поэтому вы могли бы, например, называть Солнце имеющим светимость 3,9 x 1026 Вт. Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимый браузер.Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации». . При таком значении яркости Солнца и принятии расстояния от Солнца до Земли 1 а.е. = 1,5 x 1011 м. Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации». , вы можете рассчитать поток, получаемый на Земле Солнцем, который составляет:

F = 3,9 x 1026 Вт / 4 π (1,5 x 1011 м) 2 = 1379 Вт на квадратный метр Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. В разделе «Технические требования в ориентации».

Это значение обычно называют солнечной постоянной. Однако, как вы могли догадаться, поскольку расстояние между Землей и Солнцем меняется, а яркость Солнца меняется в течение солнечного цикла, существует разброс в несколько процентов вокруг среднего значения солнечной «постоянной» во времени.

Как рассчитать освещенность | Sciencing

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор S. Hussain Ather

При установке лампочек или регулировке яркости экрана компьютера понимание яркости света может помочь вам определить, насколько они эффективны.

Освещенность поверхности, отличная от яркости, измеряет, сколько света падает на нее, а яркость — это количество света, отраженного или испускаемого от нее. Четкое понимание терминологии, касающейся яркости и электричества, может помочь вам принять более правильные решения.

Расчет освещенности

Освещенность измеряется как количество света, падающего на поверхность, в фут-канделах или люксах. 1 люкс (единица СИ) равен примерно 0.0929030 фут-свечи. 1 люкс также равен 1 люмен / м 2 , в котором люмен является мерой светового потока, количество видимого света, излучаемого источником в единицу времени, а 1 люкс также равен 0,0001 фот (ph). Эти устройства позволяют использовать широкий диапазон шкал для определения освещенности для различных целей.

Вы можете рассчитать освещенность E относительно светового потока «фи» Φ, используя

E = \ frac {\ Phi} {A}

над заданной областью A. Это уравнение обозначает световой поток с Φ, тем же символом для магнитного потока, и показывает сходство с уравнением для магнитного потока

\ Phi = BA

для площади поверхности, параллельной магниту A, и напряженности магнитного поля. Б.Это означает, что освещенность параллельна магнитному полю в том смысле, как его рассчитывают ученые и инженеры, и вы можете преобразовать единицы освещенности (поток / м 2 ) непосредственно в ватты, используя интенсивность (в канделах).

\ Phi = I \ times \ Omega

для потока Φ, интенсивности I и углового диапазона «Ом» Ω для углового диапазона в стерадиане (ср) или квадратном радианах и полном сфера имеет угловой размах 4π. Свет, рассчитанный по освещенности, падает на поверхность и распространяется, заставляя объект становиться ярким, поэтому освещенность можно использовать в качестве меры яркости.

Например: освещенность на поверхности составляет 6 люкс, а поверхность находится на расстоянии 4 метров от источника света. Какова интенсивность источника?

Поскольку свет распространяется по излучающей схеме, вы можете представить, что источник света — это центр сферы с радиусом, равным расстоянию между источником света и объектом. Это означает, что соответствующая площадь поверхности для использования — это площадь поверхности сферы, которая соответствует этому расположению.

Умножение площади поверхности сферы на радиус 4 как 4π4 2 м 2 на освещенность 6 люмен / м 2 дает 1206.37 люмен потока Φ. Свет распространяется прямо на поверхность, поэтому угловой размах Ω составляет 4π кандел, а при Φ = I x Ω интенсивность I составляет 15159,69 люмен / м 2 .

Расчет других значений

Кандела, используемая в угловом диапазоне, используется для измерения количества света, излучаемого источником света в диапазоне в трехмерном диапазоне. Как показано в примере, угловой диапазон измеряется через стерадиан по площади поверхности, на которую распространяется свет.Стерадиан полной сферы составляет 4π кандел. Не перепутайте люкс и канделу.

В то время как кандела — это измерение углового диапазона, люкс — это освещенность самой поверхности. В точках, более удаленных от источника света, уровень люкс ниже, поскольку до этой точки может попасть меньше света. Это важно в реальных приложениях и точных расчетах, которые должны учитывать точный источник света, который может быть, например, в вольфрамовой проволоке лампочки, а не в самой лампочке.Для небольших лампочек, таких как определенные светодиодные источники света, расстояние может быть более незначительным в зависимости от масштаба ваших расчетов.

Один стерадиан сферы радиусом в один метр охватывал бы поверхность размером 1 м 2 . Вы можете получить это, зная, что полная сфера покрывает 4π кандел, поэтому для площади поверхности в 4π (от 4πr 2 с радиусом 1) стерадиан, поверхность, которую эта сфера будет покрывать, составляет 1 м. 2 . Вы можете использовать эти преобразования, вычислив реальные примеры лампочек и свечей, излучающих свет, используя площадь поверхности сферы для учета геометрии света.Затем их можно связать с яркостью.

В то время как освещенность измеряет свет, падающий на поверхность, яркость — это свет, излучаемый или отраженный этой поверхностью в канделах / м 2 или «нитах». Значения яркости L и люкс E связаны через идеальную поверхность, излучающую весь свет, уравнением E = L x π.

Использование таблицы измерения люкс

Если вам может показаться сложным иметь столько разных способов измерения одних и тех же величин, онлайн-калькуляторы и диаграммы выполняют вычисления для преобразования между разными единицами, чтобы упростить задачу.RapidTables предлагает калькулятор люмен в ватт, который рассчитывает мощность для различных стандартов освещения. В таблице на веб-сайте показаны эти значения, поэтому вы можете увидеть, как они соотносятся друг с другом. Обратите внимание на единицы люмен и ватт при выполнении этих преобразований, которые также используют световую отдачу по «eta» η.

EngineeringToolBox также предлагает методы расчета освещенности и освещенности для эталонов лампочек и ламп вместе с таблицей измерения люкс. Освещение — это еще один метод расчета освещенности, в котором используются электрические эталоны лампы или источника света вместо экспериментальных измерений испускаемого света.Он задается уравнением для освещения I как

I = \ frac {L_I \ timesC_u \ timesL_ {LF}} {A_I}

для яркости лампы L l (в люменах), коэффициента использования C u , коэффициент световых потерь L LF и площадь лампы A l (в м 2 ).

Эффективность освещения

Согласно расчетам веб-сайта RapidTables, световая эффективность излучения является обычным способом описания того, как лампочка или другой источник света хорошо использует свои энергетические ресурсы, но это официальный метод определения эффективности света. Источники — это световая отдача источника, а не радиация.

Ученые и инженеры обычно выражают эффективность освещения как процентное значение с максимальным теоретическим значением эффективности освещения 683,002 лм / Вт, которое излучает свет с длиной волны 555 нм. В качестве одного примера, типичный современный белый ватт, «освещенный», может достигать эффективности более 100 лм / Вт с эффективностью 15%, что на самом деле больше, чем у многих других типов источников света.

При измерении яркости и освещенности в науке и технике учитываются способы, которыми сами глаза воспринимают яркость света, чтобы получить более точные и объективные измерения.Изучая распределение яркости света с помощью экспериментов, попытайтесь понять, вызвана ли реакция на яркость сигналами конических или стержневых фоторецепторов в человеческом глазу.

Другие исследования, такие как фотометрические исследования, направлены на обнаружение определенных форм излучения на основе линейности их отклика. Если два световых потока 1 и Θ 2 должны были давать два разных сигнала, фотометрические детекторы измеряют сигнал, генерируемый в результате линейного сложения обоих потоков.Линейность отклика является мерой этой зависимости.

Полное руководство по измерению освещенности


Это новое руководство покажет вам все, что вам нужно знать об измерении света.

Важно понимать различные термины, используемые для описания света. Это руководство охватывает все: от измерения света в электромагнитном спектре до понимания воспринимаемой яркости человеческим глазом, интенсивности света и инструментов, используемых для измерения света.

Погрузимся в …

Хотите узнать больше об измерении освещенности? Получите бесплатный PDF

Я пришлю вам копию, чтобы вы могли прочитать ее, когда вам будет удобно. Просто дайте мне знать, куда его отправить (занимает 5 секунд):

Содержание

Глава 1: Единицы света — Общие термины измерения освещенности

Глава 2: Радиометрия — Сколько света там

Глава 3: Фотометрия — Как вы видите свет (человеческое восприятие)

Глава 4: Спектрометрия — Измерение длины волны

Глава 5: Способы измерения света — Как измерить интенсивность света

Глава 6: Инструменты для измерения освещенности — Какие инструменты используются для измерения освещенности

Глава 1:

Световых единиц

(Общие термины измерения освещенности)

В осветительной промышленности для измерения освещенности используется несколько различных единиц измерения, в зависимости от того, какая информация требуется.

Ниже приведены несколько наиболее распространенных единиц и терминов:

Поток (световой поток) — происходит от латинского слова «Fluxus», что означает поток, поток — это количество энергии, излучаемой светом в секунду, измеряемое в люменах (лм).

Когда дело доходит до освещения, необходимо учитывать ватты (Вт) (потребляемая энергия) и люмены (лм) (яркость). Или потребление электроэнергии по сравнению с светоотдачей. Люмены оцениваются по человеческому восприятию, а ватты — нет.

  • Люмен (лм) — единица светового потока в системе СИ, это единица светового потока.
  • Ватт (Вт) — единица измерения электрической мощности, это радиометрическое измерение.

Интенсивность света — количество видимого света, излучаемого в единицу времени на единицу телесного угла

  • Кандела (кд) — основная единица измерения силы света в системе СИ. Это единица силы света источника света в определенном направлении. 1 люмен = 1 кандела x стерадиан (единица телесного угла в системе СИ).

Освещенность — количество светового потока на единицу площади

  • Люкс (лк) — Люкс — это стандартизированная единица измерения силы света.2 = 1 нит
    • Нит (nt) — Название, данное для единицы яркости

Для облегчения понимания представьте себе лампу, излучающую свет.

  • Свет от лампы измеряется в люменах (мера силы света)
  • Свет, падающий на поверхность, выражается в люксах
  • Человеческий глаз видит это визуально с точки зрения яркости или яркости, которая измеряется в канделах

Глава 2

Радиометрия — сколько там света

Что такое радиометрия

В целом радиометрия — это наука об измерении электромагнитного излучения.Что касается оптики, это относится к обнаружению и измерению световых волн в оптической части электромагнитного спектра (инфракрасного, видимого и ультрафиолетового). Радиометрия также включает определение распределения абсолютной мощности излучения.

Почему важна радиометрия

Радиометрия охватывает широкий спектр задач по обнаружению и измерению света.

Вот несколько распространенных приложений:

[источник]

4 Традиционно используемые геометрические описания в радиометрии

Основная единица радиометрии называется Radiant Flux.

1. Лучистый поток / мощность — Выраженный в ваттах, лучистый поток можно определить как полную оптическую мощность источника света. Его также можно определить как скорость потока лучистой энергии. Вы можете думать об этом как об общем количестве света, излучаемого лампочкой.

2. Интенсивность излучения — также измеряемая в ваттах, интенсивность излучения — это количество потока, излучаемого через известный телесный угол.

3. Энергия излучения. Энергия освещенности измеряется в ваттах на квадратный метр. Это измерение лучистого потока на известной площади поверхности.

4. Сияние — измеряется в стерадианах в ваттах на квадратный метр. Сияние — это мера силы излучения, излучаемого из единицы площади источника.

Глава 3:

Фотометрия — как вы видите свет

(видимый свет)

Что такое фотометрия

Фотометрия — это разновидность радиометрии, которая применяется только к видимой части электромагнитного спектра. В то время как радиометрия фокусируется на измерении лучистой энергии с точки зрения абсолютной мощности, фотометрия учитывает реакцию человеческого глаза и фокусируется на измерении света с точки зрения воспринимаемой яркости.

Фотометрия — это «наука об измерении интенсивности света, где« свет »относится к общему интегрированному диапазону излучения, к которому чувствителен глаз.

Фотометрия отличается от радиометрии, в которой обнаруживается и измеряется каждая отдельная длина волны в электромагнитном спектре, включая ультрафиолет и инфракрасный свет ». Фотометрия. В EDU.photonics.com/Photometry: ответ на вопрос о восприятии света Получено с https: / /www.photonics.com/a25119/Photometry_The_Answer_to_How_Light_Is_Perceived

Почему важна фотометрия

Фотометрия измеряет видимый свет с точки зрения человека.

Общие приложения для фотометрии:

Как и в случае радиометрии, применение фотометрии также разнообразно. Он используется в ряде отраслей для проверки интенсивности света, производимого дисплеями, приборными панелями, приборами ночного видения и т. Д.

Основной единицей фотометрии является люмен. Фотометрия состоит из четырех основных понятий:

1. Световой поток — Световой поток, измеряемый в люменах, представляет собой измерение общей воспринимаемой мощности, излучаемой источником света во всех направлениях.

2. Сила света. Сила света в канделах — это количество света, излучаемого источником в определенном направлении.

3. Освещенность. Освещенность измеряется в люменах на единицу площади. Это количество света, падающего на поверхность. Освещенность также можно назвать фут-свечой.

4. Яркость. Яркость, измеряемая в канделах на квадратный метр или нит, — это общий свет, излучаемый или отраженный от поверхности в заданном направлении. Он показывает, насколько ярко мы воспринимаем результат взаимодействия падающего света и поверхности.

Изображение предоставлено: J.C. Walker, Light Sources — Technology and Applications [CC Attribution-ShareAlike 3.0]

Глава 4:

Спектрометрия — Измерение длины волны

Спектрометрия известна наукой и использованием спектрометров для измерения и анализа. Это изучение взаимодействий между светом и веществом, а также реакций и измерений интенсивности и длины волны излучения.

На схеме ниже показано, как спектрометрия используется для анализа образца.Образец показан на этапе 2. Спектрометрия также может использоваться для анализа длин волн, присутствующих в данном источнике света. В этом случае между источником и дифракционной решеткой не было бы образца.

Изображение

предоставлено: Спектрометрическая диаграмма общедоступной лаборатории [CC BY 2.0] (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/), с сайта flickr

Используется для спектрометрии:

В статье «Что такое спектрометрия и для чего она используется», написанной ATA Scientific Instruments, подробно описаны современные способы использования спектроскопии:

  • В астрономии мы можем использовать уникальные спектры для определения химического состава объектов в космосе.
  • Мы также можем использовать его для определения свойств космических объектов: в основном их температуры, а также их скорости.
  • Применяется для скрининга метаболитов, а также для анализа и улучшения структуры лекарственных средств.

Биомедицинское использование света состоит из диагностических и терапевтических применений. Узнайте больше о спектроскопии в биомедицинских услугах.

Спектрорадиометрия — это «измерение энергии света на отдельных длинах волн в пределах электромагнитного спектра.Его можно измерить по всему спектру или в определенной полосе длин волн ».

Спектрорадиометрия. В KonicaMinolta.us: Радиометрия, спектрорадиометрия и фотометрия Получено с: https://sensing.konicaminolta.us/learning-center/light-measurement/radiometry-spectroradiometry-photometry/

Две основные концепции спектрорадиометрии:

Spectral Radiance — яркость поверхности на единицу частоты или длины волны. Единицы СИ для спектральной яркости — стерадианный нанометр ватт / квадратный метр.

Спектральная освещенность — освещенность поверхности на единицу частоты или длины волны. В системе СИ для спектральной освещенности используется ватт / кубический метр.

Глава 5:

Как измерить интенсивность света

Расчет интенсивности света зависит от источника света и направления, в котором он излучает свет. Количество света, падающего на поверхность, называется освещенностью и измеряется в люксах.

Sciencing написала пошаговую статью / эксперимент о том, как рассчитать интенсивность света с помощью силы света вокруг лампы, которая излучает свет одинаково во всех направлениях.В заключении уточняется, что «интенсивность света в вашей точке на сфере равна количеству ватт, излучаемому лампочкой, деленному на площадь поверхности сферы». Полные расчеты можно найти здесь.

В фотометрии сила света — это мера мощности излучения, излучаемого объектом в определенном направлении, и зависит от длины волны излучаемого света.

Наиболее важным при измерении силы света является фактическое количество люменов, падающих на определенную поверхность.

Измерение уровня освещенности

Как отмечалось выше, поток — это общий световой поток. Ватты относятся к абсолютной мощности, а люмены — к человеческому восприятию.

В чем разница между яркостью и освещенностью

«Яркость — это количество света, отраженного от освещаемой поверхности».

Освещенность — это количество света, падающего на поверхность.

Яркость — это то, что мы измеряем по поверхности, на которую падает свет.

Top Light Co назвала его лучшим …

Думайте об этом так: IL-яркость, IL, I = падающий свет. Освещенность измеряет падающий свет. Яркость — это то, что уходит с поверхности — L = уходит. Освещенность измеряет происшествие, яркость измеряет то, что уходит.

Глава 6:

Какие инструменты используются для измерения света

1. Фотометр

Фотометр — это прибор для измерения силы света. Его можно определить как прибор для измерения видимого света.

Два типа фотометров:

1. Измерители яркости — определяют выходную видимую энергию источника света

Измерения яркости используются для таких продуктов, как светофоры и автомобильные задние фонари.

2. Измерители освещенности — измеряют видимую энергию, падающую на поверхность объекта.

Измерители яркости и колориметры

2. Интегрирующая сфера

«Интегрирующая сфера собирает электромагнитное излучение от источника, полностью внешнего по отношению к оптическому устройству, обычно для измерения потока или оптического ослабления.«

Основы интеграции и приложения Sphere

3. Спектрометр

«Основная функция спектрометра состоит в том, чтобы улавливать свет, разбивать его на его спектральные составляющие, оцифровывать сигнал в зависимости от длины волны, считывать его и отображать через компьютер».

Спектрометр

4. Измеритель освещенности

Люксметр — это прибор для измерения уровня освещенности. Уровень освещенности — это количество света, измеренное на плоскости.

Заключение

Когда речь идет о мощности света и его измерении, используется множество терминов и технологий.Ключ к пониманию того, как сочетаются все эти уникальные аспекты.

Понимание измерения света помогает нам, как поставщику световых решений, соответствовать требованиям яркости и однородности для ваших конкретных приложений.

Какова взаимосвязь между интенсивностью света и расстоянием от источника света?


Задача: Какая связь между светом
интенсивность и расстояние от источника света?

Предыстория и запрос: Вы когда-нибудь замечали, насколько ярко он сидит в первом ряду кинотеатра и насколько тусклее в последнем ряду? Все мы знаем, что чем дальше вы удаляетесь от источника света, тем ярче он становится.Но какие отношения существуют по мере того, как вы удаляетесь от источника света? Вы ожидаете обратной пропорции? Это означает, что если свет в фильме вдвое слабее в 10-м ряду, он будет на четверть ярче в 20-м ряду. Перед началом этой лабораторной работы попытайтесь предсказать, как будет вести себя интенсивность света по мере удаления от источника света.

Оборудование, которое вы будете использовать сегодня, состоит из источника света, фотодетектора (детектора света) и измерителя. Когда свет попадает на фотодетектор, он превращается в электричество.Электроэнергия регистрируется счетчиком. Чем больше интенсивность света, тем больше показаний счетчика. Обязательно выключайте лампочку, когда не проводите измерения. Сделать это можно, отключив аккумулятор.

На отдельном листе бумаги напишите свою гипотезу к эксперименту. Какие отношения вы ожидаете увидеть?

Выскажите свою гипотезу. Обоснуйте свое заявление!

Материалы: Источник света, метр, батарейка, микроамперметр, фотоэлемент

Схема:

Процедура;

1) Скопируйте Таблицу I в свой лабораторный блокнот.

2) Установите оборудование, как показано в классе.

3) Установите источник света примерно на 30 см. от фотоэлемента. Включите источник света и направьте его на фотоэлемент. Обратите внимание на показания счетчика. Начните с того, что поднесите источник света ближе к фотоэлементу, обратите внимание, как измеритель начинает показывать больше тока. Продолжайте перемещать источник света ближе, пока счетчик не покажет ровно 25 мкА. Не превышайте значение 25 мкА, так как это может повредить измеритель. Измерьте расстояние и запишите это расстояние в таблицу I.Измерьте РАССТОЯНИЕ от источника света для следующих значений интенсивности (ПРИ УДАЛЕНИИ ОТ ИСТОЧНИКА СВЕТА) 25, 20, 15, 10, 5 и 2,5 мкА.

Часть II: Эффект разноцветного освещения.

4) Закройте фотоэлемент красным фильтром и повторите эксперимент. Используйте прилагаемую ленту, но не закрывайте фильтр.

5) Закройте фотоэлемент синим фильтром и повторите эксперимент.

6) Закройте фотоэлемент зеленым фильтром и повторите эксперимент.

Результаты;

D = расстояние I = интенсивность.

ТАБЛИЦА I: НЕТ ФИЛЬТРА

D (см) D2 1 / Д 2 Интенсивность (микроампер)
25
20
15
10
5
2.5

D = расстояние I = интенсивность.

ТАБЛИЦА I: КРАСНЫЙ ФИЛЬТР

D (см) D2 1 / Д 2 Интенсивность (микроампер)
25
20
15
10
5
2.5

D = расстояние I = интенсивность.

ТАБЛИЦА III: СИНИЙ ФИЛЬТР

D (см) D2 1 / Д 2 Интенсивность (микроампер)
25
20
15
10
5
2.5

ТАБЛИЦА IV: ЗЕЛЕНЫЙ ФИЛЬТР

D (см) D2 1 / Д 2 Интенсивность (микроампер)
25
20
15
10
5
2.5

Графики: 1) Постройте график зависимости интенсивности света (I) от расстояния (интенсивность по оси y, расстояние по оси x).

Расширенные возможности построения графиков:

График средней интенсивности в зависимости от 1 / D2. (Интенсивность по оси y и 1 / D2 по оси x).

Обсуждение:

1) Какие бывают независимые и зависимые переменные?

2) Как переменные меняются в зависимости друг от друга?

3) Что происходит с зависимой переменной, когда независимая переменная увеличивается? уменьшается?

4) Как отношения, показанные в этом эксперименте, соотносятся с другими отношениями, которые вы видели до сих пор?

5) Как уравнение этой связи соотносится с уравнениями других уравнений, которые вы изучили?

Приложения: В чем разница между лазерным лучом и фонариком? Каковы применения лазерных источников света, где нельзя использовать обычные источники света?

единиц, виды использования и принцип работы

Датчики света кажутся довольно простыми.Они чувствуют свет, как градусник измеряет температуру, а спидометр измеряет скорость. Температуру и скорость легко понять, потому что мы чувствуем их прямо. Но свет — это очень сложно. Температура и скорость — важные свойства, поэтому они не зависят от массы или размера объекта. Свет можно измерить как обширное свойство, то есть общий собранный свет зависит от размера коллектора (например, солнечная батарея на свалке собирает больше света, чем крошечное солнечное зарядное устройство для телефона) или интенсивно путем деления по площади.

А что вообще датчики света измеряют? Фотоны? Энергия? Все сложно. Прежде чем пытаться понять датчики света, важно понять их.


Блоки световых датчиков

Прежде чем мы сможем правильно понять датчики света и способы их применения, нам необходимо иметь возможность количественно определять свет. К сожалению, при измерении света используются некоторые странные единицы. Например, лампочки обычно измеряются в люменах, но датчики света обычно измеряют в люксах.Вдобавок к этому и люмен, и люкс основаны на таинственной базовой единице, называемой канделой.

Кандела

Эта единица измерения используется для описания силы света, то есть того, насколько сильный свет кажется человеческому глазу. Он основан на официальной формуле SI, которая взвешивает каждую длину волны света в луче в зависимости от того, насколько чувствителен к нему человеческий глаз. Чем выше сила света луча света, тем чувствительнее к нему человеческий глаз. (Канделы раньше назывались «свечами», а сила света обычной свечи составляет приблизительно одну канделу.Умно, правда?) Причина, по которой свечи не используются для сравнения лампочек и фонарей, заключается в том, что интенсивность луча зависит не только от мощности лампы, но и от того, какая часть этой мощности сконцентрирована в определенном направлении. В большинстве фонарей используются зеркала позади лампы, чтобы сконцентрировать больше света в выходном направлении и, следовательно, выглядеть ярче. Это означает, что лампочка имеет увеличенную яркость в одном направлении, при этом потребляет одинаковое количество энергии и излучает такое же общее количество света.Чтобы правильно измерить световой поток лампочки, нам понадобится новая единица: люмен.

Люмен

Люмен используется для измерения общего светового потока лампочки. Это произведение силы света (в канделах) и телесного угла, который заполняет луч (в стерадианах). Лампа, излучающая свет во всех направлениях, может иметь силу света 10 кандел, что при умножении на полные 4π стерадианы будет иметь световой поток 126 люмен. Как и в фонарике, зеркало на одной стороне лампы сделает другую сторону ярче из-за отражения половины мощности лампы.Интенсивность света увеличилась бы вдвое до 20 кандел, но телесный угол уменьшился бы вдвое до 2π стерадианов. Умножение интенсивности света напротив зеркала на новый телесный угол все равно даст 126 люмен светового потока. Независимо от того, как свет отражается и концентрируется, эта лампа всегда будет производить световой поток 126 люмен.

Люкс

Если лампы накаливания рассчитаны на люмен, почему датчики света должны использовать другую единицу измерения? Поэтому на концертах музыкантов не ослепляют.Один фонарик может показаться ослепляющим, если его светить в дюйме от глаз Дрейка, но море телефонных фонарей, направленных на сцену, совсем не яркое. Поскольку свет рассеивается, покидая телефон, на сцене ему в глаза попадает лишь небольшое количество света. По мере того, как объект удаляется от источника света, доля света, который он получает, также уменьшается. Чтобы правильно измерить световой поток, воспринимаемый поверхностью, называемый освещенностью, мы используем единицу, называемую люкс, которая равна одному люмену на квадратный метр.На том же расстоянии от источника света лист площадью 1 квадратный метр подвергается такой же освещенности, как и лист площадью 10 квадратных метров. Лист большего размера собирает в десять раз больше света, если измерять световой поток в люменах, но его площадь такая же большая, поэтому освещенность такая же. Если листы движутся к источнику света, телесный угол, занимаемый каждым листом, увеличивается, и, следовательно, увеличивается также освещенность. Интенсивность света постоянна, а площадь листов постоянна, но занимаемый телесный угол увеличивается, что увеличивает получаемую ими освещенность.Датчики света должны измерять освещенность, потому что они представляют свет, падающий на единицу площади, и потому что они не могут знать, какой телесный угол они занимают.


Области применения для датчиков света

Обнаружение размещения

Датчики света измеряют освещенность, которую можно использовать не только для измерения яркости источника света. Поскольку освещенность уменьшается по мере удаления датчика от постоянного источника света, датчик освещенности можно использовать для измерения относительного расстояния от источника.

Рисунок 1: График показывает зависимость освещенности от расстояния

Датчики света почти всегда представляют собой плоскую одностороннюю поверхность, поэтому телесный угол, занимаемый датчиком, если смотреть со стороны источника света, может изменяться в зависимости от его ориентации. С датчиком света, перпендикулярным направлению света, он занимает максимально возможный телесный угол. По мере того, как датчик света поворачивается от источника света, его телесный угол уменьшается, и, следовательно, также уменьшается освещенность, пока датчик света в конечном итоге не обнаруживает прямой освещенности, когда он параллелен световым лучам или когда он направлен в сторону.Этот факт можно использовать для определения угла падения светового луча на датчик.

Рисунок 2: График показывает зависимость освещенности от угла

Регулировка яркости

Датчики света находят множество применений. Чаще всего в нашей повседневной жизни используются сотовые телефоны и планшеты. В большинстве портативных персональных электронных устройств теперь есть датчики внешней освещенности, используемые для регулировки яркости. Если устройство чувствует, что находится в темном месте, оно снижает яркость экрана для экономии энергии и не удивляет пользователя очень ярким экраном.

Еще одним распространенным применением датчиков света является управление автоматическим освещением автомобилей и уличных фонарей. Использование датчика освещенности для включения лампочки, когда на улице темно, избавляет от небольших хлопот, связанных с включением света, и экономит электроэнергию днем, когда солнце достаточно яркое.

Безопасность

Однако существует гораздо больше возможностей, чем просто удобство для потребителя. Обнаружение вторжения в контейнеры или помещения — важное приложение для обеспечения безопасности. При транспортировке дорогостоящего груза может быть важно знать, когда транспортный контейнер был открыт, чтобы легче было разрешить случаи, связанные с потерей продукта.Дешевый фоторезистор можно использовать для регистрации каждого открытия контейнера, чтобы можно было определить, в какой момент процесса воры совершили набег на контейнер, или если отправитель был нечестным и утверждал, что контейнер был ограблен.

Хотя датчики света — единственные продукты, которые могут дать значимые данные о свете, многие другие товары чувствительны к свету. Например, картины и фотографии на бумаге и старые произведения искусства могут быть повреждены из-за воздействия солнечного света, поэтому важно знать, сколько света они подвергаются.При транспортировке произведения искусства можно использовать датчик освещенности, чтобы убедиться, что оно не оставалось на солнце слишком долго.

Планирование

Датчик освещенности также можно использовать для размещения произведений искусства на постоянном месте. В областях возле входа или окон музея солнечный свет может быть слишком резким для определенных материалов, поэтому для правильного определения местоположения произведений искусства можно использовать датчик освещенности. Это похоже на метод размещения солнечных батарей в домах или на полях. Нет смысла строить и устанавливать солнечную панель в определенном месте, если на нее не будет попадать много прямых солнечных лучей, поэтому используется датчик освещенности, чтобы найти лучшее место с сильнейшим прямым солнечным светом.(Как я уже упоминал, солнечная панель — это просто очень большой датчик освещенности, но легче использовать портативное устройство для проверки солнечного света, чем использовать саму панель.)

Сельское хозяйство

Солнечный свет имеет важное значение для сельского хозяйства, особенно на американском Западе, лишенном воды. Разным культурам требуется разное количество солнечного света, поэтому важно знать, какие участки земли подвергаются наибольшему воздействию. Поскольку водоснабжение становится все более напряженным в таких местах, как Юта, у фермеров есть финансовые и социальные обязательства по ограничению потребления воды, а также поддержанию гидратации урожая.Одна из используемых тактик — поливать посевы днем ​​или вечером, чтобы не допустить, чтобы жаркое солнце испарило воду, прежде чем почва и растения смогут ее должным образом поглотить. Датчик освещенности можно использовать для автоматического управления спринклерной системой, поливая только тогда, когда солнце не самое яркое. В сочетании с другим оборудованием для мониторинга погоды для сбора данных о температуре, давлении и влажности система может не только поливать при тусклом солнце, но и интеллектуально обнаруживать приближающийся дождь или облака, чтобы оптимизировать график полива.


Как работают датчики света

Теперь, когда вы понимаете беспорядок единиц измерения света, мы можем начать понимать, как освещенность определяется с помощью световых датчиков.

Фотодиод

Датчики света иногда используют компонент, называемый фотодиодом, для измерения освещенности. Когда лучи света попадают на фотодиод, они имеют тенденцию выбивать электроны, вызывая электрический ток. Чем ярче свет, тем сильнее электрический ток.Затем можно измерить ток, чтобы вернуть яркость света. Если светоиндуцированный электрический ток звучит знакомо, это потому, что это принцип работы солнечных панелей, используемых для питания дорожных знаков и домов. Солнечные панели — это в основном очень большие фотодиодные датчики света.

Фоторезистор

Другой тип светового датчика — фоторезистор. Фоторезистор — это светозависимый резистор, а это означает, что при изменении яркости падающего на него света произойдет изменение сопротивления.Фоторезисторы дешевле, чем фотодиоды, но гораздо менее точны, поэтому они в основном используются для сравнения относительных уровней освещенности или просто для определения того, включен ли свет или нет.


Доступные датчики света

Как упоминалось ранее, датчики света (фоторезисторы и фотодиоды) универсальны и не очень дороги, поэтому существует множество вариантов, от базовых компонентов до высокоточных регистраторов данных.

Одним из методов сбора данных об освещенности является использование обычных небольших вычислительных платформ, таких как Arduino или Raspberry Pi.Использование этих платформ для измерения освещенности полезно, потому что программирование и взаимодействие с компьютером просты, а фоторезисторы очень доступны. Кроме того, можно использовать датчик освещенности в тандеме с другим оборудованием для сбора данных. Однако такая система не будет очень точной или удобной для пользователя.

У Amazon есть много потребительских люксметров, которые обычно используются для фотографии. Все они компактны и просты в использовании, данные отображаются на экране в режиме реального времени, и все они имеют достаточно хорошую частоту обновления в несколько герц.Скорее всего, их лучше всего использовать для сравнения относительной яркости между комнатами в помещении, но у большинства из них есть широкий диапазон, поэтому использование на открытом воздухе также является вариантом.

Фактически, мы продаем датчик освещенности как часть наших датчиков enDAQ. Он использует фотодиод Si1133 и регистрирует данные об освещенности устройства, а также данные об ускорении, температуре и давлении. Поскольку в качестве основной единицы освещенности используется кандела, измерения света необходимо скорректировать с учетом невидимого электромагнитного излучения.Si1133 делает это, отдельно измеряя инфракрасный свет и используя его для правильной настройки данных об освещенности. Датчик света датчика enDAQ также измеряет УФ-индекс в дополнение к видимому свету.

Датчики света — это очень универсальные, доступные по цене компоненты с множеством потенциальных применений. Как вы планируете использовать датчики света? Хотелось бы услышать ваши идеи в комментариях.

Изменение внешнего освещения в зависимости от высоты Солнца и светового загрязнения

Процедура

Мы измерили векторную освещенность нисходящего потока, которая определяется как свет, собранный со всей полусферы измеряемой поверхности, направленной вверх.Свет, попадающий на детектор в направлении поверхности, имеет наибольший вес; свет интегрируется согласно косинусу угла падающего света 1,26 .

Измерения спектров нисходящей освещенности земной поверхности в условиях минимального светового загрязнения проводились в Северной Пенсильвании (Государственный парк Черри-Спрингс, штат Пенсильвания) в различные моменты лунного цикла в июне и июле 2014 года. между ночью 30 июня и утром 4 июля.Измерения в полнолуние проводились 11 и 12 июля. Наконец, измерения на 60% и 49% освещенной части Луны были сделаны между 18 и 20 июля. В том же месяце мы также собрали спектры в условиях городского светового загрязнения от крыша четырехэтажного здания недалеко от центра Филадельфии, штат Пенсильвания. Сводка дат и диапазонов возвышения Солнца, возвышения Луны и доли освещенной Луны приведена в Таблице 1.

Спектрорадиометрические измерения спектра нисходящего освещения проводились каждые 60 секунд.Чтобы уловить динамический диапазон освещения, время интегрирования спектрорадиометров было настроено таким образом, чтобы максимальная мощность по всем длинам волн не превышала более ~ 85% от максимально допустимого показания интенсивности прибора, чтобы избежать насыщения спектральных измерений быстро меняющиеся условия освещения. Экспериментатор вручную изменил их. Время интегрирования было различным в двух спектрометрах из-за их разной чувствительности, до 60 с для высокочувствительного спектрометра в ночное время.

Местоположения

Измерения распределения спектральной мощности в небе были выполнены в государственном парке Черри-Спрингс, округ Поттер, штат Пенсильвания, США (41,6646 ° N, −77,8125 ° W; высота 710 м, служба запросов NED Point, Национальная служба геологической службы США) Dataset), сертифицированный «Международный парк темного неба IDA» (сельский). Место проведения измерений находилось на возвышенности в пределах практически неосвоенного государственного леса Саскуэханнок и, следовательно, было свободным от прямых и непрямых антропогенных источников света.Особое внимание было уделено во время периодов измерений, чтобы замаскировать любой рассеянный свет от портативного компьютера, который управлял спектрометрами, с помощью черной ткани. Разрешение на создание исследовательского лагеря было получено от Департамента охраны природы и природных ресурсов Содружества Пенсильвании.

Мы также измерили спектральное распределение мощности нисходящего излучения в городских условиях в Филадельфии, штат Пенсильвания (город), с пятиэтажной крыши лабораторий Дэвида Риттенхауса, факультет физики и астрономии, Пенсильванский университет (39.952237 ° с.ш., -75,188734 ° з.д. высота 12 м). Из-за широкой доступности источников электрического света, используемых в городских условиях, измерения, проведенные на этом участке, были измерениями смеси естественного освещения, света от искусственных источников, таких как уличные фонари, и отражений этих источников от застроенной среды. Крыша, на которой мы проводили измерения, была выше, чем другие крыши в непосредственной близости от нее, что давало нашему детектору почти полный полусферический обзор неба, а крыша не освещалась непосредственно собственными источниками искусственного света.По этим причинам это место измерения было подходящим для получения измерений нисходящей освещенности как от естественных, так и от антропогенных источников, которые были усреднены по пространству на больших расстояниях в городе.

Высота Солнца θ с , высота Луны и фаза Луны были извлечены для заданных топографических координат путем создания таблиц эфемерид, полученных с помощью программного обеспечения Multiyear Interactive Computer Alamanac 5 (MICA Version 2.2.2). Таблицы эфемерид были линейно интерполированы для определения высоты Солнца, высоты Луны и фазы Луны для каждого времени и места измерения.Таким образом, сообщаемые истинные высоты не представляют собой очевидные высоты с учетом местных атмосферных условий и рефракции. Доступны методы преобразования высот из таблиц эфемерид в приблизительные видимые высоты 27 .

Измерительные устройства

Все измерения проводились с помощью двух специализированных USB-спектрометров (USB2000 +, OceanOptics, Inc .; Данидин, Флорида), в дальнейшем называемых спектрометрами «A» и «B», соединенных со специально изготовленным зондом. нисходящая освещенность 28,29 .Спектрометр «А» был оптимизирован производителем для высокочувствительных измерений (линейная кремниевая ПЗС-матрица Sony ILX511B) с диапазоном измерений от 180 до 875 нм. Это использовалось для сумеречных и ночных измерений. Спектрометр «B» был менее чувствительным в диапазоне длин волн 340–1025 нм. Это использовалось для измерений при дневном свете. Мы использовали комбинацию двух спектрометров, чтобы охватить фактор 10 8 дневной освещенности между полуднем и ночью.

Чтобы иметь дело с большим количеством возможных ориентаций сцены в человеческом зрении, в то же время обнаруживая измеримое количество света в сумерках и в условиях низкой освещенности, мы оценили источник света для человеческого зрения при заданном небе как нисходящую освещенность или свет энергия, падающая на направленную вверх плоскость, идущую с неба.Чтобы сконструировать зонд нисходящей освещенности, мы следовали методике, описанной Суини и коллегами и Джонсеном и коллегами 28,29 . Одномодовый оптоволоконный соединительный кабель длиной 3 м (диаметр 1000 мкм, номинальный внешний диаметр 5,8 мм, числовая апертура 0,22 ± 0,02, угол приема θ макс. 12,7 °, полный угол 25,4 °; OceanOptics Inc., Данидин, Флорида) был подключен к спектрометру и подавался через трубку в нисходящем зонде освещенности. Для создания зонда измерительный конец оптоволоконного кабеля был направлен под углом 45 ° в сторону 10.Диск из оргстекла диаметром 16 см (4 дюйма), окрашенный покрытием Avian-B White Reflectance Coating (Avian Technologies; Нью-Лондон, Нью-Йорк), покрытием из сульфата бария на водной основе (BaSO 4 ). В конечном счете, этот угол 45 ° является произвольным, и все, что требуется для физически эквивалентных измерений, — это чтобы кабель «просматривал» незапятнанный участок рассеивающего диска в одной и той же ориентации для каждого измерения. Фактически, выбор 45 ° разделяет разницу между кабелем, который потенциально видит свою собственную тень на диске, когда он направлен под углом около 0 ° от нормального, и кабелем, который потенциально пропускает свет, отраженный от диска с крошечными сдвигами в крепежном оборудовании. при наведении под углом, близким к 90 ° от нормали к диску.Уплотнительное кольцо, закрепленное вокруг кабеля, удерживало расстояние, на котором кабель был вставлен в трубку, и, следовательно, его расстояние до диска отражения постоянным. Расстояние между концом кабеля и центром отражающего диска составляло 7,74 см. Мы подтвердили, что оптоволоконный кабель может обнаруживать свет, отраженный диском, только при освещении вольфрамовым галогенным светом (LS-1; OceanOptics, Inc., Данидин, Флорида) через кабель в темной комнате. При подключении к лампе, а не к спектрометру, освещался только отражающий диск и никакие другие части измерительной сборки.Это указывало на то, что юстировка и расположение оптоволоконного зонда были в хорошем состоянии.

Портативный компьютер Lenovo Thinkpad X240 с дистрибутивом Linux Xubuntu 14.04 использовался для управления спектрометрами и записи измерений. Ноутбук был оснащен 9-элементными батареями с возможностью горячей замены, что обеспечивало бесперебойное питание во время измерений. Пакет OmniDriver API (OceanOptics, Inc .; Данидин, Флорида) и специальное программное обеспечение, написанное для MATLAB (Mathworks Inc .; Натик, Массачусетс), использовались для считывания и сохранения спектральных распределений мощности со спектрометров на жесткий диск портативного компьютера.

Калибровка спектрометра

Температурный шум и калибровка в темноте

Измерения в темноте (с металлической крышкой на входном порте спектрометра) были выполнены, когда два спектрометра были помещены в мини-цифровой инкубатор MyTemp (Benchmark Scientific; Эдисон, Нью-Джерси). Начальная температура в инкубаторе составляла 24 ° C. Температуру инкубатора устанавливали на 10 ° C, при этом проводили непрерывные измерения в темноте. Затем температуру инкубатора установили на 60 ° C, продолжая измерения.Температура платы внутри спектрометров, по данным их внутренних датчиков, измерялась вместе с темными спектрами. Это позволило нам создать базу данных для темных спектров, параметризованных временем интегрирования и измеренной температурой платы, которые, как мы обнаружили, являются основными параметрами шума в данном темном спектре (рис. S5). Темный спектр в этой библиотеке, наиболее похожий на данные условия измерения, использовался при обработке всех отдельных спектров в наборе данных.

Калибровка длины волны

USB-спектрометры поставляются откалиброванными на заводе по длине волны, причем каждый пиксель на датчике соответствует длине волны.Мы подтвердили эту калибровку с помощью независимого измерения длины волны с использованием двух линейных источников (ртутная [Hg] спектральная калибровочная лампа AS-361; спектральная калибровочная лампа AS-364 аргон [Ar]; Spectral Products, Патнам, Коннектикут). Мы скорректировали заводскую калибровку, сравнив измерения с выборкой известных спектральных линий (404,7, 435,8, 546,1 и 579 нм для источника ртути; 696,5, 706,7, 727,3, 738,4 и 763,5 нм для источника аргона). Эти поправки были хорошо аппроксимированы одним аддитивным сдвигом и были небольшими (<1 нм для обоих спектрометров), что свидетельствует о хорошей заводской калибровке длины волны.Сдвиги, необходимые для двух спектрометров, составляли -0,79 ± 0,57 нм (спектрометр «A») и -0,98 ± 0,37 нм (спектрометр «B») в среднем (± 1SD), усредненные по спектральным линиям, соответственно (рис. S6).

Абсолютная калибровка энергетической освещенности

Хотя спектрометры поставляются с заводской калибровкой длины волны, они не откалиброваны в отношении мощности, считанной на каждой длине волны. Чтобы привести измерения в абсолютную радиометрическую калибровку, нам нужно было связать измерение абсолютной спектральной освещенности, поступающей на диск измерительной сборки, с необработанными показаниями по длине волны каждого спектрометра.Поскольку диапазоны длин волн различных калибровочных источников и доступных нам измерительных приборов только частично перекрывались с диапазонами длин волн двух спектрометров, мы использовали следующую (несколько запутанную) процедуру.

Мы провели измерения с помощью обоих спектрометров («A» и «B») трех калибровочных источников (относительные спектры показаны на рис. S7a, b):

  1. 1

    Коэффициент отражения нашего образца для измерений, освещенного проектором слайдов ( Kodak Carousel 4400; Kodak Inc., Рочестер, штат Нью-Йорк). Мы также измерили этот источник с помощью спектрального радиометра PR-670 (Photo Research Inc., Чатсуорт, Калифорния), который предоставил спектральную яркость того же образца в абсолютных единицах (W · м −2 · sr −1 · нм −1 ) в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм. С помощью этого измерения мы получили калибровку абсолютной освещенности для обоих спектрометров в диапазоне длин волн 380–780 нм.

  2. 2

    Вольфрамовый галогенный источник света (SL1-CAL; StellarNet, Inc., Тампа, Флорида) с соответствующим измерением спектральной освещенности, отслеживаемым NIST, на выходном порте, предоставленным производителем. Это обеспечивало относительную калибровку спектральной освещенности на длинных волнах.

  3. 3

    Дейтериевый источник света (SL3-CAL; StellarNet, Inc., Тампа, Флорида) с соответствующим отслеживаемым NIST измерением спектральной освещенности на выходном порте, предоставленным производителем. Это обеспечивало относительную калибровку спектральной освещенности на коротких волнах.

Мы исследовали отношение сигнал / шум при измерении для каждого из этих трех источников в зависимости от длины волны для обоих спектрометров.Мы рассчитали абсолютные коэффициенты корреляции между набором измеренных значений на нечетных длинах волн и набором измеренных значений на четных длинах волн в пределах окна ± 20 нм вокруг каждой длины волны (рис. S7c, d). Другими словами, мы взяли образцы в пределах этого окна ± 20 нм, нашли два непересекающихся набора в этом окне и коррелировали их друг с другом. Теоретически высокие корреляции в таком окне указывают на хорошее качество сигнала и измерения плавно меняющихся источников света. Так оно и было (рис.S7c, d).

Мы объединили три набора калибровочных измерений следующим образом (см. Рис. S7). После фильтрации с помощью одномерного медианного фильтра порядка 8 th с использованием функции MATLAB medfilt1 (Mathworks Inc .; Натик, Массачусетс), корректировки длины волны и вычитания среднего темнового сигнала, подходящего для этого времени интегрирования и температуры, оба являются основной истиной. ‘и измеренные спектры были интерполированы на интервал длин волн 1 нм. Относительные поправочные коэффициенты как функция длины волны затем задаются как отношение известного относительного спектра источника и измеренного спектра.Эти поправочные коэффициенты были получены отдельно для каждого источника. Затем мы объединили три набора корректирующих функций вместе, выбрав 400 нм в качестве точки перехода для перехода от поправочных коэффициентов, полученных из измерений УФ-богатой лампы SL3-CAL, к поправочным коэффициентам, полученным из измерений PR-670 образца сборки. и 760 нм как точка перехода между поправочными коэффициентами, полученными из измерений лампы SL1-CAL с ИК-подсветкой (рис. S7e, f). Поправочные коэффициенты были приведены в абсолютную шкалу, определенную измерениями PR-670, путем нахождения методом наименьших квадратов скаляра, который привел поправочные коэффициенты, полученные из SL1-CAL и SL3-CAL, в диапазон ± 20 нм вокруг перехода. точек в соответствии с полученными поправочными коэффициентами PR-670 (рис.S7g, з). Затем поправочные коэффициенты были плавно объединены вместе с использованием линейной кривой взвешивания на ± 20 нм вокруг точек перехода с равным взвешиванием поправочных коэффициентов на длинах волн перехода (рис. S7i, j).

Процедура обработки

USB-спектрометры выдают неоткалиброванные спектры, не скорректированные на время интегрирования. Чтобы преобразовать эти спектры в спектральные измерения нисходящей освещенности, мы выполнили следующую последовательность поправок: 1) Для данного некалиброванного необработанного измерения, полученного с USB-спектрометров, мы сначала нашли нашу лучшую оценку темнового шума, взятую из нашей параметризованной базы данных темного шума. по времени интеграции.В заданном диапазоне длин волн мы интерполировали значение как функцию температуры платы и сделали это для всех диапазонов длин волн, получив спектр темного шума, который мы вычли из измерения; 2) мы разделили результат на время интегрирования, получив измерение с поправкой на шум в единицах неоткалиброванной мощности в секунду; 3) мы интерполировали от неоднородной, откалиброванной на заводе выборки длины волны к выборке длины волны 1 нм между 280 нм и 840 нм (спектрометр A) и 360 и 840 нм (спектрометр B) и скорректировали с учетом заводской длины волны. калибровка, как описано выше; 4) затем мы умножили на зависящие от длины волны радиометрические поправочные коэффициенты, найденные с помощью процедуры, описанной выше, и получили спектральную яркость образца спектра осветительно-измерительной установки в W · м −2 · sr −1 · нм -1 ; 5) мы преобразовали в спектральную освещенность в W · м −2 · нм −1 , умножив яркость на π, который представляет собой спроектированный телесный угол на полусферу 30 .

Контроль качества и фильтрация

Любые спектры с насыщенными значениями на любой длине волны исключались из анализа. Иногда вычитание темнового шума приводило к отрицательным значениям, которые мы устанавливали равными нулю для дальнейшего анализа. Мы отбросили все спектры, для которых эта процедура привела к спектрам, которые были равны нулю на всех длинах волн. Мы отфильтровали каждый спектр, используя одномерный медианный фильтр порядка 8 th , используя функцию medfilt1 MATLAB (Mathworks Inc; Натик, Массачусетс).

Наборы данных и модели дневного света

В этой статье мы рассмотрели два дополнительных независимых набора данных и две альтернативные модели. Мы получили набор данных из 10756 дневных спектров, собранных ДиКарло и Ванделлом 3 в Стэнфорде, Калифорния от авторов (личное сообщение), и набор данных из 2600 дневных спектров (далее называемых «Гранадские спектры»), собранных Эрнандес-Андресом. , и другие. 21 с сайта авторов (http://colorimaginglab.ugr.es/pages/Data; по состоянию на 14 декабря 2015 г.).Мы получили базисные функции CIE из Wyszecki and Stiles 31 и шестикомпонентную модель, полученную из спектров Гранады (далее называемую «модель Гранады») с веб-сайта авторов (http://colorimaginglab.ugr.es/pages/ Данные; по состоянию на 14 декабря 2015 г.). Мы оцифровали эталонный спектр ночного неба в сельской местности из Забриски-Пойнт, Калифорния, и спектр светового загрязнения из Бостона, Массачусетс, из Кронина и др. 1 с использованием WebPlotDigitzer (http://arohatgi.info/WebPlotDigitizer/, по состоянию на 15 декабря 2015 г.).

Процедура подбора модели

Мы подогнали различные модели к спектральным данным следующим образом. Сначала мы разделили базисные функции на интервал в 1 нм, а затем нормализовали каждую базисную функцию по ее векторной норме (L 2 -норма). Затем мы отдельно нормализовали каждый измеренный спектр по его векторной норме и нашли наиболее подходящие веса базисных функций, используя регрессию наименьших квадратов. Мы рассчитали долю дисперсии (R 2 ), объясняемую в измеренном спектре с помощью подгонки модели, как квадрат коэффициента линейной попарной корреляции по длинам волн.Описанная выше процедура дает веса линейной модели, необходимые для соответствия нормированным спектрам. Именно эти нормированные веса нанесены на графики нагрузок компонентов (например, рис. 6d). В дополнении к данным мы приводим средние нормализованные веса, сгруппированные по высоте Солнца (таблицы S6 и S7), а также средний масштабный коэффициент, необходимый для преобразования нормализованных спектров для каждой группы высот в абсолютные спектры. Нормализация, аппроксимация и расчет R 2 были выполнены в диапазоне длин волн 360–830 нм для нашего набора данных и в диапазоне 380–780 нм для наборов данных Granada и DiCarlo & Wandell (см. Рис. 5 и 6, S2, S3 и Подпись S4 для подробностей).

Расширенные модели CIE + 3R и CIE + 3C

Для захвата компонентов в нашем наборе данных, не охарактеризованных моделью дневного света CIE, мы использовали следующий итерационный подход. После аппроксимации базисных функций дневного света CIE мы извлекли средние остатки для всех сельских и городских спектров для дневного света (θ s ≥ 0) и взяли среднее значение этих остатков для получения первой дополнительной базисной функции, которую мы называем базисная функция CIE + 1; мы называем модель, состоящую из модели дневного света CIE и базовой функции CIE + 1, моделью CIE + 1.Затем мы подогнали все сельские и городские спектры для гражданских сумерек (−6 ° <θ s <0 °) с помощью модели CIE + 1 и нашли вторую дополнительную базисную функцию как среднее значение остатков из этой подгонки (CIE + 2 базисная функция). Добавляя базисную функцию CIE + 2 к модели CIE + 1, мы получаем модель CIE + 2. Наконец, для двух точек измерения мы добавили различную, шестую основу в зависимости от местоположения, извлекая остатки из подгонки с CIE + 2 во время астрономических сумерек (-18 ° <θ с <-12 °) отдельно для каждого местоположения и используя среднее значение этих остатков в качестве дополнительных базисных функций (базисные функции CIE + 3R [ural] и CIE + 3C [ity]).В результате были получены две модели CIE + 3 (CIE + 3R и CIE + 3C), по одной для каждого местоположения. Решение использовать отдельные базисные функции для астрономических сумерек в двух местах связано с наблюдением, что это точка на высоте Солнца, в которой спектральный состав начинает существенно различаться между двумя местоположениями (рис. 1).

Мы ограничили наш анализ точками данных, для которых фракция Луны была <0,3 в сельской местности, и включили все спектры, независимые от фазы Луны, из данных города.При 0,3 доле освещенной луны яркость луны составляет приблизительно 3,29% яркости полной луны 11 . В этом наборе данных, помимо сравнения с последовательностью сумерек в полнолуние, мы не учитывали систематическое влияние фазы Луны на сумерки, поскольку у нас нет достаточных данных, охватывающих весь лунный цикл.

Набор данных открытого доступа

Дополнение к данным содержит спектры освещенности для сельских и городских районов с соответствующим интервалом длин волн (дополнительные таблицы S1,2 – S3), CIE + 3R (дополнительная таблица S4) и CIE + 3C (дополнительные таблицы S5). ) модели, а также средние веса ± 1SD этих компонентов модели в зависимости от высоты Солнца (дополнительные таблицы S6 и S7).Набор необработанных и неоткалиброванных данных доступен по адресу https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.2009070.v1, а репозиторий кода MATLAB для обработки этих данных и воспроизведения всех элементов из рисунков этого документа доступен по адресу https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.3124759.v1 или https://github.com/spitschan/IlluminationSpectraDataset (лицензия MIT).