Открыть главное меню

Спектральная световая эффективность монохроматического излучения

Спектра́льная светова́я эффекти́вность монохромати́ческого излуче́ния — физическая величина, характеризующая чувствительность человеческого глаза к воздействию на него монохроматического света. Обозначается , в Международной системе единиц (СИ) имеет размерность лм/Вт. Устаревшее название — видность.

Спектральная световая эффективность монохроматического излучения
Размерность J·L-2·M-1·T3
Единицы измерения
СИ лм·Вт-1
Примечания
Скалярная величина

Световую эффективность удобно и целесообразно представлять в виде произведения двух сомножителей: где  — значение , достигаемое в максимуме, а  — безразмерная функция длины волны, принимающая в максимуме значение, равное единице. Функция называется относительной спектральной световой эффективностью монохроматического излучения, её физический смысл заключается в том, что она представляет собой относительную спектральную чувствительность среднего (нормального) человеческого глаза[1].

Содержание

ОпределенияПравить

Как известно, у человека существует два основных механизма восприятия света. Один из них реализуется с помощью колбочек при относительно высоких яркостях и освещённостях и носит название дневного зрения. Другой — палочковый — имеет место при низких значениях яркостей и освещённостей и называется ночным зрением[2] Эти механизмы существенно отличаются друг от друга как по величине чувствительности к свету, так и по характеру зависимости чувствительности глаза от длины волны воздействующего на него света. Соответственно, в фотометрии определяется две различных функции относительной спектральной световой эффективности: одна из них   — для дневного зрения, другая —   — для ночного.

Дневное зрениеПравить

 
Относительная спектральная световая эффективность для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения.

Определение  , основанное на процедуре измерения, формулируется следующим образом[3].

Относительной спектральной световой эффективностью монохроматического излучения для дневного зрения   c длиной волны   называют отношение двух потоков излучения соответственно с длинами волн   и  , вызывающих в точно определённых условиях зрительные ощущения одинаковой силы; при этом длина волны   выбрана таким образом, что максимальное значение этого отношения равно единице.

Условия измерения в частности выбираются так, чтобы угловой размер поля зрения при измерениях составлял 2 градуса, что соответствует угловому размеру центрального углубления желтого пятна сетчатки.

Итогом большой работы, выполнение которой началось ещё в XIX веке, явилось получение набора значений   для диапазона длин волн 380—770 нм. Значения   были получены в результате усреднения данных, полученных с участием большого количества наблюдателей. В 1924 году Международная комиссия по освещению (МКО)[4] утвердила этот набор в качестве стандарта, после чего он стал международно признанным и в качестве такового используется вплоть до настоящего времени. В Российской Федерации данный стандарт также является действующим[3].

Зависимость   приведена на рисунке. Её максимум располагается на длине волны 555 нм. В системе СИ единица силы света кандела определена таким образом, что максимальная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения   равна 683 лм/Вт[5]. Таким образом, выполняется:  

Ночное зрениеПравить

В качестве определения световой эффективности для случая ночного зрения пригодна приведённая выше формулировка после соответствующей замены в ней наименования определяемой величины.

В результате выполнения необходимых измерений и исследований была получена зависимость  . Её табличные значения были в 1951 г. утверждены МКО в качестве стандарта. В графическом виде она приведена на рисунке. Как видно из рисунка, кривая   сдвинута относительно   в коротковолновую сторону, при этом её максимум находится на 507 нм.

Сумеречное зрениеПравить

В сумеречном зрении одновременно принимают участие, как колбочки, так и палочки. При этом относительный вклад рецепторов каждого типа изменяется при изменении уровня освещения, соответственно изменяется и световая эффективность. Поэтому сумеречному зрению невозможно сопоставить какую-либо одну стандартную функцию, описывающую спектральную зависимость световой эффективности.

ИспользованиеПравить

Активную часть своей жизни человек проводит главным образом в таких условиях освещения, когда функционирует дневное зрение. Пользуясь им, он получает большую часть визуальной информации. По этим причинам на практике в основном используется спектральная эффективность  , относящаяся к дневному зрению. Именно она (вместе с коэффициентом  ) лежит в основе системы световых фотометрических величин.

Система фотометрических величин устроена так, что любой энергетической величине   соответствует определённая световая величина  . В случае монохроматического света связь между ними описывается соотношением

 

Для немонохроматического света аналогичное по смыслу соотношение имеет вид:

 

где   — спектральная плотность величины  . Спектральная плотность определяется как отношение величины   приходящейся на малый спектральный интервал, располагающийся между   и   к ширине этого интервала:

 

С учётом численного значения   получается:

 

Таким образом, использование относительной световой эффективности   позволяет, зная энергетические характеристики света, рассчитывать его световые параметры.

ПримечанияПравить

  1. Чувствительность глаза конкретного наблюдателя в норме может заметно отличаться от чувствительности глаза среднего наблюдателя. Различия становятся ещё значительнее при возрастных или патологических отступлениях от нормы.
  2. Отдельно выделяют также сумеречное зрение, когда одновременно функционируют и колбочки, и палочки.
  3. 1 2 ГОСТ 8.332-78. Государственная система обеспечения единства измерений. Световые измерения. Значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения.
  4. International Commission on Illumination (CIE)
  5. Число 683 лм/Вт является приближённым значением  , более точное значение — 683,002 лм/Вт. Подробности приведены в статье Кандела.

ЛитератураПравить

  • Гуревич М. М. Фотометрия. Теория, методы и приборы. — Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. — 272 с. — 7 500 экз.
  • Гуторов М. М. Основы светотехники и источники света. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 384 с. — 20 000 экз.

См. такжеПравить