+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Как измерить световой поток


[2019-04-27]
Правила поверки и калибровки средств измерений
далее…



[2021-03-18]
Определение эксэргии оптического излученияв растениводстве
далее…



[2021-02-11]
Метрологическое обеспечение измерений относительной влажности воздуха в условиях серийного производства термогигрометров
далее…



[2020-12-29]
Что такое УФ бактерицидная лампа?
далее…



[2017-04-12]
Индекс цветопередачи и светодиоды
далее…



[2019-01-20]
Светодиоды в качестве источников света для выращивания растений
далее…



[2014-08-21]
Меры ограничения слепящего действия и отражённой блёскости в Европейских нормах
далее…



[2015-02-24]
Разъяснения по использованию терминов при измерении ультрафиолетового излучения
далее…



[2015-02-23]
Расход воздуха или производительность по воздуху
далее…



[2014-09-02]
Параметры микроклимата
далее…



[2014-05-07]
Как измерить световой поток
далее…



[2014-04-03]
Измерение яркости
далее…



[2014-04-03]
Измерение освещенности
далее…



[2014-04-03]
Индекс цветопередачи
далее…



[2014-04-03]
Измерение оптических параметров светодиодов
далее…



[2014-03-06]
Измерение светового потока
далее…



[2014-03-05]
Измерение цветовых характеристик: координаты цветности и коррелированная цветовая температура
далее…


Все статьи

Полезная информация » 3. Световые величины

3. Световые величины

В предыдущем разделе мы познакомились с важнейшим фотометрическим понятием – световым потоком, т.е. мощностью светового излучения, протекающего через некоторую площадку в пространстве. Понятно, что источники света могут излучать энергию в пространство неравномерно то есть практически всегда имеет место зависимость мощности излучения от направления его распространения. Для количественного описания этой зависимости используют такую величину, как сила света. Чтобы ввести это понятие, нам придётся вспомнить, что такое телесный угол. На Рис.3.1. изображен некоторый источник света малого размера. Построим вокруг него сферу радиуса r. Из центра сферы построим конус, который вырежет на сфере площадку площадью S. Пространственный ? угол при вершине конуса называется телесным, количественно его величина определяется отношением

? = S /r2.

Рис. 3.1. К определению понятия телесный угол

Пусть внутри малого телесного угла ? распространяется от источника световой поток Ф, тогда сила света I определяется как угловая плотность светового потока

I = Ф/? ,

и характеризует распределение светового потока по разным направлениям. Кривую зависимости светового потока от напрвления обычно изображают в полярных координатах и назвают кривой силы света (КСС). В качестве примера КСС на рис 3.2. приведены КСС трёх вариантов потолочных встраиваемых светодиодных светильников DL 00232×2 марки ГАЛС/GLS с различными углами расходимости светового пучка.

Рис. 3.2. Кривые силы света разных вариантов светодиодных светильников DL 00232×2 марки ГАЛС/GLS

Силу света измеряют в канделлах (кд или kd). Канделла – основная единица фотометрии, для неё существует эталон, и именно через неё определяются остальные единицы измерения световых величин. По определению, одна канделла — сила света, излучаемого в перпендикулярном направлении 1/6000000 квадратного метра поверхности абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины и давлении 101325 Па. Тогда один люмен определяется как световой поток в пределах телесного угла один стерадиан при силе света точечного источника, расположенного в вершине телесного угла, равной одной канделле.

Рис. 3.3. К определению понятия освещённость

Для количественной оценки того, насколько хорошо освещена та или иная поверхность используют величину освещённости. Пусть на поверхность площадью S падает световой поток Ф (Рис.3.3), тогда величина освещённости, по определению, будет

Е = Ф/S,

причём предполагается, что выбранная площадка настолько мала, что неравномерность распределения светового потока через её части отсутствует.

Зная силу света от источника в направлении освещаемой поверхности и расстояние до поверхности, легко определить освещённость этой поверхности (Рис.3.4). Учитывая, что световой поток через поверхность Ф = I*? = I*( S*Cos?/r2), получаем

Е = I *Cos?/r2.

Если поверхность освещается несколькими источниками света, то полная освещённость равна сумме освещённостей, создаваемых каждым.

Рис. 3.4. Освещённость поверхности точечным источником

Важной светотехнической величиной является яркость светового источника. Она характеризует силу света в некотором направлении, соотнесённую к площади поверхности источника. Яркость зависит от направлени распространения света от источника. На рис 3.4. показана элементарная светящаяся площадка, имеющая площадь S, здесь же построена проекция этой площадки на плоскость, перпендикулярную некоторому направлению распространения света (в котором мы хотим определить величину яркости), площадь проекции соответственно S*Cosn. По определению, яркость равна

L = I/S*

Cos?.

Если вспомнить, что I = Ф/T, то

L = Ф/?*S*Cos?,

Где Ф – световой поток, распространяющийся от светящейся площадки под углом ?, в пределах малого телесного угла ?.

Рис. 3.5. К определению понятия яркости


Почему яркость так важна? Оказывается, если смотреть на какую либо светящуюся площадку, то освещённость на сетчатке глаза, в изображении этой площадки, будет пропорциональна именно яркости в направлении от источника на глаз. То есть именно яркость определяет силу зрительного восприятия, когда мы смотрим на светящуюся или рассеивающую свет поверхность. Поэтому, при одной и той же силе света, источник с малой площадью будет восприниматься как более сильный, чем источник с большой площадью светящейся поверхности.

Раньше величину яркости измеряли в нитах (нт или nt), сейчас используют производную единицу канделла на метр квадратный (кд/м 2), что по сути то же самое.

Для полноты картины упомянем ещё одну светотехническую величину – светимость, равную отношению полного светового потока излучаемого малой площадкой к площади этой площадки. Измеряется светимость, соответственно, в люменах на квадратный метр (лм/ м2).

Костюк А.В. (с)

Обсудить статью возможно в блоге автора.

Световой поток светодиодных ламп – как измерить, правила вычисления

Постепенно уходят в прошлое времена, когда в квартирах и других помещениях все освещение состояло из ламп накаливания. На смену им пришли сначала энергосберегающие лампы, а после и более высокотехнологичные светильники на светодиодах. И если раньше основным критерием яркости свечения лампы была ее мощность, которая измеряется в ваттах, то в чем измеряется она сейчас, если этот показатель востребован при монтаже освещения на кристаллах лишь для правильного подбора стабилизирующего напряжение оборудования – драйвера.

Световой поток светодиодных ламп, которые более высокотехнологичны, гораздо сильнее, нежели у ламп накаливания, потребляющих большую мощность, основная часть которой уходит на вырабатывание тепла. И для простого обывателя встает вопрос, так как же выбрать по яркости светодиод, на какие параметры обратить внимание? Световой поток измеряется в люменах на 1 W. Эта единица измерения полностью отражает его силу, в отличие от мощности.

Определение

У каждого источника света имеется свой показатель того, что подразумевается под понятием световой поток в люменах, и эти данные должны быть зафиксированы на коробке с осветительным прибором. При выборе лампы нужно не только обращать внимание на мощность потребителя, но и учитывать светоотдачу – эти два параметра важны в смысле энергопотребления. Преобразование электрической энергии в световую рождает потери, препятствующие более высоким показателям яркости.

К примеру, сравнивая лампы накаливания с энергосберегающими, мы увидим, что при одинаковых уровнях мощности световой поток у обычных элементов будет равен 12 люмен/ватт, а у КЛЛ – уже 60 люмен/ватт. Ну а самый высокий показатель по этому параметру у светодиодных ламп – он равен 70–90 lm.

Сравниваем лампу накаливания и светодиод по силе светового потока

Для более точного определения того, сколько люмен содержит световой поток различных типов осветительных приборов, можно воспользоваться списком, где Н – лампа накаливания, Э – энергосберегающая и С – светодиод:

  1. Н 20Вт = Э 5–7Вт = С 2–3ВТ = 250 Лм/Вт;
  2. Н 40Вт = Э 10–13Вт = С 4–5Вт = 400 Лм/Вт;
  3. Н 60Вт = Э 15–16Вт = С 8–10Вт = 700 Лм/Вт;
  4. Н 75Вт = Э 18–20Вт = С 10–12Вт = 900 Лм/Вт;
  5. Н 100Вт = Э 25–30Вт = С 12–15Вт = 1200 Лм/Вт;
  6. Н 150Вт = Э 40–50Вт = С 18–20Вт = 1800 Лм/Вт;
  7. Н 200Вт = Э 60–80Вт = С 25–30Вт = 2500 Лм/Вт.

Но при расчетах нужно помнить о том, что при длительной работе светового прибора его показатель светопотока падает. Есть и другие причины ухудшения этого параметра. Одним из них является отражатель светильника. Потери, которые будут в результате этого фактора, могут составить 20–80% светового потока.

Световой поток диодов

Пример того, как выглядит люксметр

Световой поток у ламп накаливания слабее еще и потому, что кажущейся со стороны вроде бы яркой лампочке не хватает концентрации света в одном месте, она просто рассеивает его по сторонам. А вот у светодиодных светильников светодиоды сами по себе светят более «кучно», к тому же диодные лампы имеют свой встроенный отражатель и не зависят от светильника, в который они установлены. Ведь в любой комнате, независимо от ее назначения, никакого смысла в освещении потолка нет.

Основной свет должен поступать вниз от потолочных осветительных приборов. Как раз таким решением будет замена люминесцентных ламп на светодиодные трубки Т5 или Т8. При работе, к примеру, светильников типа «Армстронг» половина лампы светит вверх. Конечно, есть отражатель, но расположен он близко, и отражение затеняет сама лампа. А в результате – светопотери в 20–40%.

Если же заменить лампы на светодиодные трубки – эта проблема решается, т. к. они светят точно вниз, вверху элементы, выделяющие свет, отсутствуют. Как измерить световой поток? Сделать это можно одним из специальных измеряющих приборов – люксметром.

Вычисление светопотока

Световой поток, хотя и примерно, можно вычислить, используя среднее значение отдачи света:

  • светодиоды – необходимо умножение мощности на 80–90 люмен;
  • светодиодные филаментные – умножение на 100 люмен;
  • КЛЛ – на 60 люмен, хотя если лампы дорогие и качественные, их показатель может быть выше;
  • ДНАТ (дуговая натриевая трубчатая) – на 66 люмен при 70 Вт; на 74 люмен при 100, 150, 250 Вт; и на 88 люмен при 400 Вт;
  • ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная) – на 58 люмен, при сроке службы 12–18 тыс. часов.

Конечно, китайский вариант лампы, скорее всего, будет иметь меньшие показатели.

Помещение с «теплым» и «холодным» световым потоком

Цветовая температура светового потока

Многие привыкли к желтоватому, «теплому» свету, но нравится он не поэтому. Просто такой цвет более близок к солнечному по ощущениям, создается впечатление, что в помещении действительно теплее. А вот согласно многочисленным исследованиям в этой области, при переходе на белые, «холодные» тона, человек чувствует дискомфорт только в первые пару дней, а после, привыкнув, уже не хочет переходить к теплому свету. Все дело в том, что холодные оттенки имеют более сильный световой поток, такое освещение более яркое.

Равномерное освещение

В электротехнике существует такое понятие, как коэффициент распределения светового потока. Применяется этот параметр для расчета расположения и типа световых приборов с целью того, чтобы равномерно распределить освещение внутри комнаты. Основываются при этом на возможность светоотражения различных отделочных материалов. В основном светопоток отражается от стен, потолка и пола, но также нужно не забывать и о мебели.

Для правильного расчета этого коэффициента используют специальную таблицу с указанием в процентах возможности материалов к отражению светового потока. Необходимо помнить, что более темная поверхность имеет меньше способности к отражению, а значит и показатели данного коэффициента будут ниже.

Таблица коэффициентов отражения материалами светового потока

В любом случае, если задаться целью освещения помещений в полном соответствии с правилами такой работы и своими предпочтениями, необходимо потратить много времени и сил. Процесс этот очень трудоемок, но все же когда все необходимые расчеты будут выполнены, а работа сделана в полном с ними соответствии, можно будет увидеть, как преобразилась комната, квартира или любое другое помещение.

К тому же при правильном освещении, направленности и силе светового потока глаза не будут подвергаться разрушительному воздействию неправильно подобранных ламп. В конечном итоге здоровье важнее, чем время и усилия, которые будут потрачены.

Статьи

Когда речь заходит об автомобильных лампах, важно знать и понимать несколько основополагающих терминов. В статье мы постараемся просто и по-человечески объяснить что такое световой поток и сила света, в чем измеряются яркость и освещенность, и каким цветом обладают 5500 кельвинов.


Итак, начнем с основной характеристики, которую встречаем на каждой упаковке с лампой — световой поток. 

Световой поток — это величина, которая показывает сколько световой мощности в общем потоке излучения может воспринять человеческий глаз или другой приемник света (если говорим о научных исследованиях). 

Другими словами, это та световая энергия, которую дает лампа. Световой поток измеряется в люменах (лм). Как именно измеряется? Существует специальный прибор — сферический фотометр. Лампа, помещается в центр покрытой внутри белой светоотражающей краской сферы. И при помощи фотоэлемента, с параметрами близкими к человеческому глазу происходят замеры. 

Что значит световой поток на практике?

Автомобильные лампы с более высоким значением в люменах излучают более интенсивный и яркий свет. Значения светового потока помогут выбрать наилучший вариант автомобильной лампы среди аналогов.  

Световой поток поможет оценить и экономичность осветительного прибора. И сейчас самое время поговорить о световой эффективности или светоотдаче. 

Световая эффективность — это соотношение светового потока к потребляемой мощности (лм/Вт). Нехитрый расчет даст понять, насколько эффективно энергия, которую потребляет лампа преобразуется в свет. Понятно, что самый прекрасный вариант, когда источник света потребляет мало, а светит хорошо! Если сравнивать разные виды ламп, сразу скажем, что абсолютный лидер по показателям световой эффективности — светодиодные лампы. Рекордно низкое потребление энергии, при высокой величине светового потока. 

Что такое сила света?

Сила света — световой поток в заданном направлении в единицу времени. Силу света измеряют в канделах (кд) и делают это так: световой поток от источника света измеряют только внутри телесного угла (физический термин), для простоты скажем — в одном направлении. Для чего? Источник света неравномерно распределяет энергию во всех направлениях, поэтому сила света подскажет, какая плотность освещения свойственна тому или иному источнику света. 

Следующая величина уже совсем не зависит от направления света, но имеет отношение к освещаемой поверхности. Когда нужно понять, насколько далеко источник света рассеивает тьму, вводят понятие освещенности. И в люксах (лк) измеряют количество света, падающего на площадь поверхности. 

Интересный факт: Ясный летний день на улице — 100 000 люкс! Безоблачное полнолунье —  0,25 люкс. 

Что такое всем привычная и понятная яркость с точки зрения светотехники?

Яркость — наиболее тесно связана с нашим восприятием света. Единица измерения яркости: кандела на квадратный метр. То есть яркость — это сила света, излучаемая площадью поверхности в определенном направлении. Разные поверхности имеют разную степень яркости, даже когда на них светит один и тот же источник света. 

Интересный факт: Поверхность солнца имеет яркость 2000000000 кд/м2, а поверхность луны — 2500 кд/м2. 

Световые потоки могут отличаться не только по яркости, но и по светимости. 
Освещенная поверхность испускает световой поток, его плотность и есть светимость (она же светность). Светимость измеряется в лм/м2. То есть, это отношение светового потока, падающего на определенный участок поверхности, к размеру этой поверхности. 

И последний, но, пожалуй, самый красочный термин — цветовая температура. Та характеристика, которая указывает на цвет источника света. Измеряется в кельвинах (К).
0 кельвинов — абсолютно черный цвет. Температура остальных цветов определяется путем сравнения с излучением абсолютно черного тела.
Темно-красный оттенок появляется при температуре 800 К.
Пламя свечи имеет цветовую температуру 1000 К.
Теплый желтый, с легким оранжевым оттенком — цвет заката и рассвета — 3000 К.
Дневной свет — самый комфортный для наших глаз имеет световую температуру 5500 К — нейтральный белый цвет.
Холодный белый, с оттенком голубого имеет температура 6000 К — в природе облачное небо.
Самый яркий холодный голубой имеет северное безоблачное небо — 10000 К.   


Цветовая температура имеет ключевое значение при выборе автомобильных ламп для разных погодных условий.

Например, в условиях плохой видимости, тумана, снега — нет эффективней ламп желтого цвета с температурой в районе 2700-3000 К. В темное время суток и при сырой погоде отлично подходят автолампы с показателями около 4300 К. Ничего лучше дневного света не противостоит ночи, поэтому в темное время превосходную видимость обеспечивают автолампы около 5500 К. 

Лампы с температурой более 6000 К и отчетливым голубым оттенком создают яркий стиль и привлекательный дизайн. 

Итак, мы пролили свет на основные термины в светотехнике. Почитать о ключевых параметрах выбора автомобильных ламп можно в статье “Технические характеристики автомобильных ламп”.

А выбрать лампу для автомобиля, удовлетворяющую вашим индивидуальным критериям, можно в интернет-магазине Динамика света! 

Что такое световой поток?

Информация о материале
Обновлено: 21 апреля 2021

Световым потоком называется физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения. Световой поток пропорционален потоку излучения, оценённому в соответствии с относительной спектральной чувствительностью человеческого глаза. В международной системе измерений световой поток, или яркость, измеряется в люменах (Лм). Для замера мощности светового потока от источника света, например, от светодиодной лампы, используются специальные приборы — сферические фотометры.

Сферический фотометр представляет собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к единице. Для определения яркости светодиодной лампы она 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. Освещенность фотоэлемента, 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 светодиодной лампы.

Световой поток служит характеристикой мощности любого источника света и определяется как количество световой энергии, которая проходит через единицу площади за единицу времени.

Световой поток обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм). Самые распространенные на данный момент источники света имеют следующие значения светового потока: Лампа накаливания мощностью 100Вт создает 1300-1600 лм светового потока. Компактная люминесцентная лампа мощностью 26 Вт – 1600 лм. 1-ваттная светодиодная лампа создает световой поток равный 120 лм.

А это важно!

Самое главное, о чем следует помнить, количество люмен не определяет дальнобойность светильник или лампы. А вот что влияет на дистанцию, так это скорее фокусировка луча и оптика. Таким образом, люмены практически не влияют на яркость света на самом объекте освещения, дальность света и ширину луча. Это значит, что свет от например от фонарей с одинаковым количеством люменов, но разной оптикой будет восприниматься по-разному и создавать разное освещение пространства. Он определяет количество света, излучаемое фонарем в целом.

Поэтому для измерения дальнобойности применяются именно данные об освещенности, а не о световом потоке. Максимальная дальность рассчитывается, так же, как и сила света, исходя из значений освещенности в люксах. Большей дальнобойностью будет обладать тот фонарь, у которого значение пиковой силы света выше, даже если значение светового потока у него будет меньше.

Освещенность и световой поток — это две разные вещи!

Что такое световой поток? | ОАО «Энергия»

Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучевую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, которое излучается за единицу времени, называется потоком излучения или лучевым потоком. Измеряется лучевой поток в ватах, обозначается Фе.

Поток излучения характеризуется распределением по времени, спектру и в пространстве.

В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения по времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, которая дает изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, которые излучаются источником в единицу времени очень большое.

По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейным, полосным и сплошными спектрами. Поток излучения источника с линейным спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:

У источников с полосным спектром излучение проходит в пределах достаточно широких участков спектра — полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосным спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения

Спектральная плотность светового потока — это характеристика распределения лучевого потока по спектру и ровна отношению элементарного потока , что соответствует бесконечно малому участку, к ширине этого участка:

Спектральная плотность светового потока измеряется в ваттах на нанометр.

В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия лучевого потока, вводится понятие светового потока. Световой поток — это лучевой поток, который оценивается его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО (рис. 1).

В светотехнике используется и такое определение светового потока: Световой поток это мощность световой энергии. Единица светового потока — люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.

Таблица 1 показывает, что нет какого-то стойкого отношения между электрической энергией, которая рассевается в лампе, и излучаемым световым потоком. Это отношение называется световой отдачей, которая измеряется в лм/Вт.

Таблица 1.

Типичные световые величины источников света

 

Электрическая энергия (Вт)

Световой поток (лм)

Световая отдача (лм/Вт)

Лампа накаливания

100

1360

13,6

Люминесцентная лампа

58

5400

93

Натриевая лампа высокого давления

100

10000

100

Натриевая лампа низкого давления

180

33000

183

Ртутная лампа высокого давления

1000

58000

58

Металлогалогенная лампа

2000

190000

95

 

Рис. 1. Среднее значение спектральной чувствительности глаза V(л).

Величины и единицы освещения

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
0,000
0,0175
0,035
0,052
0,070
0,087
0,104
0,122
0,139
0,156
0,174
0,191
0,208
0,225
0,242
0,259
0,276
0,292
0,309
0,326
0,342
0,358
0,375
0,391
0,407
0,423
0,438
0,454
0,469
0,485
0,500
0,515
0,530
0,545
0,559
0,574
0,588
0,602
0,616
0,629
0,643
0,656
0,669
0,682
0,695
0,000
0,0175
0,035
0,052
0,070
0,088
0,105
0,123
0,140
0,158
0,176
0,194
0,213
0,213
0,249
0,268
0,287
0,306
0,325
0,344
0,364
0,384
0,404
0,424
0,445
0,466
0,488
0,510
0,532
0,554
0,577
0,601
0,625
0,649
0,674
0,700
0,726
0,754
0,781
0,810
0,839
0,869
0,900
0,932
0,966
1,000
0,999
0,998
0,996
0,993
0,989
0,984
0,978
0,971
0,964
0,955
0,946
0,936
0,925
0,913
0,901
0,882
0,874
0,860
0,845
0,830
0,814
0,797
0,780
0,762
0,744
0,726
0,707
0,688
0,669
0,649
0,630
0,610
0,590
0,570
0,550
0,530
0,509
0,489
0,469
0,449
0,430
0,410
0,391
0,372
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
0,707
0,719
0,731
0,743
0,755
0,766
0,777
0,788
0,799
0,809
0,819
0,829
0,839
0,848
0,857
0,866
0,875
0,883
0,891
0,899
0,906
0,914
0,920
0,927
0,934
0,940
0,946
0,951
0,956
0,961
0,966
0,970
0,974
0,978
0,982
0,985
0,988
0,990
0,992
0,994
0,996
0,998
0,999
0,999
1,000
1,000
1,036
1,072
1,111
1,157
1,199
1,235
1,280
1,327
1,376
1,428
1,483
1,540
1,600
1,664
1,732
1,804
1,881
1,963
2,050
2,145
2,246
2,356
2,475
2,605
2,747
2,904
3,078
3,271
3,487
3,732
4,011
4,331
4,705
5,14
5,67
6,31
7,12
8,14
9,51
11,43
14,3
19,1
28,6
57,3
0,353
0,335
0,317
0,299
0,282
0,266
0,249
0,233
0,218
0,203
0,189
0,175
0,161
0,149
0,136
0,125
0,114
0,103
0,094
0,084
0,075
0,067
0,0596
0,0525
0,0460
0,0399
0,0345
0,0294
0,0249
0,0209
0,0173
0,0141
0,0113
0,0090
0,0069
0,0052
0,0038
0,0027
0,0018
0,0011
0,00066
0,00034
0,00014
0,000042

Приборы для измерения силы света

Измерения света можно разделить на ряд принципов измерения, каждый из которых оценивается количественно в соответствии с различными оптическими параметрами. Фотометрические измерения, например, выражаются в соответствии с реакциями человеческого глаза. Это основано на усредненной спектральной чувствительности, известной как функция яркости Vλ, которая классифицирует длины волн зелено-желтого света примерно 555 нм как концентрированную пиковую чувствительность человеческого зрения в ярких условиях.

Фотометрические измерения касаются силы света (лм), освещенности (лм / м 2 или люкс), яркости (кд / м 2 ) и силы света (кд) источника света. В этом сообщении в блоге мы более подробно рассмотрим интенсивность света и исследуем некоторые подходящие инструменты для измерения освещенности для оценки интенсивности осветительного прибора.

Что такое сила света?

Сила света, которую часто ошибочно принимают за яркость, представляет собой взвешенную по длине волны мощность света, излучаемого на единицу телесного угла.Он выражается в канделах (кд) и измеряется в соответствии с функцией светимости Vλ. Сила света источника света отличается от его светового потока, который измеряет выходную мощность в соответствии с Vλ источника света во всех направлениях и выражается в люменах (лм).

Это различие подчеркивает семантическую разницу между яркостью, световым потоком и силой света — последняя из которых относится к выходной оптической мощности в определенном поле зрения.Сила света особенно важна для измерения мощных светодиодов (LED) и твердотельного освещения (SSL) для домашних и коммерческих прожекторов. Количественная оценка оптического выхода направленного источника света относительно усредненной чувствительности человека является критическим процессом для разработки, производства и контроля качества коммерческих светодиодов и SSL.

Приборы для измерения силы света

Для оптимального отклика измерения силы света выполняются изолированно, без помех от окружающего освещения.Измерительные приборы обычно используются для получения нескольких фотометрических измерений для оценки широких оптических характеристик источника света. Фотометры, способные выполнять измерения силы света, должны быть оснащены либо косинусным корректором, либо интегрирующей сферой в конфигурации 2π. Однако первое является наиболее компактным и, следовательно, наиболее практичным решением.

Косинусные корректоры улавливают свет в поле зрения 180 ° с ламбертовским откликом и рассеивают его, в то время как интегрирующие сферы отражают полученные оптические сигналы вокруг внутренней полости в чувствительный детектор.Спектрофотометры могут использовать любую из этих геометрических конфигураций для определения силы света светодиода или продукта SSL.

Измерения силы света с помощью Admesy

Admesy предлагает широкий ассортимент фотометрических измерительных приборов и принадлежностей для измерения силы света ряда коммерческих и профессиональных осветительных приборов. В зависимости от необходимости измерения нескольких параметров, Admesy предлагает несколько вариантов, обеспечивающих полный анализ оптических характеристик освещения на протяжении всего производственного процесса.

Наши измерительные приборы, способные получать данные об интенсивности света при оснащении косинусным корректором, включают:

  • Спектрометр серии Rhea;
  • Спектрометр серии
  • Hera;
  • Спектро-колориметр серии
  • Cronus;
  • Люксметр серии
  • Astera.

Если вам нужна дополнительная информация о выполнении измерений силы света с помощью продуктов Admesy, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Измерение светодиодов — LED professional

Введение

Разрабатываются и внедряются различные новые типы светоизлучающих диодов (СИД) для общего освещения и других применений, и возрастает потребность в точных измерениях различных оптических параметров светодиодов.Традиционные стандартные лампы не удовлетворяют требованиям калибровки для измерений светодиодов, поскольку светодиоды существенно отличаются от традиционных ламп с точки зрения физических размеров, уровней потока, спектров и пространственного распределения интенсивности. Температурно-зависимые характеристики и большая вариативность оптических конструкций светодиодов еще больше затрудняют воспроизведение измерений. Для обеспечения высокоточных измерений светодиодов большим спросом пользуются эталонные светодиоды и услуги по калибровке [1]. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) недавно разработал и расширил возможности калибровки светодиодов для фотометрических, радиометрических и колориметрических величин и предоставляет различные услуги по калибровке светодиодов.В этой статье обсуждаются измерения силы света, общего светового потока, общего спектрального потока излучения и количества цветов светодиодов, а также средства измерения NIST и услуги по калибровке светодиодов.

Сила света

Сила света (единица измерения: кандела) светодиодов может быть измерена с помощью обычного фотометрического стенда и стандартных фотометров [2] в условиях дальнего поля на достаточно большом расстоянии, чтобы тестовый светодиод можно было рассматривать как точечный источник ( обычно 2 м или больше).Однако обычной практикой в ​​светодиодной индустрии было измерение светодиодов на гораздо более коротких расстояниях, например от 10 до 50 см. Предположительно традиция пришла из тех времен, когда светодиоды были очень тусклыми, а фотометры — не очень чувствительными. Эта практика все еще преобладает, хотя светодиоды намного ярче. Измерение силы света светодиодов на коротких расстояниях проблематично, потому что многие светодиоды имеют эпоксидные линзы, и они не ведут себя как точечный источник, и закон обратных квадратов не выполняется. Эффективный центр излучения светодиода может смещаться от физического центра светодиода.Это вызывает отклонения в измеренной силе света при измерении на разных расстояниях, особенно когда расстояние невелико. Было установлено, что это одна из основных причин различий в измерении силы света.

Для решения этой проблемы Международная комиссия по освещению (CIE) стандартизировала измерительные расстояния (100 мм и 316 мм) для измерений интенсивности светодиода, как первоначально опубликовано в CIE 127 (1997) и в недавней редакции CIE 127: 2007 [3 ]. Эта публикация также стандартизировала апертуру фотометра, сделав ее круглой с площадью 1 см2, расстояние должно измеряться от конца корпуса светодиода, а направление измерения должно совпадать с механической осью светодиода.Эта геометрия CIE показана на рисунке 1.

Сила света, измеренная в этих стандартизованных условиях, называется средней яркостью светодиода CIE, поскольку значение может немного отличаться от реальной силы света светодиода (дальнего поля). Эти два расстояния различаются Условием A и Условием B для 316 мм и 100 мм соответственно. Эту рекомендацию CIE следует использовать для определения интенсивности отдельных светодиодов. Эта рекомендация не применяется к светодиодным кластерам, массивам и светильникам, изготовленным из светодиодов.Тестовые светодиоды измеряются относительно откалиброванных стандартных светодиодов или калиброванной стандартной головки фотометра, при необходимости применяя коррекцию спектрального несоответствия.

NIST разработал стандартные фотометры в соответствии с этой рекомендацией CIE и создал службу калибровки для средней силы света светодиодов в условиях A и B. Неопределенность (расширенная неопределенность, k = 2) для этих калибровок обычно составляет от 1% до 3%. в зависимости от тестовых светодиодов. См. Ссылки [4-7] для подробностей.

Общий световой поток

Общий световой поток (единица: люмен), вероятно, является наиболее важной величиной для светодиодов, используемых для освещения. Световая отдача, люмен на ватт, имеет решающее значение для разрабатываемых белых светодиодов. По сравнению с измерениями традиционных ламп накаливания, погрешности измерений светодиодов, как правило, намного больше, в первую очередь из-за узкополосных спектральных распределений и разновидностей диаграмм направленности светодиодов. Общий световой поток светодиодов можно измерить либо с помощью системы интегрирующих сфер, либо с помощью гониофотометра.При использовании интегрирующих сфер в светодиодной индустрии было обычной практикой крепить светодиоды на стене со сферой. Этот метод во многих случаях не подходит, так как обратное излучение тестового светодиода исключено, а общий световой поток измеряется неправильно. В новой рекомендации CIE 127: 2007 [3] рекомендуется использовать геометрию интегрирующей сферы, как показано на рисунке 2. В случаях, когда важен только прямой поток, частичный поток светодиода определяется также в новой публикации CIE.

Геометрия (a) на Рисунке 2 рекомендуется для всех типов светодиодов, включая светодиоды с узким профилем луча или светодиоды с широким и обратным излучением.Эта геометрия должна использоваться для большинства 5-миллиметровых светодиодов эпоксидного типа, которые имеют обратное излучение. Геометрия (b) приемлема для светодиодов, не имеющих обратного излучения. Например, мощный светодиод с большим теплоотводом и отсутствием обратного излучения можно измерить с помощью геометрии (b), в которой только головка светодиода вставлена ​​в сферу, а большой теплоотвод остается вне сферы. Интегрирующие сферы любой геометрии должны быть откалиброваны стандартным светодиодом общего светового потока, имеющим такое же угловое распределение интенсивности и спектральное распределение, что и тестовые светодиоды, подлежащие измерению, с внесением поправок на спектральное рассогласование по мере необходимости.Для светодиодов обычно используются интегрирующие сферы размером от 20 см до 50 см.

Общий световой поток светодиодов откалиброван в NIST с использованием системы интегрирующих сфер длиной 2,5 м, которая также используется для определения светового потока и калибровки традиционных ламп. Даже при очень большом размере сферы система сфер имеет достаточную чувствительность для измерения светового потока светодиодов. Система сфер 2,5 м использует метод абсолютной сферы, как показано на рисунке 3. Спектральная пропускная способность сферы NIST была точно определена, и была применена коррекция спектрального рассогласования.Ошибки из-за пространственной неоднородности чувствительности сферы, связанные с различиями в угловом распределении интенсивности светодиода, также были проанализированы для исправления или определения погрешности. Неопределенность (расширенная неопределенность, k = 2) для калибровки светового потока светодиодов в NIST обычно составляет 0,7% для белых светодиодов и от 1% до 3% для одноцветных светодиодов. Подробная информация о сфере NIST 2,5 м [8] и процедурах калибровки светодиода для светового потока доступны в справочных материалах [4,9]. Геометрия (а) рекомендуется для всех типов светодиодов, включая светодиоды с узким профилем луча или светодиоды с широким и обратным излучением.Эта геометрия должна использоваться для большинства 5-миллиметровых светодиодов эпоксидного типа, которые имеют обратное излучение. Геометрия (b) приемлема для светодиодов, не имеющих обратного излучения. Например, мощный светодиод, имеющий большой теплоотвод и отсутствие излучения в обратном направлении, можно измерить с помощью геометрии (b), в которой только головка светодиода вставлена ​​в сферу, а большой теплоотвод остается вне сферы. Интегрирующие сферы любой геометрии должны быть откалиброваны стандартным светодиодом общего светового потока, имеющим такое же угловое распределение интенсивности и спектральное распределение, что и тестовые светодиоды, подлежащие измерению, с внесением поправок на спектральное рассогласование по мере необходимости.Для светодиодов обычно используются интегрирующие сферы размером от 20 см до 50 см.

Общий световой поток светодиодов откалиброван в NIST с использованием системы интегрирующих сфер длиной 2,5 м, которая также используется для определения светового потока и калибровки традиционных ламп. Даже при очень большом размере сферы система сфер имеет достаточную чувствительность для измерения светового потока светодиодов. Система сфер 2,5 м использует метод абсолютной сферы, как показано на рисунке 3. Спектральная пропускная способность сферы NIST была точно определена, и была применена коррекция спектрального рассогласования.Ошибки из-за пространственной неоднородности чувствительности сферы, связанные с различиями в угловом распределении интенсивности светодиода, также были проанализированы для исправления или определения погрешности. Неопределенность (расширенная неопределенность, k = 2) для калибровки светового потока светодиодов в NIST обычно составляет 0,7% для белых светодиодов и от 1% до 3% для одноцветных светодиодов. Подробная информация о сфере NIST 2,5 м [8] и процедурах калибровки светодиода для светового потока доступны в справочных материалах [4,9].

Полный спектральный поток излучения

Интегрирующие сферы, оснащенные спектрорадиометром в качестве детектора сферы, как показано на Рисунке 4 (см. Журнал LpR), называемые сферическими спектрорадиометрами, все чаще используются для измерения светодиодов.Это удобный способ одновременного измерения фотометрических величин и величин цвета. Этот тип прибора измеряет общий спектральный поток излучения (единица измерения: Вт / нм), из которого получают общий световой поток, общий поток излучения и цветовые величины (пространственно интегрированные). Еще одно преимущество состоит в том, что общий световой поток можно измерить теоретически без погрешности спектрального рассогласования. При использовании матричного спектрорадиометра измерение может быть таким же быстрым, как и система сферического фотометра. Такие системы сферических спектрорадиометров необходимо калибровать по эталону полного спектрального потока излучения.

NIST недавно установил шкалу полного спектрального потока излучения для диапазона от 360 до 830 нм, используя систему гонио-спектрорадиометра, как показано на рисунке 5, и предлагает услуги по калибровке [10]. Шкала распространяется путем выпуска калиброванных эталонных ламп полного спектрального лучистого потока (кварцевые галогенные лампы мощностью 75 Вт) и калибровки ламп, представленных потребителями.

См. Рисунок 5 (см. Журнал LpR)

Общий поток излучения

Полный лучистый поток (единица измерения: ватт) — это спектрально и пространственно интегрированный полный лучистый поток источника.Мощность излучения и оптическая мощность также часто используются для одного и того же значения для светодиодов. Это количество необходимо для определения светодиодов в УФ- и ИК-диапазонах, а также полезно для одноцветных светодиодов, поскольку значения светового потока резко меняются в зависимости от максимальной длины волны даже в пределах одного и того же цветового диапазона, что затрудняет сравнение значений светового потока. Для светодиодов в видимой области общий лучистый поток может быть преобразован из значения светового потока и относительного спектрального распределения светодиода. Однако неопределенность увеличивается, особенно вблизи крыльев функции V ().NIST предоставляет услуги по калибровке полного лучистого потока светодиодов в диапазоне от 360 до 830 нм с использованием системы абсолютных сфер NIST 2,5 м, настроенной для режима полного спектрального лучистого потока, как показано на рисунке 6. Калибровка основана на спектральной энергетической освещенности NIST. шкала. Спектрорадиометр представляет собой тип ПЗС-матрицы и корректируется на спектральный паразитный свет [11]. Подробные сведения о калибровке полного лучистого потока см. В [12].

См. Рисунок 6 (см. Журнал LpR)

Количество цветов

Параметры цвета, такие как координаты цветности, доминирующая длина волны, коррелированная цветовая температура (для белых светодиодов) и индекс цветопередачи (для белых светодиодов), используются для определения цветовых характеристик светодиодов.Даже если используется спектрорадиометр, откалиброванный по национальным стандартам, погрешность измеренного цвета светодиодов часто неизвестна или неожиданно велика, и поэтому пользователям часто требуются эталонные светодиоды, откалиброванные в национальных лабораториях, для проверки точности измерений цвета светодиодов.

См. Рисунок 7 (см. Журнал LpR)

NIST разработал эталонный спектрорадиометр для измерения цвета светодиода (геометрия CIE Condition B), использующий монохроматор с двойной решеткой и оптической системой ввода излучения.Этот спектрорадиометр настроен на треугольную полосу пропускания шириной 2,5 нм (FWHM) и сканирование с интервалами 2,5 нм. Погрешности калибровки светодиодов для любого цвета находятся в пределах 0,001 цветности CIE (u ’, v’). На рисунке 7 показана оптическая конструкция системы спектрорадиометра NIST. Более подробную информацию об эталонном спектрорадиометре можно найти в ссылке [13].

В дополнение к направленной калибровке цвета, пространственно усредненные количества цветов светодиодов, интегрированные по всем углам излучения, доступны из измерения общего спектрального лучевого потока, как описано выше.Рекомендуется измерять белые светодиоды для получения пространственно усредненных значений, поскольку цвет имеет тенденцию смещаться с углом обзора. Усредненные по пространству цветовые величины измеряются в NIST с использованием описанной выше установки для полного лучистого потока. Калибровку направленного или усредненного по пространству количества цветов светодиодов можно получить в NIST.

Стратегия на стандартных светодиодах в калибровке NIST услуги

Некоторые службы калибровки NIST выдают откалиброванные артефакты, а другие калибруют артефакты, представленные клиентами.Мы решили не готовить и не выпускать «стандартные светодиоды», потому что существует так много типов светодиодов, и постоянно появляются новые типы светодиодов, и, таким образом, любой стандартный светодиод, который мы могли бы разработать, не удовлетворил бы многих клиентов и быстро устареет. Мы стремимся предоставлять калибровки для любого типа светодиодов, представленных нашими клиентами, которые затем могут использоваться в качестве эталонных стандартных светодиодов того типа, который требуется в лаборатории заказчика. Заказчики несут ответственность за обеспечение качества светодиодов, представленных в NIST для калибровки.Информация об услугах фотометрической калибровки NIST доступна на сайте [14] или у авторов.

Фотометрические величины | auersignal.com


Важные фотометрические величины и единицы

При измерении освещенности различают различные фотометрические величины, с помощью которых можно оценивать свет. В следующей таблице представлен обзор наиболее важных фотометрических величин и единиц:

Photometrische Größe Единицы СИ и расчет Определение
Световой поток Люмен (Люмен) Мера общего количества света, излучаемого источником света.
Интенсивность света Кандела (кд) = лм / ср Отношение светового потока к углу излучения. Предоставляет информацию о том, сколько света излучается в определенном направлении.
Освещенность Люкс (лк) = лм / м² Мера света, попадающего на поверхность приемника.
Яркость кд / м² Мера впечатления яркости поверхности, воспринимаемого человеческим глазом.
Световая отдача лм / Вт Отношение излучаемого светового потока к требуемой электрической мощности.
Количество света лм * с Общий световой поток, излучаемый источником света за определенный период времени.


Что такое свет и как он создается?

Свет состоит из фотонов, также называемых световыми частицами. Они путешествуют волнами и передают импульсы энергии. Свет создается при преобразовании энергии.Когда излучается видимый свет, это также называется люминесценцией. Насколько яркий и красочный человеческий глаз может воспринимать свет, зависит от длины волны излучения и интенсивности, с которой излучение попадает на сетчатку.

Короткие волны называются ультрафиолетовыми, а более длинные — инфракрасными.


Какой световой поток (люмен)?

Световой поток измеряется в люменах (аббревиатура лм). Люмен — это международно стандартизированная единица измерения светового потока источника света.Он показывает, сколько света испускает источник излучения во всех направлениях, поэтому он измеряет общий световой поток. Таким образом, люмены светильника дают информацию о его яркости. Одинаковые типы светильников можно сравнить по их мощности.

Однако разные лампы излучают разное количество света, поэтому их нельзя сравнивать по мощности. Для сравнения яркости разных ламп необходимо использовать световой поток.

Значение Люмен не учитывает ощущение яркости.На восприятие яркости дополнительно влияют угол луча и конструкция светильника. Кроме того, цветовая температура источника света и состояние окружающей среды играют роль в восприятии яркости.

Два примера типичных значений светового потока:

— Лампа накаливания с электрической мощностью 15 Вт: световой поток Φ = 90 лм
— Компактная люминесцентная лампа / энергосберегающая лампа: с электрической мощностью 15 Вт: световой поток Φ = 900 лм


Какова световая отдача (η)?

Световая отдача — это мера, которая показывает, насколько эффективен источник света.Это отношение люменов к мощности или ваттам, поэтому оно измеряется в люменах на ватт (лм / Вт) в Международной системе единиц (СИ). Чем выше значение, тем эффективнее источник света.

Примерные значения светового потока:

лм
Люминесцентная лампа (48 Вт) 3000 лм
Энергосберегающая лампа (23 Вт) 1400 лм
Свеча 12 лм

Примеры световой отдачи различных ламп:

лампы лм / Вт
Инкадесцентные лампы 6-19 лм / Вт
Люминесцентные лампы 52-85 лм / Вт
Ртутные лампы высокого давления 40-58 лм / Вт
Натриевые лампы высокого давления 70-140 лм / Вт


Что такое сила света (кандела)?

Сила света — это фотометрическая величина, которая описывает излучение света, излучаемого в определенном направлении.Поскольку поведение излучения оптического сигнального устройства определяется не только источником света, но и конструкцией куполов, сила света лучше всего подходит для характеристики сигнального эффекта оптических сигнальных устройств.

Сила света — одна из фотометрических величин. Он связывает световой поток с углом луча источника света. Таким образом, сила света показывает, насколько сконцентрирован свет или какую плотность имеет излучаемый свет.

Сила света выражается в канделах (кд).Например, сила света свечи составляет приблизительно одну канделу.


Что означает сила света?

Сила света — важная величина для сравнения различных ламп. Лампы с одинаковым световым потоком могут иметь совершенно разную силу света из-за угла луча. Угол луча указывает угол, под которым лампа излучает свет.

Сила света или ее значение в канделах указывает, насколько интенсивно излучается свет.Чем более сфокусированным свет излучается, тем он интенсивнее. На схеме показаны две лампы с одинаковым световым потоком (люменом), но с разными углами луча. Сила света лампы с меньшим углом луча выше, чем у лампы с более широким углом луча.


Как вы измеряете силу света?

Чтобы определить силу света лампы, вам понадобятся световой поток и угол луча или телесный угол. Значение силы света или силы света указывается в канделах.Единицами светового потока являются люмены, для телесного угла — стерадианы.

Сила света [кд] = световой поток [лм] / телесный угол [ср].

Если телесный угол неизвестен, а известен только угол луча, его можно определить с помощью формулы преобразования:

Если расчет по приведенным выше формулам невозможен для лампы, можно провести измерение света. с интегрирующей сферой и спектрометром. Это создает кривую распределения силы света.Отсюда можно сделать выводы об интенсивности света.

Стандартная свеча, например, излучает силу света 1 кд, т. Е. Излучает около 12 люмен (лм) во всех направлениях.


Что такое освещенность (люкс)?

Люкс предоставляет информацию об освещенности. Это мера яркости, с которой освещена область. Люкс показывает, сколько светового потока (люмен) источника света приходит на единицу площади поверхности приемника. Величина люкс — это просто величина приемника.

Освещенность рассчитывается по следующей формуле: Люкс [лк] = световой поток [лм] / площадь [м2].

Освещенность составляет 1 люкс, если световой поток в 1 люмен равномерно падает на площадь 1 м².

Другая формула для расчета освещенности на больших расстояниях выглядит следующим образом: Люкс [лк] = сила света [кд] / радиус или квадрат расстояния

Чем дальше зона от источника света, тем ниже освещенность. Определенное значение люкс может использоваться, чтобы определить, достаточно ли хорошо освещены определенные области.Например, есть требования трудового законодательства о том, насколько ярко должна быть освещена рабочая зона для сотрудников.

Что измеряет люксметр?

Люксметр измеряет освещенность (люкс). Значение указывает, насколько ярким оно является в точке измерения. Люксметр состоит из фотодатчика и дисплея. Фотодатчик обычно состоит из фотодиодов, которые обнаруживают свет. Затем на дисплее появляется измеренное значение люкс.


Примерные значения люкс
Солнечный свет 40.000 лк
Рабочее место в офисе 300-500 лк
Жилая площадь 50-200 лк
Ночь полнолуния 0,3 лк
Звездная ночь lx


Как связаны люмен, кандела и люкс?

Термины люмен, кандела и люкс очень часто используются при измерении освещенности. Все они фотометрические величины. На следующей диаграмме показана взаимосвязь между тремя терминами.

Единица люмен — это общий световой поток светильника, излучаемый во всех направлениях. Однако, поскольку свет, излучаемый светильниками, излучается неравномерно во всех направлениях, сила света указывается в канделах. Это значение указывает, сколько света излучается в определенном направлении. В отличие от этих двух излучаемых величин, есть еще количество люксов приемника. Единица люкс измеряет не количество излучаемого света, а то, сколько излучаемого света достигает определенной поверхности.

Чтобы оценить яркость светильника или осветительного прибора, необходимо учитывать все три значения. Люмен и кандела указаны большинством производителей. Производители не могут указать значение в люксах, потому что это значение зависит от условий окружающей среды в области применения.


Что такое телесный угол?

Телесный угол — это трехмерный размер светового конуса. Если светильник излучает свет, угол испускаемого света является трехмерным.Единицей телесного угла является стерадиан (ср). Сила света указывает количество света, которое источник света излучает на телесный угол.

Телесный угол рассчитывается делением площади (A) на радиус (r²).


Какая плотность яркости (кд / м²)?

Плотность яркости дает информацию о впечатлении от яркости светильника. Выражается в силе света на единицу площади (кд / м²). Плотность яркости описывает, насколько яркой нам кажется поверхность.На этот фактор также влияют другие обстоятельства, например состояние освещенной поверхности.


Что такое цветовая температура?

Цветовая температура лампы определяет, будет ли свет выглядеть теплым или холодным. Цветовая температура указывается в Кельвинах и может быть оценена по шкале. Чем ниже цветовая температура, тем теплее и темнее становится свет. Чем выше цветовая температура, тем холоднее и ярче свет.

Цветовая температура влияет на атмосферу в помещении.Для жилых комнат предпочтительна более низкая цветовая температура, для лабораторий или фабрик — свет с более высокой цветовой температурой. Шкала ниже показывает цветовую температуру и ее три диапазона: теплый белый, нейтральный белый и дневной белый.

Цветовую температуру можно измерить колориметром. Помимо цветовой температуры, индекс цветопередачи также важен для пространственной атмосферы.


Что такое индекс цветопередачи?

Индекс цветопередачи, сокращенно CRI (индекс цветопередачи) или RA (общий справочный индекс), сообщает нам, какое качество имеет излучаемый свет.

Когда объект освещен, он излучает цвета. Излучаемый цвет определяется не только цветом самого объекта, но и источником света. Источник света излучает волны различной длины, которые поглощаются или отражаются освещаемым объектом. Те длины волн, которые соответствуют освещаемому объекту, отражаются, остальные поглощаются. Таким образом, индекс цветопередачи зависит от длины волны, излучаемой источником света.

Естественный солнечный свет имеет значение RA, равное 100, что также является самым высоким значением RA.Чем ближе значение RA к 100, тем выше качество освещения.


Что такое коэффициент отражения?

Коэффициент отражения указывает процент светового потока, падающего на поверхность, которая отражается. В зависимости от характера освещаемой поверхности свет отражается, поглощается или пропускается.

Если свет отражается, он отражается обратно. Зеркала имеют коэффициент отражения 1. Светлые поверхности имеют значение, близкое к 1, темные поверхности имеют значение ниже 0.1. В комнате с темными стенами требуется больше света, чем в комнате со светлыми стенами, чтобы создать достаточную освещенность на рабочей плоскости.

Примеры отражения от различных поверхностей:

  • Белый потолок или стена отражает до 85% света,
  • светлые деревянные панели до 50%,
  • красные кирпичи до 25% и
  • черный пол 0%.

Сила света и фотометрия

Обзор

Сила света — одна из семи основных величин, определенных Международной системой единиц , и по существу является мерой того, сколько света излучается источником света в заданном направлении.Это также фотометрический блок , что означает, что мы измеряем видимого света , используя параметры, определенные в соответствии с человеческим восприятием. На этой странице будет рассмотрен ряд фотометрических значений, способы их измерения и их взаимосвязь.

Фотометрия — это раздел науки, связанный с измерением яркости света с точки зрения человека , то есть видимого света .Его не следует путать с радиометрией , другой областью науки, связанной с измерением всего электромагнитного излучения (включая видимый свет). Фотометрия по существу измеряет яркость различных длин волн видимого света в зависимости от того, насколько чувствителен человеческий глаз к каждой длине волны.

Сила света — одна из семи основных единиц, определенных Международной системой единиц .Это мера мощности , взвешенной по длине волны, , излучаемой источником света в определенном направлении и с определенной частотой на единицу телесного угла (мы расширим это описание позже).

Используемая эталонная частота составляет 540 × 10 12 герц, что соответствует длине волны примерно пятьсот пятьдесят пять нанометров (555 нм) и помещает ее прямо в середину спектра видимого света.Обычно считается, что свет этой частоты и длины волны наиболее чувствителен для человеческого глаза. Единица измерения силы света в системе СИ — кандела (кд), которая формально определяется как:

«сила света в заданном направлении источника, который испускает монохроматическое излучение с частотой 540 × 10 12 герц и имеет силу излучения в этом направлении 1 / 683 ватт на стерадиан»

Видимый свет

Основным источником видимого света на Земле является Солнце.Примерно сорок четыре процента солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, составляет видимый свет. Для сравнения, только около десяти процентов энергии, излучаемой свечой, можно увидеть как видимый свет. Остальное выделяется в виде тепловой энергии (инфракрасное излучение). Солнечный свет важен, потому что он обеспечивает энергию, необходимую для фотосинтеза — химического процесса, который производит сахар (в форме крахмала) в зеленых растениях. Эти сахара потребляются другими живыми организмами, когда они поедают растения, и обеспечивают почти всю энергию, используемую всеми живыми организмами.

Когда мы говорим о видимом свете , мы обычно имеем в виду свет, который может быть обнаружен человеческим глазом, потому что этот «видимый свет» — это то, что позволяет нам видеть. Оценки диапазона длин волн, которые мы можем видеть, различаются, но нижний предел диапазона составляет около четыреста нанометров (400 нм), что соответствует частоте около семисот пятидесяти терагерц (750 × 10 12 Гц).Верхний предел диапазона составляет около семьсот нанометров (700 нм), что соответствует частоте около четыреста тридцать терагерц (430 × 10 12 Гц).

Длины волн от четырехсот нанометров до примерно десятков нанометров (10 нм) относятся к ультрафиолетовой части электромагнитного спектра (EM) . Эти длины волн не могут быть обнаружены фоторецепторами (известными как стержни и колбочки ) в светочувствительной части человеческого глаза (сетчатка , ), потому что они поглощаются прозрачной передней частью глаза ( роговица ) и внутреннюю линзу глаза.Если поглощается слишком много ультрафиолетового света, это может повредить глаз и даже вызвать слепоту.

Длины волн от четырехсот до семисот нанометров обнаруживаются человеческим глазом, потому что они проходят через роговицу и хрусталик и обладают достаточной энергией, чтобы вызвать крошечные химические изменения в светочувствительных стержнях и колбочках сетчатки. Эти химические изменения стимулируют выработку нервных импульсов, которые отправляются в зрительную кору головного мозга через зрительный нерв.

Длины волн от семисот нанометров до примерно одного миллиметра (1 мм) относятся к инфракрасной части ЭМ-спектра. Некоторые длины волн инфракрасного излучения поглощаются роговицей и внутренней линзой. Волны других длин инфракрасного излучения действительно достигают сетчатки, но не обладают достаточной энергией, чтобы вызвать химические изменения в сетчатке, которые могут вызвать нервные импульсы.


Видимый свет — лишь небольшая часть электромагнитного спектра.


Многие источники тепла излучают как инфракрасное излучение, так и видимый свет.Пиковые длины волн этих тепловых излучений становятся короче при повышении температуры. Вы можете увидеть эффект, когда кусок металла медленно нагревается. Сначала излучается только тепловое (инфракрасное) излучение. По мере того, как металл нагревается, пиковые длины волн перемещаются в видимую часть электромагнитного спектра, и можно увидеть слабое красное свечение.

При дальнейшем повышении температуры металла свечение становится все ярче и ярче, пока не станет почти белым.При очень высоких температурах он может даже стать бело-голубым, так как пиковые длины волн начинают перемещаться в ультрафиолетовую часть электромагнитного спектра.

Сначала, кроме луны и звезд, у наших предков не было другого источника света в темное время суток. Со временем человек научился разводить огонь и изобрел различные формы искусственного освещения, в том числе факелы, сжигающие смолу, свечи из воска или животного жира и масляные лампы.

Сегодня мы полагаемся на производство электроэнергии для освещения наших домов и рабочих мест. Большинство видов транспорта вырабатывают собственную электроэнергию для освещения навигации и удобства пассажиров. Даже велосипеды могут генерировать собственный свет, если оснащены динамо-машиной. И, конечно же, чтобы предотвратить перебои в подаче электроэнергии, у большинства из нас есть хотя бы один или два фонарика с батарейным питанием и запас свечей!

Фотометрические величины

Фотометрия использует множество различных единиц измерения яркости из-за разнообразия самих источников света.Некоторые источники света излучают свет одновременно во всех направлениях (например, лампочка), а некоторые фокусируют весь свой свет в одном направлении (например, фонарик).

Другие источники света можно увидеть только на темном фоне. Восприятие яркости также меняется с расстоянием, потому что свет распространяется по мере удаления от источника света. И, конечно же, свет отражается от разных поверхностей в разной степени и в разных направлениях, в зависимости от природы поверхности и угла, под которым свет падает на нее.

Таким образом, фотометрия — довольно сложный бизнес, и количество различных единиц, используемых для измерения фотометрических величин, является отражением этой сложности. В таблице ниже перечислены основные фотометрические величины и единицы, используемые для измерения яркости, и дано краткое описание каждой из них. Обратите внимание, что некоторые фотометрические величины имеют суффикс «v». Это сделано во избежание путаницы с радиометрическими величинами.


и стерадиана 9 0132 люмен на ватт яркость доля максимально возможной световой отдачи — безразмерная величина, обычно выражаемая в процентах
СИ Фотометрические величины и единицы
Количество Символ Единица Единица
Обозначение
Описание
Яркость
I v 90dlam 90dlam мощность на единицу телесного угла
Световой поток
Φ в люмен
(кд · ср)
лм Световая энергия в единицу времени — произведение силы света Световая энергия
Q v люмен-секунда лм · с Энергия, излучаемая как свет, — произведение светового потока и его продолжительности
Яркость 9 кандела на квадратный метр кд / м 2 Световая мощность на единицу телесного угла на единицу спроецированная площадь источника
Освещенность E v люкс
(лм / м 2 )
лк Световая мощность, падающая на поверхность в люменах на 144 кв.
световая отдача
M v люкс
(лм / м 2 )
люкс Световая мощность, излучаемая с поверхности в люменах на квадратный метр

H
v
люкс второй люкс · с Произведение освещенности и его продолжительности
Световая энергия

плотность
ω v люмен135 с лм · с на кубический метр · М -3 Световая энергия на кубический метр
Световая отдача
η лм / Вт Отношение светового потока к лучистому потоку или потребляемой мощности, в зависимости от контекста
Световая эффективность
В

Функции светимости

Среднюю чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн видимого света можно смоделировать с помощью одной из широко используемых функций светимости (или световой эффективности ).В зависимости от преобладающих условий используются разные функции, поскольку глаз по-разному реагирует на определенную длину волны в зависимости от того, насколько она светлая или темная.

При дневном свете или при достаточном искусственном освещении наше зрение считается фотопическим . Фотопическое зрение позволяет нам ясно видеть вещи и достаточно быстро обрабатывать визуальную информацию, которую мы получаем. Это также позволяет нам видеть цвета. В темноте или в условиях очень низкой освещенности наше зрение становится scotopic .Это означает, что мы теряем четкость зрения, и обработка визуальной информации занимает значительно больше времени. Мы также теряем способность видеть цвета.

Существует также третий тип зрения, называемый мезопическим зрением , который сочетает в себе элементы фотопического и скотопического зрения. Обычно мы используем эту третью форму зрения, когда еще не совсем темно или когда (например) нам приходится полагаться на уличное освещение.

Хотя фотометрия обычно основана на реакции глаза на источник света в хорошо освещенных условиях (т.е.е. ответ photopic ) был использован ряд различных функций яркости. Одна из причин этого заключается в том, что, как мы уже говорили, реакция глаза на разные длины волн будет различаться в зависимости от условий освещения, при которых она оценивается. Другая причина заключается в том, что такие измерения основаны на субъективных суждениях относительно того, какой из пары разноцветных огней ярче, чтобы определить относительную чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн.

Чтобы уточнить, здесь мы не используем инструменты для измерения яркости источника света (то есть его фактической мощности излучения). Функция световой отдачи описывает средней спектральной чувствительности человека для человеческого зрительного восприятия яркости — другими словами, это мера того, насколько ярким «средний» человек воспринимает свет на определенной длине волны. Он основан на интерпретации ответов, полученных от людей в течение многих десятилетий, и исследования продолжаются.

Различные стандартные функции световой отдачи были опубликованы Международной комиссией по освещению (CIE) или Международной комиссией по освещению , давшей ему французское название. Эта организация, базирующаяся в Вене, является международным авторитетом в области света, освещения, цвета и цветовых пространств.

Мы будем рассматривать только две функции световой отдачи для целей этого обсуждения — функцию световой отдачи , которая лучше всего приближает реакцию человеческого глаза при дневном свете, и функцию световой отдачи , , которая отражает изменения в световой отдаче. реакция человеческого глаза при низком уровне освещенности.

Функция фотопической яркости

В условиях хорошего освещения чувствительность человеческого глаза к видимому свету на разных длинах волн лучше всего представлена ​​функцией яркости photopic . Первоначальная функция светоотдачи В, (λ) была предложена К.С. Gibson и E.P.T Tyndall Национального бюро стандартов США в 1923 году и принят CIE в 1924 году.

Функция моделирует отношение энергии источника света с длиной волны, к которой глаз наиболее чувствителен (λ макс. ), к энергии источника света с длиной волны λ, которая вызывает такую ​​же реакцию у испытуемого. Функция была основана на данных испытаний, полученных в ряде различных лабораторий и с использованием ряда различных методов.

В функцию V (λ) были внесены различные изменения.Первое изменение произошло в 1951 году по предложению американского физика Д.Б. Джадд . Дальнейший пересмотр был предложен J. J. Vos из Instituut voor Zintuigfysiologie (Институт сенсорной физиологии) в Нидерландах в попытке исправить некоторые незначительные аномалии, внесенные предложением Джадда. Результат известен как модифицированный Джаддом-Восом CIE V (λ) , и полученная кривая проиллюстрирована ниже.

Новая функция световой отдачи V2 * (λ) была предложена в 2005 году Линдси Т.Sharpe и Andrew Stockman из Университетского колледжа Лондона, Wolfgang Jagla и Herbert Jägle из Eberhard-Karls-University, Германия. Авторы утверждают, что новая функция улучшает исходную функцию CIE 1924 V (λ) и ее последующие модификации.

Тестирование проводится на так называемых «стандартных наблюдателях». Обычно испытуемого — человека с нормальным зрением — просят сравнить яркость монохроматического источника света на эталонной длине волны пятьсот пятьдесят пять нанометров (длина волны, к которой глаз имеет наибольшую чувствительность. ) с яркостью второго монохроматического источника света, имеющего другую длину волны.

Эталонной длине волны (555 нм) соответствует нормализованное значение световой отдачи 1,0. Первоначально, даже если оба источника света будут иметь одинаковую интенсивность излучения , эталонная длина волны будет казаться ярче, потому что глаз более чувствителен к ней. Его яркость постепенно уменьшается до тех пор, пока испытуемый не покажет, что оба источника света имеют одинаковый уровень яркости. Затем доля, на которую была уменьшена яркость опорной длины волны, вычитается из 1.0, чтобы получить значение световой отдачи для второй длины волны. Для длин волн на обоих концах видимого спектра это значение будет стремиться к нулю.

Для получения значимых результатов большое количество «стандартных наблюдателей» необходимо протестировать во всем диапазоне видимых длин волн. Результаты для каждой длины волны усредняются, чтобы получить относительную чувствительность глаза к этой длине волны, и получается кривая световой отдачи, подобная показанной выше (эту кривую иногда называют кривой V-лямбда ).

Функция скотопической светимости

В условиях низкой освещенности чувствительность человеческого глаза к видимому свету на разных длинах волн изменяется и лучше всего представлена ​​функцией скотопической светимости . Это связано с тем, как работают палочки и колбочки в сетчатке глаза. Колбочки используются в основном для дневного зрения. Они не особенно чувствительны к изменениям уровня освещенности, но могут различать красные, синие и зеленые длины волн.

Жезлы играют преобладающую роль в ночном видении. Они гораздо более чувствительны к свету, чем колбочки (и их гораздо больше), но гораздо менее чувствительны к цвету. Их пиковая чувствительность в синей части спектра видимого света составляет пятьсот семь нанометров (507 нм), и они не особенно чувствительны к красному свету. Как следствие, кривая скотопической световой отдачи смещается в сторону синего конца спектра.Стандартная функция скотопической светимости V, ′ (λ) была принята CIE в 1951 году на основе измерений, полученных американскими учеными Джорджем Уолдом и B.H Crawford , как показано ниже.

Кривая скотопической световой эффективности была построена во многом так же, как и фотопическая кривая, путем тестирования большого количества субъектов во всем диапазоне видимых длин волн и усреднения результатов для каждой длины волны.Единственное отличие состоит в том, что эталонная длина волны установлена ​​на пятьсот семь нанометров (507 нм).

Интенсивность света

Сила света является мерой мощности , взвешенной по длине волны, излучаемой источником света в определенном направлении на единицу телесного угла . Чтобы полностью понять это определение, возможно, потребуется немного его разбить.Вероятно, нам следует начать с того, что сила света — это не то же самое, что сила излучения , сила излучения , хотя эти два понятия тесно связаны.

Интенсивность излучения измеряется как полная мощность излучения, излучаемая точечным источником на единицу телесного угла во всем электромагнитном спектре. Сила света применяется только к видимой части электромагнитного спектра и составляет воспринимаемой мощности на единицу телесного угла.

Наше восприятие яркости для данной длины волны будет зависеть от чувствительности глаза к этой длине волны. Как мы видели выше, чувствительность глаза к видимому свету достигает пика на длине волны пятьсот пятьдесят пять нанометров и может быть смоделирована с помощью функции яркости (или световой отдачи ). Это то, что мы имеем в виду, когда говорим о мощности , взвешенной по длине волны.

Другая вещь, которая может потребовать дальнейшего объяснения, — это то, что мы имеем в виду, когда говорим о единичном телесном угле (если вы достаточно хорошо знакомы с трехмерной геометрией, вы, вероятно, уже знакомы с этой концепцией).В двумерной геометрии мы часто говорим о радианах . Радиан — это угол, образуемый в центре круга дугой на окружности круга, имеющей ту же длину, что и радиус круга. Этот принцип проиллюстрирован ниже.


Дуга длиной r образует угол в 1 радиан (57,3 °).


Теперь представьте сферу радиуса r .Предположим, у нас есть часть сферы, отсеченная плоскостью (она известна как сферический колпачок или сферический купол ) и имеет площадь поверхности r 2 . Если мы проведем линию от каждой точки по периметру этой области до центра сферы, мы получим сферический сектор . Сферическая крышка с площадью r 2 образует телесный угол (вы можете думать об этом как трехмерный угол) на один стерадиан в центре сферы.Принцип показан ниже.


Сферический колпачок площадью r 2 образует телесный угол в 1 стерадиан.


В контексте мощности, излучаемой источником света, вы можете представить стерадиан как световой конус, распространяющийся из точки в центре сферы с радиусом в один метр. Свет будет освещать площадь в один квадратный метр на внутренней поверхности сферы.

Единица силы света — кандела (кд), основная единица СИ. До появления канделы для определения силы света использовалось несколько различных единиц, большинство из которых основывались на яркости «стандартного» пламени свечи (обычная свеча излучает свет со средней силой света примерно в одну канделу). Одна из проблем заключалась в том, что спецификации, используемые для «стандартной» свечи, варьировались от страны к стране.Фактически, в некоторых странах вместо свечей использовались масляные лампы, поэтому в целом было мало единообразия.

Дело немного продвинулось вперед в 1909 году, когда США, Франция и Великобритания приняли единицу под названием международная свеча , основанная на мощности определенного типа лампы накаливания с углеродной нитью, но этот стандарт не был принят в других частях страны. Вскоре стало очевидно, что стандарт, основанный на лампах накаливания, будет лишь временным решением.Требовалась гораздо более строго определенная единица.

В начале 1930-х годов идеальное решение, казалось, представило себя в виде планковского радиатора . Планковский радиатор — это идеальный излучатель черного тела (материал, который поглощает и излучает лучистую энергию). Он подчиняется закону излучения Планка , который назван в честь немецкого физика-теоретика Макса Карла Эрнста Людвига Планка (1858-1947).

Планковский излучатель не только поглощает все падающее излучение, но и излучает излучение на всех длинах волн, при этом спектральное распределение мощности зависит только от длины волны и температуры. Другими словами, если у нас есть идеальный планковский излучатель при известной температуре, мы можем предсказать мощность испускаемого излучения для данной длины волны.

В 1939 году Консультативный комитет по фотометрии внес предложение в Международный комитет мер и весов (CIPM) о новом определении единицы силы света.Пересмотренный блок должен был называться «новая свеча» и был основан на силе света планковского радиатора при температуре замерзающей платины — две тысячи сорок пять кельвинов (2045 к). Судопроизводство было прервано Второй мировой войной, но к 1946 году определение «новой свечи» было более или менее согласовано и выглядело следующим образом:

«Стоимость новой свечи такова, что яркость полного радиатора при температуре застывания платины составляет 60 новых свечей на квадратный сантиметр.»

Новая единица измерения была принята CIPM на 9-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) в 1948 году. В 1967 году 13-я CGPM решила отказаться от названия «новая свеча» в пользу «кандела» (латинское слово для свечи) и изменили определение канделы, указав, что затвердевающая платина подвергалась давлению 101 325 паскалей или 101 325 ньютонов на квадратный метр (другими словами, стандартное атмосферное давление).Таким образом, пересмотренное определение было следующим:

«Кандела — это сила света в перпендикулярном направлении поверхности 1/600 000 квадратных метров черного тела при температуре замерзания платины под давлением 101 325 ньютонов на квадратный метр».

Однако новое определение будет недолговечным. Оказалось, что создать радиатор Planck с требуемыми характеристиками в лабораторных условиях оказалось гораздо сложнее, чем предполагалось, не в последнюю очередь из-за высоких температур.Кроме того, достижения в области радиометрии означали, что стали доступны новые методы измерения электромагнитного излучения, включая измерение интенсивности видимого света.

16-я Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) в 1979 году приняла определение канделы, которое мы видели в начале этой страницы и которое мы воспроизводим здесь:

«сила света в заданном направлении источника, который испускает монохроматическое излучение с частотой 540 x 10 12 герц и имеет силу излучения в этом направлении 1 / 683 ватт на стерадиан»

На первый взгляд произвольный выбор дроби 1 / 683 был сделан для того, чтобы гарантировать, что новое определение канделы даст ей то же значение, что и старое определение.Частота, выбранная для монохроматического источника света, соответствует длине волны пятьсот пятьдесят пять нанометров (555 нм), которая, как мы видели, является длиной волны, к которой глаз наиболее чувствителен.

Возможно, наиболее важным аспектом этого переопределения канделы является то, что оно позволяет нам вывести следующую формулу для определения силы света монохроматического света определенной длины волны:

I v = 683 × V (λ) × I e

где:

I v — сила света в канделах (кд)
I e — сила излучения в ваттах на стерадиан (Вт / ср)
V (λ) — стандартная функция яркости

В большинстве случаев, конечно, источник света, который мы хотим измерить, будет полихроматическим (т.е.е. он будет содержать излучение с более чем одной длиной волны). В этом случае необходимо суммировать или интегрировать по спектру имеющихся длин волн, чтобы получить силу света источника света. Мы можем изменить формулу, чтобы отразить это следующим образом:

9014 d321 9014 d
I v = 683 V (λ) d I e (λ) d321

Теперь у нас есть средство, с помощью которого мы можем использовать современные радиометрические методы для измерения силы излучения источника света и получения из нее силы света источника света.Назначение функции яркости V (λ) в этих формулах состоит в том, чтобы присвоить весовой коэффициент интенсивности излучения каждой длины волны, измеренной в соответствии со средней чувствительностью человеческого глаза к этой длине волны.

Еще один момент, о котором стоит упомянуть, и который, возможно, пришел вам в голову, заключается в том, что если мы используем какой-либо датчик для измерения интенсивности излучения источника света, значение полученных показаний будет зависеть от того, как далеко находится датчик от источник света, потому что свет распространяется по мере удаления от источника.Однако это не проблема, потому что мы используем датчик с принимающей областью известного размера для измерения принимаемого света.

Независимо от расстояния между датчиком и источником света (в метрах), на один стерадиан будет квадратом этого расстояния . Допустим, у нас есть датчик с площадью приема на один квадратный сантиметр , и что это ровно на один метр от источника света. стерадиан в этом случае будет один квадратный метр . Площадь нашего датчика составляет один квадратный сантиметр , что составляет одна десятитысячная квадратного метра (т.е. одна десятитысячная стерадиана ). Поэтому мы умножаем измеренных значений интенсивности излучения на десять тысяч, чтобы получить интенсивность излучения на каждый стерадиан .

Световой поток

Световой поток или Световая мощность является мерой воспринимаемой мощности света, излучаемого во всех направлениях источником света в единицу времени.Световой поток не то же самое, что лучистый поток , хотя эти два понятия тесно связаны. Лучистый поток является мерой общей мощности электромагнитного излучения, испускаемого источником на всех длинах волн , тогда как световой поток является мерой электромагнитного излучения, излучаемого только на тех длинах волн, которые попадают в видимую часть электромагнитного спектра, взвешены в соответствии со средней чувствительностью человеческого глаза к каждой длине волны.

Единица светового потока в системе СИ — люмен, (лм). Один люмен определяется как световой поток, излучаемый в один единичный телесный угол (т.е. один стерадиан ) изотропным источником света с силой света в одну канделу (изотропный источник света — это тот, который излучает свет во всех направлениях. с такой же интенсивностью). Таким образом, световой поток является произведением силы света и стерадиан (кд · ср).

Рассмотрим изотропный источник света с силой света в одну канделу. Мы знаем, что один стерадиан — это телесный угол, образованный областью на поверхности сферы, равной квадрату радиуса сферы ( r 2 ). Мы также знаем, что общая площадь поверхности сферы равна , в четыре раза умноженным на пи, умноженному на радиус сферы в квадрате (4π r 2 ). Таким образом, полный телесный угол, образуемый сферой, равен π стерадианам.Таким образом, общий световой поток ( Φ v ), создаваемый нашим источником света, определяется следующим образом:

Φ v = 4π лм ≈ 12,57 лм

Световой поток источника света в люменах является мерой его общей светоотдачи, тогда как сила света является мерой того, насколько ярким кажется свет в определенном направлении. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим фонарик с общим световым потоком двести люмен (200 лм), который излучает световой конус с телесным углом в одну десятую стерадиана (0.1 ср). Мы бы рассчитали силу света луча нашего фонарика следующим образом:

I v = 200 лм и дел; 0,1 ср = 2000 кд

Теперь рассмотрим изотропный источник света с таким же общим световым потоком (двести люмен). Как мы видели, изотропный источник света покрывает телесный угол 4π стерадиан, поэтому сила света (в любом направлении) нашего изотропного источника света будет рассчитана следующим образом:

I v = 200 лм и дел; 4π ср = 15.915 кд

Свет от фонарика обычно кажется намного ярче, чем свет от лампы накаливания, хотя общий световой поток, создаваемый фонариком, может быть на самом деле намного меньше, чем общий световой поток, создаваемый лампочкой. Это связано с тем, что свет от фонарика концентрируется в узком луче, тогда как лампочка может считаться изотропным источником света , потому что она излучает свет (почти) во всех направлениях.


Луч фонарика кажется во много раз ярче, чем свет лампы накаливания.


Например, лампа накаливания мощностью семьдесят пять ватт (75 Вт) с питанием от сети дает около одиннадцати сотен люмен (1100 лм) и имеет силу света примерно восемьдесят пять кандел (85 кд). Для сравнения (по данным производителей) светодиодный фонарик Mini MAGLITE , работающий от двух батареек AAA, дает сто одиннадцать люменов (111 лм) и имеет максимальную интенсивность луча две тысячи семьсот двенадцать кандел (2712 кд).Если рассматривать это в контексте, фонарик производит одну десятую светового потока лампы накаливания, но он более чем в тридцать раз ярче.

Лучистый поток , создаваемый источником света, представляет собой физическую величину, которую можно объективно измерить с помощью соответствующего оборудования и методов. Световой поток источника света, как мы уже сказали, представляет собой воспринимаемую мощность источника света. Световая эффективность (обозначение: η ) источника света — это отношение светового потока к лучистому потоку или потребляемой мощности, в зависимости от контекста, и выражается в люмен на ватт (лм / Вт).

Световая отдача современной лампочки обычно выражается в ее потребляемой мощности. Если мы хотим найти световой поток лампочки, мы можем использовать следующую формулу для преобразования ватт в люмены:

Φ v = P × η

где:

Φ v — световой поток в люменах (лм)
P — потребляемая мощность в ваттах (Вт)
η — световая отдача лампы в люменах на ватт (лм / Вт)

В наши дни световой поток и номинальная мощность коммерчески доступной лампочки неизменно указываются на упаковке, а также публикуются в паспорте производителя, поэтому такие вычисления обычно не требуются.Производитель должен провести всестороннее тестирование своей продукции, чтобы удостовериться в данных такого рода, прежде чем выпускать ее на рынок.

Тем не менее, физики иногда сталкиваются с необходимостью измерить лучистый поток источника света и рассчитать соответствующий ему световой поток. Это возвращает нас к световой эффективности — безразмерной величине, которая выражает световую отдачу источника света как долю максимально возможной световой отдачи для этого источника света.

В фотопических условиях длина волны видимого диапазона, обеспечивающая максимально возможный световой поток, составляет пятьсот пятьдесят пять нанометров (555 нм), потому что это длина волны, к которой глаз наиболее чувствителен. На этой длине волны световой поток составит шестьсот восемьдесят три люмена на ватт (683 лм / Вт). По определению, это значение также является максимально возможной эффективностью источника света, и ему присвоена световая отдача единиц (1.0).

В скотопических условиях глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны пятьсот семь нанометров (507 нм). Палочки в сетчатке, отвечающие за ночное зрение, гораздо более многочисленны и гораздо более чувствительны к свету, чем колбочки. Следовательно, световая отдача монохроматического света на этой частоте достигает максимального значения семнадцать сотен люмен на ватт (1700 лм / Вт).

Помните, что световой поток — это воспринимаемая мощность источника света. Это зависит от чувствительности глаза ко всему спектру видимых длин волн, излучаемых источником, и от лучистого потока (или мощности излучения ), создаваемого на каждой длине волны. Мы взвешиваем лучистый поток на каждой длине волны, используя функцию яркости V-лямбда . Таким образом, общий световой поток источника света равен взвешенной сумме мощности всех присутствующих видимых длин волн.

Формула светового потока монохроматического источника света выглядит следующим образом:

Φ v = Φ e × V (λ) × 683 лм / Вт

где:

Φ v — световой поток в люменах (лм)
Φ e — лучистый поток в ваттах (Вт)
V (λ) — функция световой отдачи

Найти световой поток для полихроматического источника света несколько сложнее, потому что нам нужно установить спектральное распределение мощности для источника (т.е.е. мощность излучения каждой присутствующей видимой длины волны). Общий световой поток источника равен сумме световых потоков всех видимых длин волн.

Освещенность

Освещенность определяется как общий световой поток , падающий на поверхность, в люменах на квадратный метр (лм / м 2 ). Это показатель того, насколько хорошо падающий свет освещает поверхность.Единица измерения освещенности в системе СИ — люкс (символ: лк). Освещенность в прошлом называлась «яркостью», но от этого термина отказались, потому что он, как правило, также использовался как синоним яркости, что не одно и то же.

Понятие, тесно связанное с освещенностью, — это светового воздействия — количество светового потока на квадратный метр, падающего на поверхность за определенный период времени. Световая экспозиция — это произведение освещенности и продолжительности периода времени в секундах.


Освещенность освещает объект или поверхность; яркость — это то, что видит глаз


Уровень освещенности, падающий на поверхность из-за изотропного источника света, зависит от трех факторов. Он прямо пропорционален интенсивности источника света. Это также зависит от расстояния между источником света и освещаемой поверхностью, потому что свет распространяется по мере удаления от источника.Наконец, это зависит от угла, под которым свет падает на поверхность .

В 1760 году швейцарский эрудит Иоганн Генрих Ламберт (1728-1777) опубликовал свою книгу Photometria , в которой точно описал ряд фотометрических принципов и определил ряд важных фотометрических величин. Работа Ламберта была вехой в области фотометрии, потому что это был первый текст, описывающий фотометрические величины и отношения между ними в математических терминах.По сути, работа Ламберта внесла ясность в предмет, который ранее был плохо понят.

Ламберт определил два важных закона, касающихся освещенности. Первый из этих законов известен как закон обратных квадратов . Он утверждает, что освещение на поверхности из-за точечного источника света обратно пропорционально квадрату расстояния между источником света и поверхностью. Второй — закон косинуса Ламберта , который гласит, что освещение на поверхности изменяется как косинус угла падения.Используя комбинацию этих законов, мы можем выразить освещенность E v в точке на поверхности следующим образом:

E v = I v cos ( θ )
d 2

где:

E v — освещенность в люксах (лк)
I v — сила света источника света в канделах (кд)
θ — угол падения (угол между светом и нормаль к освещенной поверхности)
d — расстояние от источника света до целевой точки в метрах (м)

Выше мы заявили, что освещенность — это полный световой поток, падающий на поверхность, в люменах на квадратный метр.Поскольку одна кандела представляет один люмен на стерадиан, мы также можем выразить освещенность E v в точке на поверхности как:

E v = Φ v cos ( θ )
d 2

где:

Φ v — световой поток в люменах (лм)

Обратите внимание, что приведенные выше формулы действительно применимы только в том случае, если источник света можно рассматривать как точечный.Для расширенного источника света требуемые вычисления несколько сложнее и выходят за рамки этого обсуждения.


Освещенность E v зависит от силы света I v источника, расстояния d от источника и угла падения θ


Уровень освещенности E v (в люксах), падающий на заданную область, можно рассчитать как частное светового потока Φ v (в люменах), падающего на рассматриваемую область, и размера площадь (в квадратных метрах):

Сложная часть здесь состоит в том, чтобы определить, сколько светового потока на самом деле падает на указанную область.Мы часто сталкиваемся с экзаменационными вопросами, которые требуют расчета освещенности, падающей на поверхность. Вопрос обычно дает силу света источника света и расстояние до поверхности. Например:

«Точечный источник света в семьдесят пять кандел находится в двух с половиной метрах от картины. Какая освещенность на картине в люксах?»

Если не указано иное, обычно требуется рассчитать освещенность для точки на целевой поверхности , ближайшей к источнику света .Если в вопросе специально не указано иное, вы должны принять угол падения равным нулю. Обратите внимание, что способ, которым вы должны сформулировать свой ответ, может варьироваться в зависимости от того, кто ставит экзамен — вы можете, например, увидеть модельное решение вышеуказанной проблемы, написанное примерно так:

Φ v = 4π × 75 кд = 300π лм

E v = Φ v = 300 π лм = 12 лк
r 4000 40005 м) 2

Напомним, вот две стандартные формулы, о которых вам следует знать в этом отношении:


(1) Освещенность = световой поток × косинус (угол падения)
4π × расстояние 2

сила света × косинус (угол падения)
расстояние 2

Эти формулы дают один и тот же результат, который представляет собой освещенность, измеренную в люменах на квадратный метр в точке, которая находится на заданном расстоянии от изотропного (точечного) источника света и под заданным углом падения.

Расчет средней освещенности от изотропного источника света, падающего на плоскую поверхность, возможно только в том случае, если мы знаем общее количество светового потока, падающего на эту поверхность. Поскольку как угол падения, так и расстояние от источника света будут непрерывно изменяться по плоской поверхности, вычислить это значение намного сложнее.

Давайте посмотрим на другой пример.Предположим, мы хотим рассчитать освещенность, падающую на стол от лампы накаливания мощностью 100 Вт, производящей 1700 люмен, подвешенной на два метра над точным центром стола. Чтобы не усложнять ситуацию, мы будем рассматривать лампочку как изотропный точечный источник света. Освещенность E v , падающая на точку в центре нашего стола, определяется по формуле:

E v = Φ v cos ( θ )
d 2

На данный момент мы можем игнорировать косинусный член, поскольку источник света находится прямо над центром стола, а это означает, что угол падения равен нулю градусов.Итак, для нашей лампы накаливания освещенность, падающая на точку в центре стола, равна:

E v = 1700 = 33,820 лк
4π × 4

Только самый центр стола находится ровно в двух метрах от источника света. Все остальные точки на поверхности стола находятся дальше, и свет от источника падает на эти точки под разными углами.Например, используя базовую геометрию и тригонометрию, мы можем определить, что каждый угол стола находится на расстоянии 2,29 метра от источника света, и что свет, падающий на каждый угол, будет составлять угол с нормалью в 35,13 градуса. Подставляя эти значения в нашу формулу освещенности, мы получаем:

E v = 1700 × cos (35,13 °) = 21,098 лк
4π × (2,29) 2

Чтобы понять, почему угол падения имеет такое значение, нам нужно рассмотреть, что происходит, когда параллельный луч света от протяженного источника падает на плоскую поверхность.Например, можно считать, что свет от Солнца освещает плоскую поверхность равномерно, потому что Солнце настолько далеко, что световые лучи Солнца, падающие на поверхность, можно считать параллельными.

Представьте себе параллельный луч света прямоугольного сечения, движущийся через пространство в заданном направлении. Мы можем измерить световой поток на единицу площади (известный как плотность светового потока ) этого луча света в любой точке по его длине и получить тот же результат, потому что луч параллелен — он не сходится и не расходится.Что произойдет, если луч упадет на плоскую поверхность под углом? Схема ниже иллюстрирует эту концепцию.


Параллельный луч света, падающий на плоскую поверхность


Площадь A — это область, освещенная лучом. Размер области A и, следовательно, количество светового потока на единицу площади, падающей на площадь A , будет зависеть от угла падения θ .Если размер угла увеличивается, увеличивается и размер освещаемой области.

Освещенность E , падающая на воображаемую поверхность, состоящую из площади поперечного сечения луча в любой точке по его длине, эквивалентна плотности светового потока параллельного луча света, которая равна световому потоку Φ (в люменах), деленное на площадь поперечного сечения луча A cos ( θ ) (в квадратных метрах):

Поскольку такое же количество светового потока падает на поверхность A , освещенность E θ на A определяется по формуле:

И поэтому:

E θ = E cos ( θ )

Яркость

Яркость определяется как световой мощности на единицу телесного угла на единицу площади проекции источника.Другими словами, это сила света на единицу площади, проходящая через объект или поверхность, излучаемая или отражаемая объектом или поверхностью в заданном направлении. Единица яркости в системе СИ — кандел на квадратный метр (кд / м 2 ), иногда называемая нит .

Концепция, тесно связанная с концепцией яркости, — это выходная светимость (также известная как световая эмиссия), которая представляет собой общий световой поток на единицу площади, излучаемый с поверхности в люменах на квадратный метр, и который, как и освещенность, имеет значение в люксах как свой блок.

Яркость часто используется для характеристики света, излучаемого или отраженного плоской диффузной поверхностью . Рассеянная поверхность — это поверхность, которая отражает падающий на нее свет в многих направлениях (в отличие от зеркала, которое отражает свет только в одном направлении). Поверхность, которая идеально рассеивается и равномерно отражает падающий на нее свет во всех направлениях, иногда называется ламбертовской поверхностью в честь Иоганна Ламберта (см. Выше), который впервые описал такую ​​поверхность в своей книге Photometria .

Яркость также часто используется для характеристики яркости экранов дисплея. Например, типичный компьютерный экран имеет яркость от пятидесяти до трехсот кандел на квадратный метр. Ноутбуки и персональные компьютеры, планшеты, электронные книги и мобильные телефоны, как правило, имеют экраны с рассеянной поверхностью, потому что это помогает рассеивать окружающий свет, а не отражать его обратно к пользователю. Такие экраны часто называют «антибликовыми».

Яркость, излучаемая поверхностью, определяет, насколько яркой будет поверхность для наблюдателя. Фактически, когда мы смотрим на объект, на самом деле мы видим его яркость. Воздействие слишком высокой яркости, даже в течение короткого времени, может необратимо повредить ваше зрение из-за местного нагрева сетчатки, поэтому (например) вы никогда не должны смотреть прямо на Солнце без каких-либо защитных очков. Солнце в полдень имеет яркость около целых шесть десятых миллиарда кандел на квадратный метр (1.6 × 10 9 кд / м 2 )!

Степень, в которой поверхность отражает электромагнитное излучение (включая, конечно, видимый свет), называется коэффициентом отражения , определяемым как отношение отраженного лучистого потока к падающему лучистому потоку . Степень, в которой поверхность отражает видимый свет, иногда называют ее значением коэффициента отражения света (LRV). Для целей этого обсуждения мы будем называть его просто отражательной способностью (R v ).Темная поверхность, которая полностью поглощает падающего на нее света, имеет коэффициент отражения ноль . Белая поверхность, которая отражает всего света, имеет коэффициент отражения -1.

Вы можете инстинктивно почувствовать, как работает яркость, используя чистый лист белой матовой бумаги. Бумага, как правило, ведет себя как идеальная диффузно отражающая поверхность (за исключением случая, когда ее рассматривают под углом градусов под углом градусов) и равномерно рассеивает падающий свет во всех направлениях.Поместите бумагу в такое место, где она будет равномерно освещена, а затем перемещайтесь по комнате, чтобы рассмотреть бумагу под разными углами и с разных расстояний. Вы должны обнаружить, что количество света, отражаемого бумагой, не меняется.

Учитывая то, что мы знаем о том, как расстояние и угол падения влияют на степень, в которой источник света освещает поверхность, вы можете задаться вопросом, как возможно, чтобы видимая яркость освещенной поверхности (т.е. его яркость) не меняется существенно, независимо от угла обзора или расстояния между поверхностью и наблюдателем. Давайте сначала разберемся с вопросом о расстоянии.

Предположим, мы представляем каждую точку на поверхности бумаги как точечный источник света. Согласно закону обратных квадратов, плотность светового потока света, исходящего от этого источника, будет обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником и наблюдателем.Однако размер изображения, проецируемого на сетчатку глаза, также будет обратно пропорционален квадрату расстояния между источником и наблюдателем. Это эффективно нейтрализует эффект закона обратных квадратов, поскольку он относится к плотности светового потока, так что мы воспринимаем яркость поверхности как постоянную независимо от расстояния.

Аналогичная ситуация существует и с углом обзора. Как и освещенность, яркость подчиняется закону косинуса Ламберта.Этот закон применительно к яркости гласит, что сила света в заданном направлении, излучаемая или отраженная идеально рассеивающей плоской поверхностью, изменяется как косинус угла между этим направлением и нормалью к поверхности . Однако освещенная поверхность кажется одинаково яркой под любым углом, поскольку видимый размер поверхности, видимый наблюдателем, также будет увеличиваться или уменьшаться на соответствующую величину при изменении угла обзора.

Для идеально рассеянной поверхности с коэффициентом отражения и яркость поверхности может быть выражена через падающую на эту поверхность освещенность следующим образом:

где:

L v — яркость в канделах на квадратный метр (кд / м 2 )
E v — освещенность в люксах (лк)

Яркость L v точечного источника света в заданном направлении определяется по следующей формуле:

L v = d 2 Φ v
d Σ dΩcos Σ 9 где:

L v — яркость в канделах на квадратный метр (кд / м 2 )
d 2 Φ v — световой поток в люменах (лм) на выходе из области d Σ в любом направление внутри телесного угла d Φ Σ
d Σ — бесконечно малая площадь в квадратных метрах (м 2 ) точечного источника света
d Ом Σ — бесконечно малый телесный угол в стерадианы (ср) в указанном направлении
θ Σ — угол между нормалью к d Σ и указанным направлением

Если среда, через которую свет проходит от точечного источника света, не имеет потерь, яркость в заданном направлении останется неизменной независимо от расстояния.

Мы не собираемся слишком глубоко углубляться в математические концепции, лежащие в основе этой формулы. Достаточно сказать, что для точного расчета яркости поверхности из-за света, падающего на эту поверхность от конкретного источника света, потребуется значительный объем вычислений. Для многих приложений это просто непрактично, но для получения достаточно точного приближения доступны различные методы.

Для тех из вас, кто интересуется математикой, соотношение между яркостью отражающей поверхности и освещением, получаемым этой поверхностью, определяется следующей формулой:

2 9048 Ом Σ
L v d Ω Σ cos θ Σ = M v = E

Если интеграл охватывает излучение для всех направлений излучения Ом Σ и:

M v — выходная светимость поверхности
E v — освещенность , полученная поверхностью
R — коэффициент отражения поверхности

Для идеально рассеянного (т.е. Ламбертианской) отражающей поверхности, яркость изотропна, и соотношение между яркостью и освещенностью становится намного проще:

L v = E v R / π

Фотометрические измерения

Устройства для измерения света делятся на две очень широкие категории — те, которые измеряют свет радиометрически , которые обеспечивают объективное измерение света на основе света всех длин волн и обычно дают результаты в единицах Вт, (мощность) или Дж, (энергия). ), и те, которые измеряют свет фотометрически , которые обеспечивают субъективную оценку света на основе средней чувствительности человеческого глаза к длинам волн в видимом спектре.

Нас интересует именно последний вид светомера, который выдает результаты в фотометрических единицах. Поэтому мы должны быть осторожны при обсуждении фотометрии и при исследовании приложений фотометров, чтобы различать инструменты, предназначенные исключительно для измерения фотометрических величин, и те, которые предназначены для измерения гораздо более широкого диапазона (радиометрических) величин.

Чисто фотометрические инструменты обычно используются для измерения таких величин, как световой поток (аналог радиометрической мощности), сила света (световой поток на единицу телесного угла, т.е.е. в заданном направлении), и освещенность , (световой поток, падающий на заданную площадь поверхности). Соответствующие единицы для этих величин: люмен, (лм), кандела, (кд) и люкс, (лк).

До того, как были разработаны современные фотометрические инструменты, фотометрические измерения в основном выполнялись путем сравнения исследуемого источника света неизвестной интенсивности с одним или несколькими источниками света, интенсивность которых была уже известна.Этот процесс в значительной степени зависел от человеческой наблюдательности и способности человеческого глаза различать источники света разной интенсивности.

Возможно, самый ранний образец «фотометра», который, как полагают, был изобретен в начале девятнадцатого века, представляет собой лист бумаги с жирным пятном в центре, установленный на подвижной раме, образующей грубый экран. Смазка делает бумагу полупрозрачной, (почти прозрачной).

Экран помещается между двумя источниками света: A и B . Предположим, что интенсивность источника света A известна, и что мы хотим найти интенсивность источника света B . Источник света Горит (свеча или электрическая лампочка). Когда вы смотрите на экран с той же стороны, что и источник света A, , жирное пятно кажется на темнее , чем окружающая бумага, потому что в этой точке через бумагу проходит больше света, а не отражается обратно в вашем направлении.


Простой фотометр жирных пятен


Если вы посмотрите на экран под углом в другом направлении , жирное пятно будет на ярче на , чем окружающая его область, потому что в этот момент через экран на вас проходит больше света.

Источник света B теперь должен гореть, и вы должны вернуться в исходное положение.Теперь, глядя на экран, вы должны обнаружить, что пятно менее темное, чем было в первый раз, потому что теперь через него проходит свет в противоположном направлении от источника света B (фактически, в зависимости от интенсивность источника света B , он может даже казаться на ярче на , чем окружающая бумага).

Идея состоит в том, чтобы перемещать экран вперед и назад между источниками света до тех пор, пока пятно жира больше не будет видно с обеих сторон (или, по крайней мере, до тех пор, пока оно не будет выглядеть одинаково с обеих сторон).Вы должны обнаружить, что есть только одна точка между двумя источниками света, где это происходит, потому что каждая сторона экрана будет освещена в одинаковой степени.

Мы уже знаем, что освещенность, падающая на точку из-за источника света, обратно пропорциональна расстоянию между источником света и освещаемой точкой. Исходя из этого, мы можем сделать вывод, что отношение интенсивностей света двух наших источников света будет равно отношению квадратов расстояний между каждым источником света и экраном, когда экран находится в точке, где обе стороны экран получит такую ​​же подсветку.

Мы можем выразить это отношение алгебраически. Назовем расстояние между источником света A, и экраном d 1 , а расстояние между источником света B и экраном d 2 . Тогда у нас есть:

9 2 904 9 904 9 904 где:

I vA — сила света источника света A

а также

I vB — сила света источника света B

Переставляя уравнение, получаем:

I vA = d 1 2
I vB

139

Аппарат, описанный выше, относительно легко установить — например, в школе или лаборатории колледжа — относительно рентабелен и дает достаточно точные результаты, если внимательно следить за наблюдениями и измерениями.

Для последовательного измерения фотометрических величин с высокой степенью точности нам, очевидно, потребуется гораздо более сложное фотометрическое измерительное устройство. Большинство современных фотометров обнаруживают свет, исходящий от источника света, с помощью электронных компонентов, таких как фоторезисторы , фотодиоды или фотоумножители .

Технические характеристики конкретного фотометра будут зависеть от области применения, для которой он предназначен.Одно из приложений, с которым вы, вероятно, знакомы, — фотография, в которой уровни света, присутствующие в сцене, будут определять, как долго датчик камеры (или пленка, в случае устаревшей нецифровой камеры) должен подвергаться воздействию света. проходя через апертуру камеры.

Когда-то фотографы использовали экспонометр (иногда называемый экспонометром ), который был полностью отдельным устройством от самой камеры, для измерения уровня внешней освещенности перед съемкой.Сегодня большинство камер имеют встроенный экспонометр, который по умолчанию автоматически регулирует выдержку, хотя профессиональные фотографы или серьезные фотографы-любители часто все еще используют отдельное устройство для проверки уровня освещенности.

Одним из важных приложений фотометрии является оценка условий освещения на рабочем месте. Уровни освещения должны быть достаточными, чтобы сотрудники могли комфортно и эффективно выполнять свою работу, а это означает, что должен быть соответствующий уровень света, падающего на поверхности, на которых работают операторы.Избыточный контраст, блики и мерцающие источники света в поле зрения также могут вызывать проблемы.

Измерение уровней освещения на рабочем месте в основном связано с обеспечением адекватного и, насколько это возможно, равномерного освещения рабочей зоны в соответствии с требованиями конкретного вида рабочей деятельности. Таким образом, интересующий показатель — это освещенность (то есть количество света, падающего на единицу площади рабочей поверхности).Для проведения необходимых измерений используется прибор люксметр .

Общий световой поток , создаваемый источником света (например, лампой или лампочкой), часто измеряется с помощью устройства, называемого фотометром с интегрирующей сферой . Как следует из названия, эти устройства имеют форму полой сферы, смонтированной в жесткой раме и обычно изготовленной из стекловолокна или алюминия. Сфера может варьироваться по размеру от нескольких сантиметров до нескольких метров в диаметре, а внутренняя часть сферы равномерно покрыта белым, хорошо отражающим и сильно рассеянным материалом.

Источник света, который необходимо измерить, может быть помещен внутри сферы или установлен заподлицо с отверстием на поверхности сферы, называемым входным портом , так, чтобы весь свет от источника света попадал в сферу. Свет от источника света отражается внутри отражающим покрытием сферы. Из-за диффузного характера покрытия свет, отраженный в каждой точке внутренней поверхности сферы, отражается одинаково во всех направлениях.

Отраженный свет от источника света измеряется детектором, установленным внутри другого отверстия на поверхности сферы, называемого выходным портом . Перегородка , покрытая тем же материалом, что и внутренняя часть сферы, предотвращает попадание света от источника света прямо на детектор. Только непрямой свет, который был многократно отражен, т.е. «интегрирован», достигнет детектора. Выходную мощность тестируемого источника света обычно сравнивают с выходной мощностью одного или нескольких стандартных источников света с известными выходными значениями, по которым интегрирующая сфера откалибрована для светового потока.


Схема интегрирующей сферы Gooch & Housego OL IS-1800
Изображение: www.opteema.com


Существует ряд других видов приборов для измерения света. Гониофотометр , например, часто используется для измерения светового потока от устройств твердотельного освещения (SSL), в которых используются светодиоды различных типов, поскольку эти источники света имеют тенденцию быть направленными.Гониофотометр в основном используется для измерения света, излучаемого источником света под разными углами.

Гониофотометры получили более широкое распространение в последние годы из-за строгих правил, касающихся пространственного распределения света в автомобилях. Гониофотометр также можно использовать для определения общего светового потока источника света путем проведения измерений в широком диапазоне углов. Этот процесс занимает относительно много времени по сравнению с использованием интегрирующей сферы, но дает значительно более точные результаты.


1,7 Основные фотометрические величины »Gigahertz-Optik

Одной из центральных проблем оптических измерений является количественная оценка источников света и условий освещения в числах, напрямую связанных с восприятием человеческого глаза. Эта дисциплина называется «фотометрия», и ее значение приводит к использованию отдельных физических величин, которые отличаются от соответствующих радиометрических величин только в одном отношении: радиометрические величины просто представляют собой общую сумму мощности излучения на различных длинах волн и не учитывают Поскольку чувствительность человеческого глаза к оптическому излучению зависит от длины волны, фотометрические величины представляют собой взвешенную сумму с весовым коэффициентом, определяемым либо фотопической, либо скотопической спектральной функцией световой отдачи.Таким образом, числовое значение фотометрических величин напрямую связано с впечатлением от «яркости». Фотометрические величины отличаются от радиометрических величин индексом «v», что означает «визуальный». Кроме того, фотометрические величины, относящиеся к скотопическому зрению, обозначаются дополнительным штрихом, например Φv ’. Следующие объяснения даны для случая фотопического зрения, которое описывает чувствительность глаза в условиях дневного света и поэтому очень важно для подавляющего большинства ситуаций освещения (фотопическое зрение имеет место, когда глаз адаптирован к уровням яркости не менее нескольких кандел. на квадратный метр скотопическое зрение имеет место, когда глаз адаптируется к уровням яркости ниже нескольких сотых канделы на квадратный метр.Для мезопического зрения, которое находится между фотопическим и скотопическим диапазоном, функция спектральной световой отдачи еще не определена). Однако соответствующие соотношения для скотопического зрения можно легко получить, заменив V (λ) на V ‘(λ) и K м (= 683 лм / Вт) на K’ м (= 1700 лм / Вт).

Поскольку определение фотометрических величин близко соответствует соответствующим определениям радиометрических величин, соответствующие уравнения остаются в силе — индекс «e» нужно только заменить на индекс «v».Таким образом, не все отношения повторяются. Вместо этого в Приложении дается более общая формулировка всех соответствующих отношений.


Следующие разделы содержат информацию о:


Световой поток Φ

v

Световой поток Φ v является базовой фотометрической величиной и описывает общее количество электромагнитного излучения, испускаемого источником, спектрально взвешенное с помощью функции спектральной световой отдачи человеческого глаза V (λ). Световой поток — это фотометрический аналог силы излучения.Световой поток указан в люменах (лм). На длине волны 555 нм, где человеческий глаз имеет максимальную чувствительность, мощность излучения 1 Вт соответствует световому потоку 683 лм. Другими словами, монохроматический источник, излучающий 1 Вт на длине волны 555 нм, имеет световой поток ровно 683 лм. Значение 683 лм / Вт сокращенно обозначается как Km (значение Km = 683 лм / Вт дано для фотопического зрения. Для скотопического зрения необходимо использовать K м ‘= 1700 лм / Вт). Однако источник монохроматического света излучает такую ​​же мощность излучения на длине волны 650 нм, где человеческий глаз гораздо менее чувствителен и V (λ) = 0.107, имеет световой поток 0,107 × 683 лм = 73,1 лм. Более подробное объяснение преобразования радиометрических величин в фотометрические см. В параграфе «Преобразование радиометрических величин в фотометрические».


Сила света I

v

Сила света I v определяет световой поток, излучаемый источником в определенном направлении. Следовательно, это фотометрический аналог «интенсивности излучения (I e )», которая является радиометрической величиной.Подробно, (дифференциальный) световой поток источника dΦ v , излучаемый в направлении (дифференциального) элемента телесного угла dΩ, равен

.

v = I v × dΩ

и, следовательно,

I vB = I vA × d 2 2
d 1
Φ v = ∫ I v

Сила света указывается в люменах на стерадиан (лм / ср).1 лм / ср обозначается как «кандела» (кд):

1 кд = 1 лм / ср


Яркость L

v

Luminance L v описывает измеряемую фотометрическую яркость определенного места на отражающей или излучающей поверхности при просмотре с определенного направления. Он описывает световой поток, излучаемый или отраженный от определенного места на излучающей или отражающей поверхности в определенном направлении (определение яркости CIE является более общим.В этом руководстве обсуждается наиболее актуальное применение яркости, описывающее пространственные характеристики излучения источника. В деталях, (дифференциальный) световой поток dΦ v , излучаемый (дифференциальным) элементом поверхности dA в направлении (дифференциального) элемента телесного угла dΩ, равен

.

v = L v cos (Θ) × dA × dΩ

, где Θ обозначает угол между направлением элемента телесного угла dΩ и нормалью элемента излучающей или отражающей поверхности dA.

Единица яркости

1 лм м -2 ср -1 = 1 кд м -2


Освещенность E

v

Освещенность E v описывает световой поток на единицу площади, падающий на определенное место облучаемой поверхности. В деталях, (дифференциальный) световой поток dΦ v на (дифференциальном) поверхностном элементе dA равен

.

v = E v × dA

Как правило, элемент поверхности можно ориентировать под любым углом к ​​направлению луча.Подобно соответствующему соотношению для энергетической освещенности, освещенность E v на поверхности с произвольной ориентацией связана с освещенностью E v, нормой на поверхности, перпендикулярной лучу, на

.

E v = E v, нормальный cos (ϑ)

, где ϑ обозначает угол между лучом и нормалью к поверхности. Единица освещенности — люкс (лк) .

1 лк = 1 лм м -2


Световая отдача M

v

Световая отдача M v определяет световой поток, излучаемый или отраженный от определенного места на поверхности на единицу площади.В деталях, (дифференциальный) световой поток dΦ v , излучаемый или отраженный элементом поверхности dA, определяется выражением

.

v = M v × dA

Единица световой отдачи — 1 лм м -2 , что совпадает с единицей измерения освещенности. Однако сокращение «люкс» — это , а не «», используемое для определения яркости.


Преобразование радиометрических и фотометрических величин

Монохроматическое излучение

В случае монохроматического излучения на определенной длине волны λ радиометрическая величина X e просто преобразуется в ее фотометрический аналог X v путем умножения на соответствующую спектральную светоотдачу V (λ) и на коэффициент K m. = 683 лм / Вт.Таким образом,

X v = X e × V (λ) × 683 лм / Вт

, где X обозначает одну из величин Φ, I, L или E.

Пример: светодиод (светоизлучающий диод) излучает почти монохроматическое излучение на λ = 670 нм, где V (λ) = 0,032. Его лучистая мощность составляет 5 мВт. Таким образом, его световой поток равен

.

Φ v = Φ e × V (λ) × 683 лм / Вт = 0.109 лм = 109 млм

Поскольку V (λ) изменяется очень быстро в этой спектральной области (с коэффициентом 2 в интервале длин волн 10 нм), световой поток светодиода не следует рассматривать как монохроматический, чтобы гарантировать точные результаты.Однако использование соотношений для монохроматических источников все же дает приблизительное значение светового потока светодиода, которого во многих случаях может быть достаточно.

Полихроматическое излучение

Если источник излучает полихроматический свет, описываемый спектральной мощностью излучения Φ λ (λ), его световой поток можно рассчитать путем спектрального взвешивания Φ λ (λ) с помощью функции спектральной световой отдачи человеческого глаза V (λ). , интегрирование по длине волны и умножение на K м = 683 лм / Вт, поэтому

Φ v = K м × ∫ Φ λ (λ) × V (λ) dλ
λ

Как правило, фотометрическая величина X v вычисляется из ее спектрально-радиометрического аналога X λ (λ) через соотношение

X v = K м × ∫ X λ (λ) × V (λ) dλ
λ

, где X обозначает одну из величин Φ, I, L или E.

Конвертер силы света и светового потока

Конвертер силы света и светового потока

Введение

Много лет назад, когда лампы накаливания широко использовались и почти не использовались. стандартный источник света для повседневного использования, выбор подходящей лампы был довольно просто: нужно было «всего лишь» выбрать наиболее подходящую мощность для предполагаемое приложение. Сегодня все намного сложнее: есть стандартные лампочки накаливания, галогенные лампы, компактные люминесцентные лампы, люминесцентные лампы и светодиоды лампы самых разных видов.Все эти лампы имеют разный КПД и разные формы свечения, что позволяет выбор намного сложнее.

Просто глядя на мощность лампы в ваттах, мало что можно сказать об эффективном светоотдача. Чтобы преодолеть эту проблему, сила света I v (выраженная в канделах) и световой поток F (в люменах) являются лучший выбор, но, к сожалению, лишь немногие люди привыкли к этим агрегатам и их значение иногда неверно истолковывают.Производители ламп часто указывают на упаковке одну из этих цифр, но редко и то и другое, поэтому сравнивая лампу мощностью 1000 лм с другой произвести 250 кд непросто: будут ли они светиться такая же яркость? Цель этого калькулятора — помочь преобразовать люмены в канделы для выбор подходящего источника света.


Эта компактная люминесцентная лампа потребляет 20 Вт электроэнергии и обеспечивает (номинальный) световой поток 1’300 лм. Предположим, что диаграмма направленности направлена ​​во всех направлениях (угол конуса 360 °), с с помощью калькулятора, представленного ниже, вы можете оценить силу света около 103 кд.Вы также можете рассчитать эффективность лампы 65 лм / Вт. (нажмите для увеличения)


Эта светодиодная лампа потребляет 4 Вт электроэнергии и производит (номинальную) сила света 350 кд в конусе с полным углом 36 °. С помощью калькулятора, представленного ниже, вы можете оценить световой поток около 108 лм. Вы можете рассчитать эффективность лампы 27 лм / Вт. (нажмите для увеличения)


Почему фотометрические единицы?

В физике используется радиометрических единиц : например, заданное излучение (свет) источник излучает количество мощности P (измеряется в ваттах) и мы можем легко вычислить интенсивность излучения Дж (измеряется в Вт / стер) или освещенность E (измеряется в Вт / м 2 ), если мы хотим знать количество мощности, излучаемой в заданном направлении (телесный угол) или в заданном поверхность соответственно.

Но когда мы говорим о видимом свете, мы должны учитывать чувствительность человеческого глаза, потому что ощущение яркости зависит от цвета (спектра) света. Поэтому предпочтительны фотометрические единиц .

Фотометрический эквивалент мощности излучения — световой поток. (или световая мощность) F (измеряется в люменах). Тогда сила света I v (выраженная в канделах) соответствует световому потоку в заданном телесном угле Ом (1 кд = 1 лм / стер), а освещенность E v (измеряется в люксах) соответствует световому потоку на заданной площади (1 лк = 1 лм / м 2 ).

Радиометрические единицы Фотометрические единицы
Мощность излучения
P
Вт
[Вт]
Световой поток
F
Люмен
[лм]
Интенсивность излучения
Дж
Вт на стерадиан
[Вт / стер]
Сила света
I v
Кандел
[кд = лм / стер]
Энергия излучения
E
Ватт на квадратный метр
[Вт / м 2 ]
Освещенность
E v
Люкс
[лк = лм / м 2 ]

Зависимость силы света от светового потока

В фотометрии световой поток является мерой всего воспринимаемого света. сила света, тогда как сила света является мерой воспринимаемого мощность, излучаемая источником света в определенном направлении на единицу твердого тела угол.Это означает, что максимальная сила света зависит от общей освещенности. потока источника света, но также и от его диаграммы направленности (то, как свет источник излучает во всех направлениях).


Общий световой поток — это сумма всех излучаемых потоков направления, независимо от диаграммы направленности источника света.


Сила света — это световой поток в заданном телесном угле. Вот два примера разной силы света в двух произвольных конусах, предположим, что диаграмма направленности этой лампы неоднородна.

Итак, один и тот же источник света, излучающий одинаковый световой поток (одинаковые люмены) может давать разную силу света (разные свечи) в зависимости от его способность концентрировать свет. Если поставить линзу перед лампой, чтобы сосредоточить свет в одном направлении, сила света в этом направлении увеличится, а общая световой поток остается прежним. Чем выше способность концентрировать свет в одном направлении, тем терка сила света.


Эти 2 светодиода имеют один и тот же чип, обеспечивающий одинаковый световой поток 0.2 лм при токе 30 мА. У того, что слева, есть линза, которая концентрирует свет в узком конусе. 15 °, в то время как тот, что справа, имеет другую линзу, концентрирующую свет в конусе 30 °. В результате сила света светодиода слева составляет 3,7 кд. и 0,9 кд для правого. (нажмите, чтобы увеличить)


Те же 2 светодиода, проецируемые на экран на расстоянии около 5 см. Обратите внимание, что светодиод слева дает меньшее и яркое пятно.К сожалению, на этом HDR-изображении разница в яркости едва заметна. видимый. (нажмите для увеличения)


Точное преобразование силы света в световой поток

Чтобы точно рассчитать общий световой поток F , нам необходимо: учитывать диаграмму направленности I (θ) светового источник. Без диаграммы направленности выполнить преобразование невозможно. Точные числовые данные диаграммы направленности доступны очень редко, но если у кого-то есть шанс иметь таблицу с красивым графиком диаграммы направленности, бесплатную программу, такую ​​как Engauge Digitizer, можно использовать для преобразования графика в числовые значения.Практически все источники света имеют симметричную диаграмму направленности, поэтому мы используйте только данные от 0 ° до 180 ° (от 0 до π), и мы предполагаем, что это будет остается неизменным, если устройство вращается вокруг своей оптической оси.

Зная I (θ) , мы можем вычислить эквивалентный телесный угол Ом (в стерадианах):

Чтобы вычислить этот интеграл, вам потребуется числовая вычислительная программа, например MATLAB, бесплатный Scilab или, возможно, даже электронная таблица. В любом случае это недоступно для простого калькулятора JavaScript, такого как тот, который вы найдете на этих страницах.

Обратите внимание, что I (θ) необходимо нормировать по амплитуде перед вычисляя вышеуказанный интеграл, что означает, что макс (I (θ)) = 1 .

Ом представляет собой телесный угол, пропускающий постоянную и однородную поток равен потоку, передаваемому I (θ) в 4π стерадианах (вся поверхность сферы).

На самом деле это должен быть двойной интеграл в θ и φ . покрывая всю сферу вокруг источника света, но из-за симметричная диаграмма направленности большинства источников света, интеграл в φ можно упростить до коэффициента 2π.

Теперь легко рассчитать световой поток F в люменах:

Где I v — максимальная сила света, измеренная в кандела (компакт-диск).


Простой преобразователь силы света / потока

Очень часто диаграмма направленности лампы неизвестна, но если мы знаем ширина луча (расходимость луча) , которая представляет собой угол конуса свет излучаемый, мы можем сделать приблизительный расчет.Это приблизительное значение, поскольку оно предполагает, что вся мощность равномерно распределена. распределяется внутри этого конуса, и снаружи не излучается энергия. Ширина луча обычно определяется как полный угол конуса , что составляет удвоение угла конуса θ между осью и конусом.


На этом чертеже вы можете видеть синим цветом угол конуса θ и в красный конус полный угол .

В этом приближении мы предполагаем, что весь поток равномерно распределен в указанный конус и что снаружи нет излучения.Это, конечно, не очень точно. Имейте в виду, что реальные цифры могут значительно отличаться, но это лучшее, что вы можете получить только с углом конуса. Но обычно порядок величины правильный. Преимущество в том, что преобразование теперь легко и может быть выполнено с помощью карманный калькулятор или этот конвертер JavaScript.

Зная ширину луча , мы можем легко вычислить соответствующий телесный угол Ом в стерадианах с:

Затем мы можем использовать то же уравнение, что и раньше, для преобразования между светящимися поток F и максимальная сила света I v :

Следующий калькулятор выполнит вычисления за вас:

Мобильная версия доступна здесь, если вы нужно делать преобразования при покупке ламп…

Введите все известные данные в калькулятор ниже и оставьте поля вычислить пустое значение, затем нажмите кнопку «вычислить», чтобы вычислить и заполнить бланки. Возможны не все комбинации; если данных недостаточно; всплывающее окно коробка предупредит вас. Убедитесь, что неизвестные поля полностью пусты: пробел не будет Работа.


А как насчет силы излучения?

Теперь, когда мы знаем световой поток F , можем ли мы вычислить мощность излучения P или наоборот? Что ж, теоретически да, но это не так просто, потому что вам нужно знать спектр P (λ) излучаемого света для расчета соответствующий коэффициент преобразования.Иногда производители предоставляют вам красивый график спектра, в противном случае вам нужно измерить его с помощью оптического спектрометра (и если он у вас есть, вы, вероятно, не нужны пояснения на этой странице). Без точных спектральных данных преобразование из F в С .

Предполагая, что вы знаете P (λ) (измерено, оцифровано с графика предоставлено производителем), первое, что вам нужно сделать, это нормализовать его в поверхности (поверхность под кривой должна быть равна единице):

Опять же, это недоступно для этого калькулятора JavaScript, и вам понадобится мощная числовая вычислительная программа.

Убедившись, что P (λ) нормализовано, вы можете рассчитать коэффициент преобразования лучистого потока в световой η v :

Где В (λ) — стандартное функция яркости (фотопическое зрение), и вы должны интегрировать весь видимый спектр (скажем, от λ мин = От 380 нм до λ макс = 770 нм) или не менее часть, где P (λ) отлична от нуля.

Зная η v , теперь возможно преобразование между лучистый и световой поток со следующим соотношением:

Обратите внимание, что η v выражается в лм / Вт, но не эффективность лампы, это просто мера видимости света для человеческого глаза. Эффективность лампы, выраженная также в лм / Вт, также учитывает потери лампы.

Другими словами, если у вас есть точные спектральные данные и подходящий числовой вычислительное программное обеспечение, вы можете это сделать, но все же вам нужно много мотивации чтобы преодолеть эти два препятствия.И не нужно просто покупать лампочку…


Световая отдача лампы

Световая отдача лампы — это соотношение между производимой световой отдачей. поток и используемая электрическая мощность и выражается в люменах на ватт. (лм / Вт), чем выше, тем лучше. В основном это зависит от технологии изготовления ламп: у старых ламп накаливания очень низкий эффективности, галогенные лампы немного лучше, люминесцентные лампы и светодиоды имеют лучшая эффективность (для белого света) на сегодняшний день (2013 г.).

Обратите внимание, что используемая электрическая мощность отличается от (и всегда выше, чем) мощность излучения обсуждалась ранее. Чтобы вычислить эффективность лампы, нет необходимости вычислять или знать лучистая сила.


Эта старинная лампа накаливания потребляет 75 Вт электроэнергии и обеспечивает (номинальный) световой поток 950 лм. Предположим, что диаграмма направленности направлена ​​во всех направлениях (угол конуса 360 °), с С помощью калькулятора, приведенного выше, вы можете оценить силу света около 76 кд.Вы также можете рассчитать эффективность лампы 13 лм / Вт. (нажмите для увеличения)

Лампы накаливания, независимо от того, галогенные они или нет, лучше подходят для большие силы, потому что чем горячее нить накала генерирует более видимый свет. Таким образом, одна лампочка мощностью 75 Вт и ее 13 лм / Вт эффективнее. чем две лампы мощностью 40 Вт с мощностью всего 10 лм / Вт.

Цветные лампы накаливания имеют очень низкий КПД, потому что большинство свет отфильтровывается цветным стеклом, оставляя только одну часть спектр.С другой стороны, цветные газоразрядные лампы или светодиоды обладают очень высокой эффективностью. потому что излучается только требуемый цвет и не делается никаких компромиссов получить белый свет. По этой причине во многих странах уличные фонари желтые: натриевые лампы. имеют очень хорошую светоотдачу, но излучают уродливый желтый свет.

Для белых ламп, как правило, наиболее эффективны газоразрядные или светодиодные лампы. излучают холодный (голубоватый) свет и плохо передают цвета; это может изменение в будущем.

Наконец, прозрачные лампы имеют лучшую эффективность, чем диффузные, но они иногда тревожно смотреть. Добавление диффузора к прозрачной лампе, конечно, снизит ее эффективность.

В следующей таблице приведены обычные значения световой отдачи обыкновенного белого цвета. домашние лампы:

Тип лампы: Световая отдача:
Эталонные лампы накаливания 8 … 15 лм / Вт
Галогенные лампы накаливания 15…20 лм / Вт
Компактные люминесцентные лампы 30 … 60 лм / Вт
Люминесцентные лампы 60 … 110 лм / Вт
Современные светодиодные лампы 60 … 100 лм / Вт

Практически для всех типов ламп, кроме светодиодных, световая отдача больше или меньше. менее стабильный уже много лет, и здесь нет больших сюрпризов. Для светодиодов эффективность постоянно повышается: десять лет назад эффективность Светодиодные лампы были сравнимы с галогенными лампами, первые эффективные светодиоды имели очень низкие уровни мощности и были практически бесполезны.Сегодня (в 2013 году) можно купить хорошие светодиодные лампы с превышением КПД. 100 лм / Вт в местном универсальном магазине, и эта цифра продолжает расти.


Заключение

Два основных фотометрических понятия, световой поток и сила света, имеют были кратко описаны и простой примерный калькулятор для преобразования между два доступны на этой странице. Чем отличаются некоторые аспекты преобразования лучистого потока в световой поток. было объяснено, но, к сожалению, нет простого способа конвертировать между их.Наконец, была обсуждена световая отдача лампы. Цель состоит в том, чтобы помочь сравнить лампы или источники света в целом после завершения технические данные отсутствуют.


Библиография и дополнительная литература

[1] Уоррен Дж. Смит. Современная оптическая инженерия — Дизайн оптических систем. 3 rd Edition, McGraw-Hill, 2000 г., Глава 8.
[2] А.Даешлер, Г. Кампоново. Elettrotecnica. Edizioni Casagrande, Беллинцона, 1974 г., capitolo 11.


Как рассчитать освещенность | Sciencing

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: S. Hussain Ather

При установке лампочек или регулировке яркости экрана компьютера понимание яркости света может помочь вам определить, насколько они эффективны.

Освещенность поверхности, характеристика, отличная от яркости , измеряет, сколько света падает на нее, а яркость — это количество света, отраженного или испускаемого от нее.Четкое понимание терминологии, касающейся яркости и электричества, может помочь вам принять более правильные решения.

Расчет освещенности

Вы измеряете освещенность как количество света, падающего на поверхность в единицах фут-свечей или люкс . 1 люкс (единица СИ) равен примерно 0,0

0 фут-канделе. 1 люкс также равен 1 люмен / м 2 , в котором люмен является мерой светового потока , количества видимого света, излучаемого источником в единицу времени, и 1 люкс также равен.0001 фот (ph). Эти устройства позволяют использовать широкий диапазон шкал для определения освещенности для различных целей.

Вы можете рассчитать освещенность E , связанную со световым потоком «фи» Φ , используя

E = \ frac {\ Phi} {A}

над заданной площадью A . Это уравнение обозначает световой поток Φ , тот же символ для магнитного потока, и показывает сходство с уравнением для магнитного потока

\ Phi = BA

для площади поверхности, параллельной магниту A и напряженность магнитного поля B .Это означает, что освещенность параллельна магнитному полю в том смысле, как его рассчитывают ученые и инженеры, и вы можете преобразовать единицы освещенности (поток / м 2 ) непосредственно в ватты, используя интенсивность (в канделах).

\ Phi = I \ times \ Omega

для потока Φ , интенсивности I и углового диапазона «Ом» Ом для углового диапазона в стерадианах (ср) , или квадратный радиан, а полная сфера имеет угловой размах .Свет, рассчитанный по освещенности, падает на поверхность и распространяется, заставляя объект становиться ярким, поэтому освещенность можно использовать в качестве меры яркости.

Например: Освещенность поверхности составляет 6 люкс, а поверхность находится в 4 метрах от источника света. Какова интенсивность источника?

Поскольку свет распространяется по излучающей схеме, вы можете представить, что источник света — это центр сферы с радиусом, равным расстоянию между источником света и объектом.Это означает, что соответствующая площадь поверхности для использования — это площадь поверхности сферы, которая соответствует этому расположению.

Умножение площади поверхности сферы на радиус 4 как 4π4 2 м 2 на освещенность 6 люмен / м 2 дает 1206,37 люмен потока Φ . Свет распространяется прямо на поверхность, поэтому угловой размах Ом составляет кандел, а, используя Φ = I x Ом, интенсивность I составляет 15159.69 люмен / м 2 .

Расчет других значений

Кандела, используемая в угловом диапазоне, используется как измерение количества света, излучаемого источником света в диапазоне в трехмерном диапазоне. Как показано в примере, угловой диапазон измеряется через стерадиан по площади поверхности, на которую распространяется свет. Стерадиан полной сферы составляет кандел. Не перепутайте люкс и канделу.

В то время как кандела — это измерение углового диапазона, люкс, — это освещенность самой поверхности.В точках, более удаленных от источника света, уровень люкс ниже, поскольку до этой точки может попасть меньше света. Это важно в реальных приложениях и точных расчетах, которые должны учитывать точный источник света, который может быть, например, в вольфрамовой проволоке лампочки, а не в самой лампочке. Для небольших лампочек, таких как определенные светодиодные источники света, расстояние может быть более незначительным в зависимости от масштаба ваших расчетов.

Один стерадиан сферы радиусом в один метр охватывал бы поверхность размером 1 м 2 .Вы можете получить это, зная, что полная сфера покрывает кандел, поэтому для площади поверхности (из 4πr 2 с радиусом 1) стерадиан поверхность равна сфера покрывает 1 м 2 . Вы можете использовать эти преобразования, вычисляя реальные примеры лампочек и свечей, излучающих свет, используя площадь поверхности сферы для учета геометрии света. Затем их можно связать с яркостью.

В то время как освещенность измеряет свет, падающий на поверхность, яркость — это свет, излучаемый или отраженный этой поверхностью в канделах / м 2 или «нитах».Значения яркости L и люкс E связаны через идеальную поверхность, излучающую весь свет, уравнением E = L x π .

Использование таблицы измерения в люксах

Если вам может показаться сложным иметь столько разных способов измерения одних и тех же величин, онлайн-калькуляторы и диаграммы выполняют вычисления для преобразования между разными единицами, чтобы упростить задачу. RapidTables предлагает калькулятор люмен в ватт, который рассчитывает мощность для различных стандартов освещения.В таблице на веб-сайте показаны эти значения, поэтому вы можете увидеть, как они соотносятся друг с другом. Обратите внимание на единицы люмен и ватт при выполнении этих преобразований, которые также используют световую отдачу по «eta» η.

EngineeringToolBox также предлагает методы расчета освещенности и освещенности для эталонов лампочек и ламп наряду с таблицей измерения люкс. Освещение — это еще один метод расчета освещенности, в котором используются электрические эталоны лампы или источника света вместо экспериментальных измерений испускаемого света.Он задается уравнением для освещенности I как

I = \ frac {L_I \ timesC_u \ timesL_ {LF}} {A_I}

для яркости лампы L l (в люменах), коэффициент коэффициент использования C u , коэффициент световых потерь L LF и площадь лампы A l (в м 2 ).

Эффективность освещения

Согласно расчетам веб-сайта RapidTables, световая эффективность излучения — это обычный способ описания того, как лампочка или другой источник света хорошо использует свои энергетические ресурсы, но официальный метод определения эффективности света Источники — это световая эффективность источника, а не радиация.

Ученые и инженеры обычно выражают эффективность освещения в процентах с максимальным теоретическим значением эффективности освещения 683,002 лм / Вт, что соответствует длине волны света 555 нм. В качестве одного примера, типичный современный белый ватт, «освещенный», может достигать эффективности более 100 лм / Вт с эффективностью 15%, что на самом деле больше, чем у многих других типов источников света.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *