Was ist die Helligkeit einer Lichtquelle und die Helligkeit einer reflektierenden Oberfläche?

Um die Beleuchtung verschiedener Oberflächen zu berechnen, ist es manchmal sehr praktisch, Lichtquellen als Punktquellen zu betrachten. In Wirklichkeit gibt es jedoch keine punktuellen Lichtquellen, sie haben immer eine bestimmte Größe und ihre eigene Form. Eine Lampe, ein Kronleuchter, eine Stehlampe, ein Suchscheinwerfer usw. sind real, dh keine Punktlichtquellen, die nicht nur durch die Kraft des Lichts charakterisiert werden können.

Wenn wir zum Beispiel eine in der Ferne befindliche Leuchtkugel betrachten und sie mit einer anderen Leuchtkugel mit genau der gleichen Lichtintensität, aber unterschiedlichem Durchmesser vergleichen, stellt sich heraus, dass die Kugeln zwar die gleiche Beleuchtung in gleichen Entfernungen erzeugen, sie jedoch für den Betrachter Sie sehen anders aus: Eine Kugel mit kleinerem Durchmesser sieht heller aus als eine größere Kugel.

Der Grund für dieses Phänomen ist, dass obwohl die Lichtstärke der Kugeln gleich ist, eine von ihnen eine größere Strahlungsfläche und die andere eine kleinere hat. Dies bedeutet, dass die von einer Flächeneinheit emittierte Lichtleistung für diese Quellen nicht gleich ist und dieser Parameter für eine kleine Kugel offensichtlich größer ist.

Aber selbst wenn wir beginnen, eine Art Lichtquelle aus einer bestimmten Entfernung zu betrachten, spielt es für uns weniger eine Rolle als die sichtbare Fläche, dh ihre Größe in Projektion auf die Beobachtungsebene senkrecht zur Blickrichtung.

Damit ein Beobachter eine reale Lichtquelle mit Abmessungen und Form vollständig charakterisieren kann, muss er sowohl die Lichtintensität der Quelle als auch die Größe der Lichtintensität pro Flächeneinheit der sichtbaren Oberfläche der Quelle kennen.

Dieses Verhältnis wird als Helligkeit L der Quelle des Satzes bezeichnet. Wenn die Lichtintensität gleich I ist und der sichtbare Bereich gleich s ist, ist die Helligkeit der Lichtquelle gleich (die Lichtintensität kann hier durch den Lichtfluss und den Raumwinkel beschrieben werden, dann ist die Helligkeit gleich dem von ihr emittierten Lichtfluss Einheitsfläche der sichtbaren Oberfläche der Lichtquelle innerhalb eines Einheitsraumwinkels):

Bei Lichtquellen ist die Helligkeit der verschiedenen Bereiche unterschiedlich: Bei einer Leuchtstofflampe sind die Ränder der Glühbirne dunkler und die Kerzenflamme im Lichthof um den Docht usw. heller. Die Helligkeit hängt auch stark davon ab, auf welcher Seite wir die Quelle betrachten.

Wenn Sie beispielsweise den Schweißlichtbogen zufällig betrachten, wird er in der Richtung senkrecht zur Entladung heller als bei Betrachtung desselben Lichtbogens von der Seite. Das heißt, die Helligkeit kennzeichnet die Oberfläche, die Licht in einer ausgewählten, genau definierten Richtung emittiert. Dies ist ein sehr wichtiges Merkmal, da unsere Helligkeit auf die Helligkeit (Lichtstärke pro Flächeneinheit) und nicht auf die Lichtstärke an sich reagiert.

Die Lichtstärke wird in Candela bzw. die Helligkeit gemessen - in Candela pro Quadratmeter. Eine Candela pro Quadratmeter ist so hell, dass eine leuchtende Ebene besitzt, die Licht von jedem Quadratmeter mit einer Kraft von 1 Candela (Cd) in der Richtung senkrecht zur Ebene abgibt. Hier sind zum Beispiel die ungefähren Helligkeiten einiger gängiger Lichtquellen:

Durch das Einwirken auf unsere Augen können Lichtquellen gefährlich sein. Wenn die Helligkeit über 160.000 Candela pro Quadratmeter liegt, verursacht dies Augenschmerzen. Um die schädlichen Auswirkungen von hellem Licht zu vermeiden, hat die Menschheit verschiedene Tricks gelernt.

Die Glühbirnen von leistungsstarken Glühlampen sind undurchsichtig und groß, um das Licht zu streuen und es nicht von einem kleinen Bereich des Glühfadens, sondern von einer großen Oberfläche der Glühbirne oder des Schirms zu emittieren. So wird die Helligkeit für die Augen sicher reduziert und die Beleuchtung bleibt nahezu unverändert.

Wenn wir über reflektierende Oberflächen wie gestrichene Wände, Projektionswände, dekorative Produkte usw. sprechen, weisen sie diffuse reflektierende Eigenschaften in Bezug auf die Lichtquelle auf. Dies bedeutet, dass sie das auf sie einfallende Licht teilweise reflektieren und nun selbst als Lichtquellen mittlerer Helligkeit, aber eines großen Bereichs fungieren.

Dies spielt uns in die Hände, da Standardlichtquellen (Lampe, Lampe, Kerze, Kronleuchter, Laterne) eine erhebliche Helligkeit, aber eine kleine Oberfläche haben. In der Zwischenzeit hat die beleuchtete Oberfläche eine Helligkeit proportional zu ihrer Belichtung E: Je größer der Lichtstrom auf der reflektierenden Oberfläche ist, desto höher ist seine Helligkeit.

Und die Helligkeit dieser Oberfläche ist proportional zu ihrer Albedo r (von lat. Albus - weiß) - der Eigenschaft des diffusen Reflexionsvermögens der Oberfläche. Je größer die Albedo r ist, dh je größer der von der Oberfläche gestreute einfallende Lichtfluss ist, desto größer ist die Helligkeit einer solchen Oberfläche.

Die Helligkeit der beleuchteten Oberfläche ist also proportional zum Produkt aus Albedo und Beleuchtung, und in verschiedenen Richtungen ist die Helligkeit unterschiedlich - abhängig vom Streumuster der beleuchteten Oberfläche.

Wenn die Oberfläche das auf sie einfallende Licht gleichmäßig streut, wird die Helligkeit in jede Richtung ganz einfach berechnet. Wenn das Streudiagramm komplex ist, wird die Berechnung der Helligkeit zu einer ziemlich komplizierten Aufgabe.

Für eine gleichmäßige Streuung reicht es aus, die Formel (Beleuchtung - in Lux, Helligkeit - Candela pro Quadratmeter) zu verwenden:

Angenommen, es gibt eine Projektionswand mit einer Albedo von 0,8 und einer Beleuchtung von 60 Lux. Dann beträgt die Helligkeit 0,8 * 60 / 3,14 = 15,3 Candela pro Quadratmeter. Hier sind Beispiele für sehr häufige Oberflächen und ihre Helligkeit:

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