Яркость источников и освещенных поверхностей

Яркость источников. До сих пор мы рассматривали только точечные источники света. В действительности источники обычно являются протяженными, т. е. рассматривая их с заданного расстояния, мы различа­ем их форму и размеры. Для характеристики протяженных источников, да­ре в том простейшем случае, когда они представля­ют собой равномерно светящиеся шарики, недоста­точно одной только величи­ны— силы света. Действи­тельно, представим себе два светящихся шарика, испускающих свет равномерно во все стороны и имеющих одинаковую силу света, но разный диаметр. Освещенность, создаваемая каждым из этих шариков на одинаковом расстоянии от их центра, будет одинакова. Однако по своему виду эти шарики будут представлять сильно различающиеся источники света: маленький шарик оказывается более ярким, чем большой. Это происходит вследствие того, что при одинаковой силе света излучающая поверхность одного шарика больше, чем второго, и, следовательно, сила света, испускаемого с единицы площади источ­ника, в том и другом случаях различна. Отметим, что когда мы рассматриваем какой-либо источник света, для нас имеет значение не площадь самой излучающей поверхности, а размеры видимой поверхности, т. е. проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению наблюдения (рис. 159).

Итак, мы приходим к выводу, что для характеристики 'свойств протяженного источника света нужно знать силу

Рис. 159. Соотношение между дейст­вительной излучающей поверхностью (АВ) и поверхностью, видимой по данному направлению (ВС)

*) Приставка тера образована от греческого слова «терас» — чу­довище.

света, рассчитанную на единицу площади видимой поверх­ности источника. Эта световая величина называется яр­костью источника; мы будем ее обозначать буквой L. Если источник имеет силу света I и площадь видимой светящейся поверхности его есть s, то яркость этого источника равна

(73.1)

Пользуясь формулой (70.1), имеем также

(73.2)

т. е. можно сказать, что яркость источника равна световому потоку, испускаемому с единицы площади види­мой поверхности источника внутри единичного телесного угла.

Яркость одних участков поверхности источника может отличаться от яркости других участков. Например, различ­ные участки пламени свечи, лампы и т, п. имеют сильно различающиеся яркости. Кро­ме того, яркость зависит от направления, в котором про­исходит излучение источни­ка. Это связано с тем, что си­ла света многих источников зависит от направления. На­пример, электрическая дуга по некоторым направлениям совсем не посылает света (рис. 160).

Итак, яркость может слу­жить для характеристики из­лучения какого-либо участка поверхности источника в за­данном направлении. Вместе с тем яркость имеет большое значение в силу того, что, как мы увидим ниже, это — та световая величина, на которую непосредственно реагирует глаз.

Единицей яркости является кандела на квадратный метр. Такой яркостью обладает светящаяся площадка, дающая с каждого квадратного метра силу света, равную 1 кд в направлении, перпендикулярном к пло­щадке.

Характеристики яркости различных светящихся тел приведены в табл. 2.

Рис. 160. Яркость электричес­кой дуги, пропорциональная дли­не стрелок на рисунке, зависит от направления излучения

Таблица 2. Яркость некоторых источников света (в кд/м²)

Источники света с большой яркостью (свыше 1,6•10⁵ кд/м²) вызывают болезненное ощущение в глазу. Для того чтобы глаз не подвергался действию яркого света источников, применяют различные приспособления. Так, например, рассматривание раскаленной спирали лампы на­каливания вредно и даже болезненно для глаза. Если же колба лампочки сделана из матового или молочного стекла или прикрыта арматурой в виде матового шара, то излучае­мый ею световой поток исходит с большей поверхности. Бла­годаря этому яркость падает, тогда как световой поток прак­тически не изменяется и, следовательно, освещенность, соз­даваемая лампой, также остается неизменной.

Яркость освещенных поверхностей. Экраны кинотеат­ров и аудиторий, окрашенные потолки, стены, декорации и т. д. представляют собой диффузно отражающие поверх­ности.

Такого рода поверхности при освещении играют роль протяженных источников с большими поверхностями и обычно с умеренной яркостью. В этом смысле они удачно дополняют мало протяженные самосветящиеся источники (лампы накаливания, газосветные лампы, свечи и т. п.), которые обычно обладают небольшими поверхностями и большими яркостями.

Яркость такой освещенной поверхности будет, очевидно, пропорциональна ее освещенности. Действитель­но, чем больше освещенность, т. е. чем бо'льший световой поток падает на единицу поверхности, тем больше будет и поток, отраженный этой поверхностью, а следовательно, и яркость освещенной поверхности.

Яркость освещенной поверхности будет, кроме того, тем больше, чем больше ее альбедо, т. е. чем большая часть падающего на поверх­ность потока рассеивается ею. Таким образом, яркость освещенной по­верхности L должна быть пропорциональна произведению освещенности Е на альбедо r, т. е. L~r•E. В зависимости от диаграммы рассеяния яркость по разным направлениям может быть различна, и вычисление ее представляет очень сложную задачу. Задача эта упрощается, если по­верхность рассеивает свет равномерно по всем направлениям. В таком случае и яркость по всем направлениям будет одинаковой и равной

(77.1)

Если освещенность Е выражается в люксах, то яркость получится в канделах на квадратный метр.

Найдем, например, яркость киноэкрана, если его коэффициент отражения r=0,75, а освещенность равна 50 лк. Пользуясь формулой (77.1), имеем

Приведем значения яркости освещенных поверхностей (табл. 3), с которыми часто приходится встречаться в жизни

Таблица 3. Яркость некоторых освещенных поверхностей (в кд/м²)