Светотехнические параметры и понятия. часть 1

Теория Цвета

• О цвете с самого начала

• Музей цветовых моделей

• Словарь теории цвета

• Как подобрать гармоничную комбинацию цветов

Словарь теории цвета

Цветом можно любоваться бесконечно, но вот обсуждать тему цвета, порой бывает трудно. Дело в том, что слова, которые мы используем для описания цвета, слишком неточны и часто приводят к взаимному непониманию. Путаница происходит не только с такими техническими терминами как «яркость», «насыщенность» и «цветность», но даже с такими простейшими словами, как «светлый», «чистый», «яркий» и «тусклый». Даже специалисты ведут свои споры так до сих пор и не утвердив стандартные определения понятий.

Цвет — это феномен света, вызываемый способностью наших глаз определять различные количества отражённого и проецируемого света. Наука и технология помогла нам понять, как физиологически человеческий глаз воспринимает свет, измерить длины волн света, узнать количества несомой ими энергии. И теперь мы понимаем, насколько сложно понятие «цвет». Ниже мы рассказываем о том, как мы определяем свойства цвета.

Мы попытались составить словарь терминов и понятий. И хотя мы не претендуем на единственный авторитет в теории цвета, определения, которые вы здесь найдёте, подкрепляются другими математическими и научными аргументами. Пожалуйста, сообщите нам, если в данном словаре отсутствуют какие-либо слова и понятия, о которых вы бы хотели узнать.

Измерение цветовой температуры спектрометром.

МК350N — буквенно-цифровое название самого популярного измерительного устройства для выявления физических характеристик световых источников.

Параметры, которые определяет МK350N:

• данные о цветовой температуре всех осветительных приборов;
• информация о длине волны;
• количество люксов;
• индекс цветопередачи;
• максимальный и минимальный углы освещения.

Этот список можно пополнить, но ограничимся лишь основными пунктами.

Спектрометр славится эффективностью, точностью расчетов и функционированием без сложной калибровки, поэтому часто покупается «домашними» измерителями. После всех преимуществ сложилось впечатление, что это изделие идеально. Устройство и вправду получит все необходимые данные о температуре свечения, уровне освещенности и другие, но и стоит оно недешево. В России профессиональную модель можно найти за 2 тысячи долларов, которые отбивают всякое желание исследовать. Не спешите расстраиваться Измерение цветовой температуры можно проводить и не профессиональными устройствами, потому что на российском рынке продаются и любительские приборы, стоимость которых устроит почти каждого измерителя.

Понятие освещенности

Освещенностью называется показатель, который измеряется как соотношение величины потока света к единице площади, на которую перпендикулярно он падает.

При расчетах необходимо учесть, что освещенность:

• прямо пропорциональна силе светового потока;
• обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой площади;
• прямо пропорциональна косинусу угла, под которым световой поток падает.

Освещение может быть:

• естественное – проникает в помещения через проемы несущих конструкций;
• искусственное – создается осветительными приборами;
• совмещенное – естественное, дополненное искусственным.

В помещении можно устроить общую (чаще всего потолочную), местную (подающую свет на отдельные зоны), комбинированную (общую, дополненную местным) систему освещения.

Яркость лампочки.

В настоящее время, если Вам нужно выбрать лампочку по степени яркости, недостаточно знать её мощность в ваттах. Ваттами можно было руководствоваться при выборе традиционных ламп накаливания. Теперь мы должны научиться измерять яркость лампочек в люменах.

Это особенно касается при покупке светодиодных лампочек. К сожалению, продавец не всегда может толкового объяснить, допустим какую светодиодную лампочку Вам нужно купить для замены лампы накаливания, чтобы уровень освещенности у Вас остался на прежнем уровне.

Следующая таблица поможет Вам сопоставить уровни яркости лампочек, изготовленных по разным технологиям.

В верхней части этой таблицы у Вас обозначена яркость лампы в люменах.

Допустим, вы  хотите заменить старую 60 Вт лампочку накаливания и получить такое же количество света. Тогда вы знаете, вам нужно получить не менее 700 люменов, чтобы получить яркость подобную старой лампочки.

Таким образом, при замене старой 60 Вт лампы накаливания на современную светодиодную лампочку (LED) с количество люменов равным 700, Вы получите экономию электричества около 80 %.

Что такое световой поток?

Поток света – это мощность светового излучения, видимого глазом человека; световая энергия, излучаемая поверхностью (светящейся или отражающей лучи). Энергия светового потока измеряется в люмен-секундах и соответствует потоку 1 люмен, излучаемому или воспринимаемому за 1 секунду. Этот показатель описывает полный поток, не учитывая сосредоточивающую эффективность всего прибора. Такая оценка включает также рассеянный, бесполезный свет, поэтому одно и то же количество люменов может оказаться у разных по конструкции источников.

Следует различать световую величину и энергетическую – последняя характеризует свет независимо от его свойства вызывать зрительные ощущения. Каждая фотометрическая световая величина имеет аналог, который можно выразить количественно в единицах энергии или мощности. Для световой энергии таким аналогом является энергия излучения (лучистая энергия), измеряемая в джоулях.

Современная единица яркости

Наука, которая изучает световые процессы, называется фотометрией. Она характеризует электромагнитные излучения светового диапазона. В фотометрии измерения производят с помощью диапазона спектра, который не отличается от обзора видимости человеческого глаза. Яркость определяет собой поток, который посылается лишь в определенном направлении видимой поверхности, она полностью может охарактеризовать светящееся тело.

В международной системе измерений (СИ) яркость можно измерить в канделах на квадратный метр. Если ранее измерением яркости служила НИТ, то сейчас ее принято измерять в канделах.

Кандела на квадратный метр (кд / м² ) — представляет собой производную яркости в системе СИ, основывается на двух измерениях: силы света и площади квадратного метра.

В зависимости от того, в каких масштабах необходимо измерить яркость поверхностей, существуют такие измерения, как кандела на квадратный сантиметр, кандела на квадратный фут, кандела на квадратный дюйм и даже килокандела на квадратный метр.

Килокандела на квадратный метр ( ккд / м² ) — представляет собой также измерение яркости, но в отличие от обычной канделы, она кратна производной в СИ системе.

Современный мир продвинулся настолько далеко, что прогресс достигает все новых и новых высот. Так, появился специальный конвертор, при помощи которого можно перевести абсолютно любые единицы яркости в любые другие. Это не составит особого труда, достаточно написать единицу измерения, которую необходимо перевести, и получить правильный ответ. Правильность ответа может не всегда быть предельно точной, а с некими погрешностями, потому что иногда конверторы могут округлять лишь до 10 цифр после запятой. Некоторые конверторы могут сокращать до экспоненциальной записи, например: 1,103E +6. E — это экспонента, которую в математике легко перевести, умножив на десять в степени.

Физическое представление

A в физике рассматриваемую величину можно выразить через понятие работы. Работа понимается как обмен энергиями между системой и внешней средой. Обмен может происходить в форме электромагнитного излучения. Интенсивность излучения как раз и будет определять яркость. Если понимать, в чем измеряется работа в физике, можно определить физическое представление яркости. Работа в физике измеряется в джоулях, которые можно представить, как Ватт-секунды. То есть мощность излучения, умноженная на время, будет считаться работой. Чем больше мощность светового излучения, тем более ярким будет источник света.

Шкала цветовой температуры

Сегодняшний отечественный рынок предлагает огромный ассортимент источников света на светодиодных кристаллах. Все они работают в различных температурных диапазонах.

Обычно их выбирают в зависимости от места предполагаемой установки, ведь каждая такая лампа создает свой, индивидуальный облик. Одно и то же помещение можно существенно преобразить, изменив в нем лишь цвет освещения.

Для оптимального применения каждого светодиодного источника света следует заранее определиться, какой цвет вам наиболее удобен. Понятие цветовой температуры не связано конкретно со светодиодными лампами, его нельзя привязать и к определенному источнику, оно зависит лишь от спектрального состава выбранного излучения.

Цветовая температура всегда была у каждого светового прибора, просто при выпуске стандартных ламп накаливания их свечение было только «теплым» желтым (спектр излучения был стандартным).

С появлением люминесцентных и галогеновых источников освещения вошел в обиход белый «холодный» свет. Светодиодные лампы характеризуются еще более широкой цветовой гаммой, за счет чего самостоятельный выбор оптимального освещения усложнился, а все его оттенки стали обуславливаться материалом, из которого выполнялся полупроводник.

Индекс цветопередачи светодиодных ламп

Индекс цветопередачи характеризует возможность воспринимать градации цвета. Когда температура света светодиодных ламп ниже 3200 К цветовое восприятие существенно уменьшается. Попробуйте при свете свечи вытащить из коробки цветных карандашей зелёный или коричневый цвет. Поверьте, задача окажется не из лёгких.

Индекс цветопередачи очень чётко регламентируется для автомобильных светодиодных ламп, ведь при плохой цветопередаче может возникнуть ситуация, когда водитель не сможет различить полотно дороги и обочину.

Свет может изменять яркость и насыщенность цветов в помещении. Такое явление называют метамеризмом.

Каждая лампа обладает определенной цветопередачей, которая на упаковке обозначается индексом Ra (или CRl). Данный параметр источника определяется его способностью максимально точно передавать цвета освещаемого объекта.

Лучшего результата вы добьетесь, используя лампы с индексом цветопередачи от 80 Ra и выше. Это позволит всем цветам интерьера выглядеть наиболее естественно.

Характеристика	Коэффициент	Примеры ламп
Эталон	99–100	Лампы накаливания, галогенные лампы
Очень хорошая	Более 90	Люминесцентные лампы с пятикомпонентным люминофором, Лампы МГЛ (металогалогенные), современные светодиодные лампы
Очень хорошая	80–89	Люминесцентные лампы с трехкомпонентным люминофором, светодиодные лампы
Хорошая	70–79	Люминесцентные лампы ЛБЦ, ЛДЦ, светодиодные лампы
Хорошая	60–69	Люминесцентные лампы ЛД, ЛБ, светодиодные лампы
Посредственная	40–59	Лампы ДРЛ (ртутные), НЛВД с улучшенной цветопередачей
Плохая	Менее 39	Лампы ДНат (натриевые)

Различные типы ламп, обладая одинаковой цветовой температурой, могут передавать цвета по-разному. Индекс цветопередачи определяет степень отклонения цвета предметов интерьера от его настоящего при освещении той или иной лампой.

Светодиодное освещение

Светодиодный светильник — один из наиболее популярных видов приборов для освещения.

Цветовая температура ламп накаливания светодиодов представлена такими оттенками:

• теплый белый (Warm White) — до 3300 К;
• натуральный белый (Natural White) — до 5000 К;
• холодный белый (Cold White или Cool White) — более 5000 К.

Характеристики температуры диодов являются определяющим фактором при выборе сферы их использования. Они применяются для освещения улиц, подсветки рекламных щитов и осветительного оборудования для автомобиля.

К преимуществам холодного света можно отнести контрастность, благодаря которой он находит широкое применение в освещении затемненных территорий. Такие светодиодные лампы могут распространять свет на большие расстояния, поэтому их часто используют в освещении дорог.

Светодиоды, излучающие теплое свечение, используются в основном для освещения небольших территорий. Световой поток теплых и нейтральных тонов создает нужный эффект при пасмурной и дождливой погоде. Наличие атмосферных осадков оказывает влияние на излучение холодного света, в то время как теплый свет не претерпевает какого-либо существенного искажения при дождливой или снежной погоде.

Особенность теплого свечения светодиодных ламп заключается в том, что они позволяют четко увидеть как освещаемый предмет, так и окружающую его территорию. Благодаря такой специфике теплая гамма эффективно применяется при подводном освещении.

Цветопередача светодиодных ламп имеет свои особенности: холодные оттенки свечения неправильно передают цвета окружающих вещей. Такой свет создает резкость и яркость, что негативно отражается на зрении. Теплый цвет свечения более благотворно влияет на глаза.

Свечение энергосберегающих ламп характеризуется теплой цветовой гаммой. Они близки к естественным источникам света, благодаря этому их хорошо использовать, чтобы освещать жилища.

Виды контрастности: какая лучше?

Выделяют несколько видов контрастности: естественную (статическую) и динамическую. Статическая определяется только возможностями модели телевизора, а динамическая является умной разработкой и относится к дополнительным технологиям.

Естественная (или статическая)

Статическая контрастность измеряется в неподвижной картинке. В момент стоп-кадра замеряется соотношение между самой яркой и самой темной частью экрана. На рынке ценятся экраны с высокой естественной контрастностью, ведь она передаёт изображение более близкое к реальному.

Телевизор с высокой естественной контрастностью способен отобразить яркий белый и глубокий черный цвет.

Динамическая

Динамическая контрастность ‒ ноу-хау современности, ведь эта технология позволяет настраивать контрастность, исходя из картинки, прибегая к изменению яркости подсветки матрицы.

В сменяющемся сюжете контрастность настраивается автоматически. Если на экране появится картинка в ярких оттенках, тогда поток света увеличится. При показе темных изображений со значительным количеством черных деталей, световой поток уменьшится.

Модели с такой встроенной технологией выигрывают у конкурентов, где нет этого потому, что за счет неё увеличивается контрастность и качество изображения.

Именно поэтому естественной контрастности можно отдать предпочтение. Высокий показатель естественной контрастности обеспечит более качественную картинку, где белый цвет будет выглядеть ярким, натуральным.

Как измерить яркость освещения

Измерить яркость можно с помощью специализированного прибора. В качественном яркометре устанавливают:

• объектив с высокой светосилой;
• чувствительную матрицу;
• микропроцессорный блок обработки/ вывода информации.

Если хорошо настроить такой прибор, он сможет измерять силу света на большом расстоянии от источника (отражающей поверхности).

Люксометр

Приборы этой категории создают со встроенным или выносным датчиком. Простейшие стрелочные приборы стоят недорого. Однако пользоваться ими неудобно в труднодоступных местах и при высоком уровне вибраций. Повышенную точность обеспечивают цифровые модели. Фоточувствительный датчик устанавливают на поверхности. После обработки результат измерений отображается на дисплее и записывается в памяти.

Измерение люксометром

Измерение

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров, либо фотометрических гониометров. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях — в телесный угол 4π.

Для этого можно использовать сферический фотометр — прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения, близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеянный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м²) по площади сферы (м²), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр. .

Измерение яркости

Поскольку свет имеет измеримые параметры, то яркость как параметр света имеет свои единицы измерения. Сейчас, по интернациональной системе СИ, яркость измеряется в канделах на квадратный метр, значение этой единицы соответствует принятой в старину единице нит, величина которой выражалась отношением одной канделы к одному метру в квадрате. Кроме нитов, единицами яркости также были:

• Стильб;
• Апостильб;
• Ламберт.

Апостильб в настоящее время является устаревшей величиной, которая вышла из употребления она в 1978 году. Она обозначала яркость поверхности площадью 1 квадратный метр и излучающей световой поток в 1 люмен.

Величина стильб используется системе измерений СГС. В этой системе основными мерами являются меры длины, веса и времени, что в расшифровке аббревиатуры СГС соответствует величинам сантиметр, грамм, секунда. В более поздних версиях системы появились электрические и магнитные расширения СГСЭ и СГСМ. Здесь и находится и стильб, как единица измерения электромагнитного излучения.

Ламберт — это внесистемная единица. Появилась и используется преимущественно в Америке. Ее название происходит от имени немецкого физика Иоганна Ламберта, проводившего исследования в теории систем, иррациональных чисел, фотометрии и тригонометрии. Один ламберт — это единица яркости светящейся поверхности площадью в один квадратный сантиметр и обладающей световым потоком в один люмен.

Яркость

Luminance — cd/m2 — канделы на площадь/Название внесистемной (СИ) единицы яркости измерения — нит (1нт=1кд/1м²).Физический смысл яркости — при освещении — туманен: сколько люменов на телесный угол приходится на площадку в один метр, то есть, это характеристика, как освещает источник света поверхность на некотором расстоянии; или светящийся экран телевизора освещает глаз.Физический смысл яркости освещенной поверхности (при отражении) — свет падает на стену, и как ярко он освещает другую стену или хрусталик глаза, или объектив фотоаппарата, через корорый свет попадает на светочуствительную матрицу фотоаппарата.Человек начинает воспринимать цвета при яркостях более 100 кд/м2 — дневное зрение. Ночное зрение — при яркости примерно 10−3 кд/м².Яркость имеет смысл скорее единица измерения для прикладных целей или физиологических целей.

Измерение цветовой температуры на глаз

Как измерить цветовую температуру на глаз. Когда вы видите тлеющие в костре угольки, красные, раскаленные, можете с гордостью заявить друзьям, что температура этого красного оттенка примерно 800 Кельвинов.

Свет свечи, как уже говорилось, имеет 1500-2000 К.

У лампы накаливания 40 Ватт — 2200 К.

Во время съемки кино применяются лампы на 3200 К.

Лампа дневного света — 4200 К.

Сумерки — 8000 К.

Зимой небо голубое, ясное. Ученые провели исследования и сделали вывод, что в это время цветовая температура неба — 15000 К.

В северных широтах, то есть в Швеции, Канаде, Норвегии и так далее, небо составляет 20000 Кельвин.

Пояснения

Спектральные зависимости относительной чувствительности среднего человеческого глаза для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения

Значение фотометрического эквивалента излучения K_m однозначно задаётся определением единицы силы света канделы, являющейся одной из семи основных единиц системы СИ. По определению одна кандела — это «сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683  Вт/ср». Частоте 540·1012 Гц соответствует в воздухе длина волны 555 нм, на которой располагается максимум спектральной чувствительности человеческого глаза для дневного зрения. Поэтому коэффициент K_m находится из равенства

1 кд = K_m·V_λ(555)·1/683 Вт/ср, откуда следует K_m = 683 (кд·ср)/Вт = 683 лм/Вт.

Для случая ночного зрения значение фотометрического эквивалента излучения изменяется.

Человеческий глаз считается светлоадаптированным при яркостях более 100 кд/м². Ночное зрение наступает при яркостях менее 10−3 кд/м². В промежутке между этими величинами человеческий глаз функционирует в режиме сумеречного зрения.

Чем измеряют степень освещенности

Как мы уже выяснили, единица измерения освещенности — Люкс. Несложно догадаться, как называется прибор, которым измеряют уровень света. «Люкс» плюс «метр» (с древнегреческого переводится как «мера», «измеритель») равно люксметр. Принцип работы этого портативного устройства схож с работой фотометра.

Попадающий на элемент световой поток выпускает электроны в теле полупроводника, из-за чего электроток начинает проводиться фотоэлементом. Величина электрического тока прямо пропорциональна степени освещения фотоэлемента, который и отображается на шкале или на электронном дисплее, если это современная модель люксметра. Аналоговые аппараты снабжены специальной шкалой с градусами. По движению стрелки определяются окончательные результаты замеров.

Цифровые устройства.

На смену аналоговым люксметрам пришли цифровые — маленькие компьютеры. Параметры можно увидеть на небольшом жидкокристаллическом экране. Часть, с помощью которой измеряют свет, часто содержится во внешнем корпусе и соединяется с основным устройством гибким проводом. Из-за такой конструкции можно измерять освещение в любых местах, даже труднодоступных. Согласно ГОСТ, погрешность аппарата не должна превышать 10 процентов.

Важные моменты.

При расчете сравнительной световой интенсивности можете сделать замер интенсивности освещения аналоговым или цифровым устройством. Современные измерители отображают параметры в люксах, а устаревшие аналоговые – те, которые со стрелочкой, – в фут-канделах. 1 фут-кандела равняется 10.76 люкс.

Параметры светового излучения

Свет как физическое явление характеризуется многими параметрами. Основные используемые в физике таковы:

• Сила света;
• Светимость;
• Яркость;
• Освещенность;
• Световая температура.

Светимость — это световой поток на единицу светящейся поверхности. Чем больше светимость, тем более светлой кажется излучающая поверхность. Единица светимости — люмен на квадратный метр.

Термин освещенность применяется по отношению к освещаемой поверхности. Это отношение светового потока к площади поверхности, то есть насколько хорошо она освещена.

Световая температура показывает воспринимаемый цвет источника излучения. Она измеряется в единицах температуры — Кельвинах — и соответствует температуре излучающего, нагретого до этих градусов тела. Субъективно она воспринимается теплой или холодной. Чем более высокой является цветовая температура, тем более холодным будет цвет. Теплый — это желтый и красноватый, холодный — голубой и фиолетовый.

Что такое люмен

При выборе лампочек мощность – это не основной показатель, так как она показывает, сколько энергии тратит прибор. К примеру, устройство на 60 Вт слабее, чем то, которое рассчитано на 100 Вт. Чтобы узнать силу света, нужно определить такую единицу измерения, как Лм. Люмен – это более точный показатель, так как лампочки с одинаковой мощностью, но разным уровнем КПД (коэффициент полезного действия) и спектральным составом, излучают свет разной интенсивности.

В люменах измеряется количество света, которое испускает осветительный прибор в разные стороны. Эту физическую величину начали использовать еще в середине 20 века.

Чтобы определить степень освещения лампы, используют 2 важные значения – это люмен и люкс.

Таким образом, чтобы оценить эффективность источника света, нужно воспользоваться такой формулой: 1 Лк = 1 Лм/м². Например, если лампа со световым потоком 100 Люмен подсвечивает 1 м², то освещенность будет равна 100 Лк. Если этот же прибор использовать на площади 10 м², то степень освещенности снизиться. Во время расчетов нужно учитывать световой поток, который направленный во все стороны.

ЛЕД-лампочки излучают направленный свет, в отличие от приборов с нитью накала и люминесцентных, которые светят равномерно во все стороны. Чтобы поверхность была освещена одинаково, нужно приобрести светодиоды с меньшей яркостью.