Яркость

Свеча типа чайной свечи , полученная с помощью камеры яркости; условные цвета указывают уровни яркости на полосе справа (кд/м ² )

Яркость — это фотометрическая мера интенсивности света на единицу площади , распространяющегося в заданном направлении. ^[1] Она описывает количество света, которое проходит через определенную область, испускается из нее или отражается от нее и попадает в заданный телесный угол .

Процедура преобразования спектральной яркости в яркость стандартизирована CIE и ISO . ^[2]

Яркость — это термин , обозначающий субъективное впечатление от объективного стандарта измерения яркости (см. Объективность (наука) § Объективность в измерении для получения информации о важности этого контраста).

Единица яркости в системе СИ — кандела на квадратный метр (кд/м ² ). Не в системе СИ для той же единицы используется термин нит . Единицей в системе единиц Сантиметр-грамм-секунда (СГС) (которая предшествовала системе СИ) является стильб , который равен одной канделе на квадратный сантиметр или 10 ккд/м ² .

Описание

Яркость часто используется для характеристики излучения или отражения от плоских, диффузных поверхностей. Уровни яркости указывают, какую силу света может обнаружить человеческий глаз, глядя на определенную поверхность под определенным углом зрения . Таким образом, яркость является показателем того, насколько яркой будет выглядеть поверхность. В этом случае интересующий нас телесный угол — это телесный угол, охватываемый зрачком глаза .

Яркость используется в видеоиндустрии для характеристики яркости дисплеев. Типичный компьютерный дисплей излучает между50 и 300 кд/м ^2. Солнце имеет яркость около1,6 × 10 ⁹ кд/м ² в полдень. ^[3]

Яркость инвариантна в геометрической оптике . ^[4] Это означает, что для идеальной оптической системы яркость на выходе такая же, как и яркость на входе.

Для реальных пассивных оптических систем выходная яркость в лучшем случае равна входной. Например, если использовать линзу для формирования изображения, которое меньше исходного объекта, то световая мощность концентрируется в меньшей области, что означает, что освещенность на изображении выше. Однако свет на плоскости изображения заполняет больший телесный угол, поэтому яркость оказывается такой же, если предположить, что на линзе нет потерь. Изображение никогда не может быть «ярче» источника.

Влияние на здоровье

Повреждение сетчатки может произойти, когда глаз подвергается воздействию высокой яркости. Повреждение может произойти из-за локального нагрева сетчатки. Фотохимические эффекты также могут вызвать повреждение, особенно при коротких длинах волн. ^[5]

Серия стандартов IEC 60825 содержит рекомендации по безопасности, связанной с воздействием лазеров на глаза, которые являются источниками высокой яркости. Серия стандартов IEC 62471 содержит рекомендации по оценке фотобиологической безопасности ламп и ламповых систем, включая светильники. В частности, она определяет пределы воздействия, эталонную методику измерения и схему классификации для оценки и контроля фотобиологических опасностей от всех электрически приводимых в действие некогерентных широкополосных источников оптического излучения, включая светодиоды, но исключая лазеры, в диапазоне длин волн от200 нм через3000 нм . Этот стандарт был разработан как Стандарт CIE S 009:2002 Международной комиссией по освещению.

Измеритель яркости

Яркомер — это устройство, используемое в фотометрии , которое может измерять яркость в определенном направлении и с определенным телесным углом . Простейшие устройства измеряют яркость в одном направлении, в то время как измерители яркости изображения измеряют яркость способом, аналогичным тому, как цифровая камера записывает цветные изображения. ^[6]

Формулировка

Яркость указанной точки источника света в указанном направлении определяется смешанной частной производной , где $L_{\mathrm {v} }={\frac {\mathrm {d} ^{2}\Phi _{\mathrm {v} }}{\mathrm {d} \Sigma \,\mathrm {d } \Omega _{\Sigma }\cos \theta _{\Sigma }}}$

$L v$ — яркость ( кд / м 2 );
$d 2 Φ v$ — световой поток ( лм ), выходящий из области $dΣ$ в любом направлении, содержащемся внутри телесного угла $dΩ Σ$ ;
$dΣ$ — бесконечно малая площадь (м2 ⁾ источника, содержащая указанную точку;
$dΩ Σ$ — бесконечно малый телесный угол ( ср ), содержащий указанное направление; и
$θ Σ$ — угол между нормалью $n Σ$ к поверхности $dΣ$ и указанным направлением.^[7]

Если свет проходит через среду без потерь, яркость не меняется вдоль данного светового луча . Когда луч пересекает произвольную поверхность $S$ , яркость определяется как где ${\ displaystyle L _ {\ mathrm {v} } = {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ Phi _ {\ mathrm {v} } {\ mathrm {d} S \, \ mathrm {d} \Omega _{S}\cos \theta _{S}}}}$

$d S$ — бесконечно малая площадь $S$ , видимая из источника внутри телесного угла $dΩ Σ$ ;
$dΩ S$ — бесконечно малый телесный угол, образуемый dΣ $,$ если смотреть со стороны $d S$ ; и
$θ S$ — угол между нормалью $n S$ к $d S$ и направлением света.

В более общем смысле яркость вдоль светового луча можно определить как $L_{\mathrm {v} }=n^{2}{\frac {\mathrm {d} \Phi _ {\mathrm {v} }}{\mathrm {d} G}}$

$d G$ — этендью бесконечно узкого пучка, содержащего указанный луч;
$dΦ v$ — световой поток, переносимый этим лучом; и
$n$ — показатель преломления среды.

Отношение к освещенности

Яркость отражающей поверхности связана с получаемой ею освещенностью : где интеграл охватывает все направления излучения $Ω$ $Σ$ , $\int _{\Omega _{\Sigma }}L_{\text{v}}\mathrm {d} \Omega _{\Sigma }\cos \theta _{\Sigma }=M_{\text{v}}=E_{\text{v}}R,$

$M v$ — светимость поверхности;
$Ev —$ полученная освещенность; и
$R$ — отражательная способность .

В случае идеально диффузного отражателя (также называемого ламбертовским отражателем ) яркость изотропна, согласно закону косинуса Ламберта . Тогда соотношение простое $L_{\text{v}}={\frac {E_{\text{v}}R}{\pi }}.$

Единицы

Для яркости использовались различные единицы, помимо канделы на квадратный метр. Яркость по сути то же самое, что и поверхностная яркость , термин, используемый в астрономии. Она измеряется с помощью логарифмической шкалы, звездных величин на квадратную угловую секунду (MPSAS).

Смотрите также

Относительная яркость
Порядки величины (яркость)
Рассеянное отражение
Этендю
Значение экспозиции § EV как мера яркости и освещенности
Ламбертовское отражение
Светлота (цвет)
Luma , представление яркости на видеомониторе
Люмен (единица)
Яркость , радиометрическая величина, аналогичная яркости.
Яркость , субъективное впечатление от яркости
Блики (зрение)

Таблица единиц СИ, связанных со светом

^ Символы в этом столбце обозначают размеры : « L », « T » и « J » обозначают длину, время и силу света соответственно, а не символы для единиц литр, тесла и джоуль.
^ Организации по стандартизации рекомендуют обозначать фотометрические величины индексом "v" (для "визуальный"), чтобы избежать путаницы с радиометрическими или фотонными величинами. Например: Стандартные буквенные символы США для светотехники USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
^ abc Иногда встречаются альтернативные символы: $W$ для световой энергии, $P$ или $F$ для светового потока и $ρ$ для световой эффективности источника.

Ссылки

^ "люмба, 17-21-050". CIE S 017:2020 ILV: Международный светотехнический словарь, 2-е издание . CIE - Международная комиссия по освещению. 2020. Получено 20 апреля 2023 г.
^ ISO/CIE 23539:2023 CIE TC 2-93 Фотометрия — Система физической фотометрии CIE. ISO/CIE. 2023. doi :10.25039/IS0.CIE.23539.2023.
^ "Яркость". Глоссарий светодизайна . Получено 13 апреля 2009 г.
^ Dörband, Bernd; Gross, Herbert; Müller, Henriette (2012). Gross, Herbert (ред.). Справочник по оптическим системам . Том 5, Метрология оптических компонентов и систем. Wiley . стр. 326. ISBN 978-3-527-40381-3.
^ IEC 60825-1:2014 Безопасность лазерных изделий. Часть 1: Классификация оборудования и требования (на английском, французском и испанском языках) (3-е изд.). Международная электротехническая комиссия . 15.05.2014. С. 220.- ТК 76 - Безопасность оптического излучения и лазерного оборудования
^ "e-ILV : Luminance meter". CIE. Архивировано из оригинала 16 сентября 2017 г. Получено 20 февраля 2013 г.
^ Чавес, Хулио (2015). Введение в неизображающую оптику, второе издание. CRC Press . стр. 679. ISBN 978-1482206739. Архивировано из оригинала 2016-02-18.

Внешние ссылки

Руководство Kodak по оценке яркости и освещенности с использованием экспонометра камеры. Также доступно в формате PDF.
Autodesk Design Academy Измерение уровня освещенности