Фотометрия — это раздел оптики , который занимается измерением света с точки зрения его воспринимаемой человеческим глазом яркости . [1] Она занимается количественной оценкой количества света , излучаемого, передаваемого или принимаемого объектом или системой.
В современной фотометрии мощность излучения на каждой длине волны взвешивается функцией светимости , которая моделирует чувствительность человека к яркости. Обычно эта весовая функция является функцией фотопической чувствительности, хотя скотопическая функция или другие функции также могут применяться таким же образом. Весовые коэффициенты стандартизированы CIE и ISO . [2]
Фотометрия отличается от радиометрии , которая представляет собой науку об измерении лучистой энергии (включая свет) в терминах абсолютной мощности.
Человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем длинам волн видимого света . Фотометрия пытается учесть это, взвешивая измеренную мощность на каждой длине волны с коэффициентом, который представляет, насколько чувствителен глаз на этой длине волны. Стандартизированная модель реакции глаза на свет как функции длины волны задается функцией светимости. Глаз имеет разные реакции как функции длины волны, когда он адаптирован к условиям освещенности ( фотопическое зрение ) и темным условиям ( скотопическое зрение ). Фотометрия обычно основана на фотопической реакции глаза, и поэтому фотометрические измерения могут неточно указывать воспринимаемую яркость источников в условиях тусклого освещения, когда цвета не различимы, например, при лунном или звездном свете. [1] Фотопическое зрение характерно для реакции глаза при уровнях яркости более трех кандел на квадратный метр. Скотопическое зрение происходит ниже 2 × 10−5 кд /м2 . Мезопическое зрение происходит между этими пределами и не очень хорошо охарактеризовано для спектральной реакции. [2] [1]
Измерение эффектов электромагнитного излучения стало областью изучения еще в конце 18 века. Методы измерения различались в зависимости от изучаемых эффектов и привели к появлению различной номенклатуры. Общий тепловой эффект инфракрасного излучения, измеренный термометрами, привел к разработке радиометрических единиц в терминах общей энергии и мощности. Использование человеческого глаза в качестве детектора привело к фотометрическим единицам, взвешенным по характеристике реакции глаза. Изучение химических эффектов ультрафиолетового излучения привело к характеристике общей дозы или актинометрическим единицам, выраженным в фотонах в секунду. [1]
Для фотометрических измерений используется множество различных единиц измерения. Прилагательное «яркий» может относиться к источнику света, который обеспечивает высокий световой поток (измеряемый в люменах), или к источнику света, который концентрирует свой световой поток в очень узкий луч (канделы), или к источнику света, который виден на темном фоне. Из-за способов, которыми свет распространяется в трехмерном пространстве — распространяясь, концентрируясь, отражаясь от блестящих или матовых поверхностей — и из-за того, что свет состоит из множества различных длин волн, число принципиально различных видов измерения света, которые могут быть выполнены, велико, как и число величин и единиц, которые их представляют.
Например, офисы обычно «ярко» освещены массивом из множества утопленных флуоресцентных ламп для комбинированного высокого светового потока. Лазерная указка имеет очень низкий световой поток (она не может осветить комнату), но ослепительно яркая в одном направлении (высокая интенсивность света в этом направлении).
Существуют две параллельные системы величин, известные как фотометрические и радиометрические величины. Каждая величина в одной системе имеет аналогичную величину в другой системе. Вот некоторые примеры параллельных величин: [1]
В фотометрических величинах каждая длина волны взвешивается в соответствии с тем, насколько чувствителен к ней человеческий глаз, в то время как радиометрические величины используют невзвешенную абсолютную мощность. Например, глаз реагирует гораздо сильнее на зеленый свет, чем на красный, поэтому зеленый источник будет иметь больший световой поток, чем красный источник с тем же потоком излучения. Лучистая энергия за пределами видимого спектра вообще не вносит вклад в фотометрические величины, поэтому, например, обогреватель мощностью 1000 Вт может излучать большой поток излучения (фактически 1000 Вт), но как источник света он излучает очень мало люменов (потому что большая часть энергии находится в инфракрасном диапазоне, оставляя только тусклое красное свечение в видимом диапазоне).
Ватты — это единицы лучистого потока, а люмены — единицы светового потока. Сравнение ватта и люмена иллюстрирует различие между радиометрическими и фотометрическими единицами.
Ватт — это единица мощности. Мы привыкли думать о лампочках с точки зрения мощности в ваттах. Эта мощность не является мерой количества светового потока, а скорее указывает, сколько энергии будет потреблять лампочка. Поскольку все лампы накаливания , продаваемые для «общего обслуживания», имеют довольно схожие характеристики (одинаковое спектральное распределение мощности), потребляемая мощность дает приблизительное представление о световом потоке ламп накаливания.
Ватты также могут быть прямой мерой выходной мощности. В радиометрическом смысле, лампа накаливания имеет около 80% эффективности: 20% энергии теряется (например, за счет проводимости через цоколь лампы). Остальная часть испускается в виде излучения, в основном в инфракрасном диапазоне . Таким образом, 60-ваттная лампочка испускает общий лучистый поток около 45 Вт. Лампы накаливания, по сути, иногда используются в качестве источников тепла (например, в инкубаторе для цыплят), но обычно они используются для обеспечения света. Как таковые, они очень неэффективны, потому что большая часть лучистой энергии, которую они испускают, находится в невидимом инфракрасном диапазоне. Компактная люминесцентная лампа может обеспечить свет, сравнимый с 60-ваттной лампой накаливания, потребляя при этом всего 15 Вт электроэнергии.
Люмен — это фотометрическая единица светового потока. Хотя большинство потребителей по-прежнему думают о свете с точки зрения мощности, потребляемой лампочкой, в США на протяжении нескольких десятилетий существует торговое требование, чтобы на упаковке лампочки световой поток указывался в люменах. На упаковке 60-ваттной лампы накаливания указано, что она обеспечивает около 900 люменов, как и на упаковке 15-ваттной компактной люминесцентной лампы.
Люмен определяется как количество света, отдаваемое в один стерадиан точечным источником силой в одну канделу; в то время как кандела, основная единица СИ, определяется как сила света источника монохроматического излучения с частотой 540 терагерц и интенсивностью излучения 1/683 ватта на стерадиан. (540 ТГц соответствует примерно 555 нанометрам , длине волны в зеленом диапазоне, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен. Число 1/683 было выбрано для того, чтобы сделать канделу примерно равной стандартной свече, единице, которую она заменила).
Объединяя эти определения, мы видим, что 1/683 Вт зеленого света с длиной волны 555 нанометров обеспечивает один люмен.
Соотношение между ваттами и люменами — это не просто коэффициент масштабирования. Мы уже это знаем, поскольку 60-ваттная лампа накаливания и 15-ваттная компактная люминесцентная лампа могут обеспечить 900 люменов.
Определение говорит нам, что 1 ватт чистого зеленого света 555 нм «стоит» 683 люменов. Оно ничего не говорит о других длинах волн. Поскольку люмены являются фотометрическими единицами, их отношение к ваттам зависит от длины волны в соответствии с тем, насколько видима длина волны. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, например, невидимы и не учитываются. Один ватт инфракрасного излучения (на которое приходится большая часть излучения лампы накаливания) стоит ноль люменов. В пределах видимого спектра длины волн света взвешиваются в соответствии с функцией, называемой «фотопической спектральной световой эффективностью». Согласно этой функции, красный свет 700 нм всего на 0,4% так же эффективен, как зеленый свет 555 нм. Таким образом, один ватт красного света 700 нм «стоит» всего 2,7 люменов.
Из-за суммирования по визуальной части спектра ЭМ, которая является частью этого взвешивания, единица «люмен» не различает цвета: нет способа сказать, какого цвета будет люмен. Это эквивалентно оценке продуктов по количеству пакетов: нет никакой информации о конкретном содержимом, только число, которое относится к общему взвешенному количеству.
Фотометрическое измерение основано на фотодетекторах , устройствах (нескольких типов), которые вырабатывают электрический сигнал при воздействии света. Простые приложения этой технологии включают включение и выключение светильников в зависимости от условий окружающего освещения и экспонометры, используемые для измерения общего количества света, падающего на точку.
Более сложные формы фотометрических измерений часто используются в светотехнической промышленности. Сферические фотометры могут использоваться для измерения направленного светового потока, создаваемого лампами, и состоят из шара большого диаметра с лампой, установленной в его центре. Фотоэлемент вращается вокруг лампы по трем осям, измеряя выход лампы со всех сторон.
Лампы и осветительные приборы тестируются с помощью гониофотометров и вращающихся зеркальных фотометров, которые удерживают фотоэлемент неподвижно на достаточном расстоянии, чтобы светильник можно было считать точечным источником. Вращающиеся зеркальные фотометры используют моторизованную систему зеркал для отражения света, исходящего от светильника во всех направлениях к удаленному фотоэлементу; гониофотометры используют вращающийся 2-осевой стол для изменения ориентации светильника относительно фотоэлемента. В любом случае интенсивность света табулируется из этих данных и используется в проектировании освещения.