Материал: Ответы ГОС экзамена

Из определения силы света как пространственной плотности светового потока следует, что одна кандела — это сила света точечного источника в тех направлениях, в которых он испускает световой поток в один люмен, одинаково распределенный внутри телесного угла в один стерадиан: 1 кд = 1 лм / 1 ср.

Основываясь на таком представлении силы света, световой поток можно выразить как:

F = I·ω.

В этом уравнении световой поток представляет ту часть общего светового потока, испускаемого источником света, которая приходится на телесный угол ω, а один люмен — световой поток, распространяющийся в пределах телесного угла один стерадиан, при силе света источника, помещенного в его вершину, равной одна кандела.

Если сила света меняется от одного направления к другому, то общий световой поток, испускаемый источником света в окружающее пространство, будет равен:

F = ∫ I·dω.

Освещенность

Освещенность представляет собой поверхностную плотность светового потока, падающего на освещаемую поверхность. При равномерном распределении светового потока F в пределах освещаемой поверхности S значение освещенности можно определить как:

E = F / S.

Освещенность и сила света точечного источника света при нормальном падении лучей (поверхность перпендикулярна лучам) связаны следующим соотношением:

E = I / r²,

где r — расстояние от источника света до освещаемой поверхности.

Это выражение называется законом квадратов расстояний. Его сформулировал еще в 1604 г. немецкий астроном Иоганн Кеплер. Следует помнить, что освещенность будет оставаться постоянной вдоль пучка лучей только тогда, когда они параллельны.

Если лучи от источника падают на поверхность под углом φ к нормали (рис. 5), то тот же световой поток F распределяется по площади, в 1 / cosφ раз большей, чем S (по площади S / cosφ), и формула примет вид:

E = I·cosφ / r²,

Закон квадратов расстояний приемлем для расчета освещенности, создаваемой осветительными приборами, но минимальное значение r определяется таким параметром осветительного прибора как рабочее расстояние.

Следует добавить, что освещенность поверхности может создаваться не одним источником, как показано на рис. 5, а любым числом произвольно расположенных источников, посылающих свет на освещаемую поверхность (или ее элемент) с различных направлений и под разными углами к ее нормали. Тогда общая освещенность будет равна сумме освещенностей поверхности в данной точке от различных источников света:

E = E1 + E2 + E3 + … + En.

Эта формула представляет собой закон аддитивности, из которого следует, что общая освещенность равна сумме освещенностей поверхности в данной точке от различных источников света.

Единицей освещенности является люкс (лк, от лат. lux — свет). То есть, 1 лк = 1 лм / 1 м². Внесистемная единица освещенности: 1 фот = 1 лм / 1 см². В США, Англии и других странах в качестве единицы освещенности часто используется фут-кандела: 1 фут-кандела = 1 лм / 1 фут² = 10,764 лк.

Яркость

Яркость поверхности изотропных излучателей для заданного направления — это отношение силы света, излучаемого в данном направлении, к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению (рис. 6):

L = I / (S·cosφ).

При равномерном освещении диффузно отражающей поверхности уравнение, связывающее яркость этой поверхности с ее освещенностью, будет иметь вид:

L = ρ·E / π.

где ρ — коэффициент отражения поверхности.

Яркость — единственная из световых величин, которую глаз воспринимает непосредственно, и при отсутствии поглощения света в среде распространения она не зависит от расстояния. Уравнение, связывающее яркость объекта L, освещенность Eзр, создаваемую этим объектом на зрачке глаза, и телесный угол ω, в пределах которого глаз видит данный объект, можно представить как:

L = Eзр / ω.

Таким образом, при удалении глаза от объекта, освещенность Eзр на его зрачке снижается, при этом одновременно уменьшается телесный угол ω, но значение яркости L остается неизменным (рис. 7).

Единицей яркости является кандела на квадратный метр (кд / м²). 1 кд / м² — это яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света в 1 кд с 1 м² поверхности.

До момента принятия системы СИ в качестве основной единицы яркости использовали нит (нт, от лат. niteo — блестеть), численно эта единица эквивалентна кд / м².

Другой применяемой несистемной единицей является стильб (сб, от греческого stilbio — блестящий): 1 сб = 10000 нт = 10000 кд / м².

Часто в качестве несистемной единицы для измерения и расчета яркости отражающих свет поверхностей используется апостильб: 1 асб = 1 / π кд / м². Один апостильб — это яркость абсолютно белой, диффузно отражающей поверхности, имеющей освещенность, равную 1 люкс. При расчетах яркости диффузно отражающей поверхности в апостильбах яркость рассчитывается по формуле:

L = ρ·E.

В США в качестве несистемной единицы яркости широко используется ламберт (лб), получившая свое название в честь немецкого ученого И. Ламберта. Коэффициенты для пересчета различных единиц яркости приведены в табл.3.

3. Видеосигнал.

Объектив камеры фокусирует изображение на светочувствительной по­верхности - это может быть «мишень» электронно-лучевой трубки каме­ры или твердотельный датчик (CCD). Здесь свет создает рельеф из кро­шечных электрических зарядов, которые соответствуют расположению света и тени в кадре. Этот электрический рисунок периодически скани­руется по строкам электронным лучом, который считывает по очереди силу каждого заряда. Поскольку величина заряда зависит от освещенно­сти данной точки, изменение получаемого напряжения - видеосигнал -предоставляет электрическое отображение картинки.

В ТВ приемнике (или мониторе) располагается экран (дисплей). Он может быть частью электрон но-лучевой трубки (кинескопа) или твердо­тельного устройства. Видеосигнал передается по кабелю или через эфир и поступает на систему отображения (дисплей). Здесь экран периодиче­ски построчно сканируется лучом точно в те же моменты времени, что и в телекамере - синхронно.

Видеосигнал - основной сигнал в структуре электронного кино для получения экранного изображения. Это электрический сигнал, получающийся на выходе оптоэлектронного преобразо­вателя и представляющий собой часть полного ТВ-сигнала.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) применяют в видеокамерах, телекинопроекторах и другой видеоаппаратуре. ПЗС представляет собой небольшую твердотельную пластинку, не светочувствительной стороне которой, где фокусируется изображение, регулярно, по строкам расположено множество (пс числу элементов изображения) мельчайших фотодатчикои.. Пластинку называют матрицей или чипом ПЗС (от англ chip - пластинка), а расположенные на ней мельчайшие фото датчики - пикселами ( от англ. Picture - элемент изображения). Каждый пиксел, пропорционально его освещенности, генерирует электрические сигналы, которые в заданной последовательности, строка за строкой, выводятся в выходную цепь по­средством управляющих или тактовых импульсов и создают на выходе ПЗС видеосигнал, который соответствует изображению снимаемого объекта [7]. Количество пикселов в матрице колеб­лется от 500 тыс. до 2 млн и бопсе.

Сигнал на выходе ПЗС - аналоговый. Вывод электрических сигналов начинается с левого пиксела первой верхней строки матрицы. Затем выводятся заряды пикселов 3, 5 и т.д. нечетных строк. На кинескопе возникает полукадр с нечетными строками, после чего - с четными строками. Происходит чересстрочная развертка. По используемому стандарту телевизионного веша­ния SLKAM изображение состоит из 625 строк (312,5 четных и 312,5 нечетных) и передается с частотой 25 полных кадров в се­кунду. Частота полукадров составляет 50 в секунду.