Что такое яркость
Яркость описывает, сколько света распространяется от поверхности в направлении наблюдателя в заданном направлении. Это сила света на единицу проекционной площади, и это фотометрическая величина, которая наиболее близко соответствует тому, что человеческий глаз воспринимает как яркость. Когда вы смотрите на дисплей, лампу или небо, ощущение, которое вы регистрируете, связано с яркостью, а не с общим световым потоком, исходящим от источника.
Единицей яркости в системе СИ является кандела на квадратный метр (кд/м²). Эта единица также носит название нит, от латинского nitere — сиять. Дисплей, откалиброванный на 500 нит, излучает 500 кд/м². Эти термины взаимозаменяемы в бытовой электронике, автомобильной промышленности и спецификациях профессиональных дисплеев.
Яркость охватывает множество порядков величины. Сцена, освещённая луной, регистрирует несколько сотых долей кд/м², офисный монитор находится в пределах от 200 до 400 кд/м², поверхность люминесцентной трубки достигает нескольких тысяч кд/м², а солнечный диск превышает 1,6 × 10⁹ кд/м². Преобразование между этими масштабами является рутинной задачей в светотехническом проектировании, разработке дисплеев и науке о зрении.
Основные единицы и их соотношения
Кандела на квадратный метр является основой системы яркости. Все остальные единицы яркости представляют собой фиксированные кратные ей величины. Кандела на квадратный сантиметр (кд/см²) больше в 10 000 раз — один квадратный метр содержит ровно 10 000 квадратных сантиметров. Килокандела на квадратный метр (ккд/м²) — это вспомогательная единица, равная 1 000 кд/м², используемая для сохранения компактности чисел при указании панелей с высоким динамическим диапазоном и экранов, читаемых на открытом воздухе.
Фут-ламберт (fL) относится к имперской системе и до сих пор используется в Северной Америке для кинопроекции и устаревшей документации по дисплеям. Один фут-ламберт равен 1/π канделы на квадратный фут, что составляет примерно 3,426 кд/м². Преобразования с участием фут-ламбертов требуют коэффициента (1/π) × (1 фут²/м²), а не округлённой десятичной дроби — член π является неотъемлемой частью определения ламбертовской поверхности, использованной для вывода этой единицы.
К историческим единицам относятся апостильб (1/π кд/м², около 0,318 кд/м²), скот (10⁻³ апостильба) и брил (10⁻⁷ апостильба). Они встречаются в старой фотометрической литературе и редко применяются в современной практике.
Отличие яркости от освещённости
Яркость и освещённость часто путают, поскольку обе связаны с канделой. Различие носит направленный характер. Освещённость (люкс, или лм/м²) измеряет, сколько светового потока падает на поверхность со всех направлений. Яркость (кд/м²) измеряет, сколько силы света исходит от поверхности в определённом направлении на единицу проекционной площади.
Матовая белая бумага под настольным освещением может получать 500 люкс освещённости. Её яркость при наблюдении с заданного угла зависит от коэффициента отражения бумаги и геометрии пути наблюдения. Для идеального ламбертовского отражателя с коэффициентом отражения ρ, получающего E люкс, яркость равна ρE/π кд/м². Деление на π — это не калибровочный нюанс; это геометрическое следствие распределения падающего потока по полусфере.
Преобразование между освещённостью и яркостью требует знания двунаправленной функции распределения отражения поверхности или, по крайней мере, допущения ламбертовского поведения. Без этого допущения эти две величины не поддаются прямому преобразованию. Конвертер яркости должен рассматривать входные данные освещённости как отдельную задачу и запрашивать свойства поверхности, прежде чем устанавливать связь между двумя областями.
Геометрические факторы и угол наблюдения
Фраза «на единицу проекционной площади» в определении яркости имеет решающее значение. Проекционная площадь — это видимая площадь поверхности, наблюдаемая с направления наблюдения. Если элемент поверхности имеет площадь A и наблюдается под углом θ от нормали, проекционная площадь равна A cos θ. Следовательно, яркость L = I / (A cos θ), где I — сила света в направлении наблюдения.
Для ламбертовского излучателя или отражателя яркость не зависит от угла наблюдения, поскольку сила света спадает по закону cos θ, точно компенсируя член проекционной площади. Многие реальные поверхности приближаются к ламбертовскому поведению в ограниченном угловом диапазоне, но отклонения распространены. Глянцевые экраны, металлические покрытия и световозвращающие материалы — все они демонстрируют яркость, изменяющуюся в зависимости от угла наблюдения.
Конвертер яркости, работающий от единицы к единице, не моделирует угловую зависимость. Он предполагает, что пользователь уже учёл геометрию при измерении. Коэффициент преобразования между кд/м² и кд/см², например, является чисто масштабированием единицы. Пользователь должен убедиться, что в протоколе измерений контролировался угол наблюдения.
Калибровка и измерение
Яркость измеряется с помощью яркомера или спектрорадиометра, оснащённого зондом яркости. Эти приборы принимают свет через заданную апертуру и применяют фотопическую весовую функцию, моделирующую спектральную чувствительность человеческого глаза в условиях дневного освещения. Стандартной весовой кривой является фотопическая функция световой эффективности CIE 1924 года V(λ), а калибровка прибора прослеживается до национальных метрологических институтов через цепочку стандартных ламп и эталонных детекторов.
Неопределённость калибровки ограничивает практическую точность любого преобразования яркости. Ручной яркомер может иметь погрешность от ±2 % до ±5 %. Лабораторный спектрорадиометр способен снизить её до долей процента. Само преобразование единиц является точным, поэтому доминирующая погрешность в любом реальном значении обусловлена измерением, а не арифметикой.
Дрейф чувствительности детектора, паразитная засветка и колебания температуры — всё это вносит вклад в неопределённость измерения. Высококачественные приборы подавляют паразитную засветку с помощью блендирования и оптической конструкции, что особенно важно при измерении тёмных областей, соседствующих с яркими, при тестировании дисплеев.
Длины волн и фотометрическое взвешивание
Яркость — это фотометрическая величина, определяемая через спектральную чувствительность зрительной системы человека. Кандела, а следовательно, и все единицы яркости, взвешивается по фотопической функции световой эффективности CIE, которая достигает пика на 555 нм и падает почти до нуля ниже 380 нм и выше 780 нм.
Энергия излучения вне видимого диапазона не вносит вклада в яркость, даже если физически присутствует. Инфракрасный лазер и зелёный светодиод могут иметь одинаковую силу излучения в Вт/ср, но только светодиод вносит вклад в яркость. Именно поэтому конвертеры яркости не могут связывать фотометрическую и радиометрическую области без спектральных данных: преобразование кд/м² в Вт/(ср·м²) требует спектрального распределения мощности источника, проинтегрированного по V(λ).
Кривая CIE 1924 года недооценивает чувствительность на коротких длинах волн. Более новые функции — модифицированный 2° наблюдатель CIE 1988 года и физиологически обоснованные функции CIE 2006 года — устраняют этот недостаток, но стандарт 1924 года остаётся закреплённым в определении канделы в системе СИ. Различие между весовыми функциями невелико для широкополосных источников, но может быть значительным для узкополосных светодиодов и лазерных дисплеев.
Практический пример
Спецификация дисплея указывает пиковую яркость как 1 кд/см². Поскольку один квадратный метр равен ровно 10 000 квадратным сантиметрам, та же яркость, выраженная в базовой единице СИ, составляет 1 кд/см² = 10 000 кд/м². Это преобразование является точным и не содержит приближений.
Чтобы выразить ту же величину в килоканделах на квадратный метр, разделите на 1 000: 10 000 кд/м² = 10 ккд/м². В фут-ламбертах умножьте по точному пути преобразования: 1 кд/см² × 10 000 (кд/м² на кд/см²) × (1 / (π × 0,3048²)) (fL на кд/м²) ≈ 2 918 fL, хотя сохранение коэффициента с полной точностью позволяет избежать накопленной ошибки округления.
Этот пример иллюстрирует, почему множитель 10 000 между кд/см² и кд/м² является наиболее важным отдельным числом в преобразовании яркости. Он возникает всякий раз, когда согласовываются европейские и североамериканские спецификации дисплеев, и служит мостом между компактным соглашением кд/см² и соглашением кд/м², принятым в СИ.
Точность и ограничения
Сами преобразования единиц математически точны. Одна кандела на квадратный метр — это ровно один нит. Одна кандела на квадратный сантиметр — это ровно 10 000 кд/м². Одна килокандела на квадратный метр — это ровно 1 000 кд/м². Эти числа следуют из определения метра и не несут измерительной неопределённости.
Ограничения конвертера яркости связаны не с арифметикой, а с предметной областью. Инструмент преобразует единицы яркости. Он не преобразует яркость в освещённость без данных о коэффициенте отражения поверхности и геометрии. Он не преобразует яркость в энергетическую яркость без спектральной информации. Он не моделирует угловую зависимость яркости и не применяет фотометрические весовые поправки для различных функций наблюдателя.
Пользователи, работающие с узкополосными источниками, зеркальными поверхностями или нестандартными условиями наблюдателя, должны рассматривать преобразованные значения как отправную точку и обращаться к соответствующим стандартам измерений. Преобразование надёжно; интерпретация результата зависит от качества входных данных.
Источники
- SI Brochure, 9th edition — BIPM
- NIST Special Publication 811 — Guide for the Use of the International System of Units
Редакционная запись
Эта статья была подготовлена в дополнение к Конвертеру яркости SoupCalc. Она опирается на Брошюру СИ в части определений и соотношений единиц, а также на NIST SP 811 в части рекомендаций по выражению фотометрических величин. Практический пример был выбран для иллюстрации наиболее распространённого преобразования, встречающегося при согласовании спецификаций дисплеев. Различие между яркостью и освещённостью было включено, поскольку оно является наиболее частым источником путаницы среди пользователей фотометрических конвертеров. Статья прошла проверку на техническую достоверность по указанным источникам. Патентованное измерительное оборудование и калькуляторы сторонних брендов не упоминаются.
Автор: редакционная группа SoupCalc
Последняя проверка: 11 августа 2026 г.