Фотометрия — это отрасль науки, которая занимается измерением света с точки зрения его воспринимаемой человеческим глазом яркости . [1] Он связан с количественной оценкой количества света, излучаемого, передаваемого или принимаемого объектом или системой.
В современной фотометрии мощность излучения на каждой длине волны взвешивается функцией яркости , которая моделирует чувствительность человека к яркости. Обычно этой весовой функцией является функция фотопической чувствительности, хотя скотопическая функция или другие функции также могут применяться таким же образом. Веса стандартизированы CIE и ISO . [2]
Фотометрия отличается от радиометрии , которая является наукой об измерении лучистой энергии (включая свет) в терминах абсолютной мощности.
Человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем длинам волн видимого света . Фотометрия пытается объяснить это, взвешивая измеренную мощность на каждой длине волны с коэффициентом, который показывает, насколько чувствителен глаз на этой длине волны. Стандартизированная модель реакции глаза на свет в зависимости от длины волны определяется функцией светимости. Глаз имеет разные реакции в зависимости от длины волны, когда он адаптирован к условиям освещения ( фотопическое зрение ) и темноты ( скотопическое зрение ). Фотометрия обычно основана на фотопической реакции глаза, поэтому фотометрические измерения могут неточно указывать воспринимаемую яркость источников в условиях слабого освещения, когда цвета не различимы, например, при лунном или звездном свете. [1] Фотопическое зрение характеризует реакцию глаза при уровнях яркости более трех кандел на квадратный метр. Скотопическое зрение возникает при яркости ниже 2 × 10 -5 кд/м 2 . Мезопическое зрение возникает между этими пределами и плохо характеризуется спектральным откликом. [2] [1]
Измерение воздействия электромагнитного излучения стало областью исследований еще в конце 18 века. Методы измерения различались в зависимости от изучаемых эффектов и привели к появлению различной номенклатуры. Общий нагревательный эффект инфракрасного излучения, измеренный термометрами, привел к разработке радиометрических единиц измерения общей энергии и мощности. Использование человеческого глаза в качестве детектора привело к созданию фотометрических единиц, взвешенных по характеристикам реакции глаза. Изучение химического действия ультрафиолетового излучения привело к его характеристике суммарной дозой или актинометрическими единицами, выражаемыми 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 (измеряется в люменах), или к источнику света, который концентрирует световой поток, который он имеет, в очень узкий луч (канделы), или к источнику света, который видно на темном фоне. Из-за того, как свет распространяется в трехмерном пространстве — распространяется, концентрируется, отражается от блестящих или матовых поверхностей, — а также из-за того, что свет состоит из множества различных длин волн, количество принципиально разных видов измерения света, которые можно провести, равно велики, как и числа величин и единиц, которые их представляют.
Например, офисы обычно «ярко» освещаются множеством встроенных люминесцентных ламп, обеспечивающих общий высокий световой поток. Лазерная указка имеет очень низкий световой поток (она не может осветить комнату), но ослепительно ярка в одном направлении (высокая сила 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. Некоторые примеры параллельных величин включают: [1]
В фотометрических величинах каждая длина волны взвешивается в зависимости от того, насколько чувствителен к ней человеческий глаз, тогда как в радиометрических величинах используется невзвешенная абсолютная мощность. Например, глаз гораздо сильнее реагирует на зеленый свет, чем на красный, поэтому зеленый источник будет иметь больший световой поток, чем красный источник с таким же лучистым потоком. Энергия излучения за пределами видимого спектра вообще не вносит вклад в фотометрические величины, поэтому, например, обогреватель мощностью 1000 Вт может излучать большой лучистый поток (фактически 1000 Вт), но в качестве источника света он излучает очень мало. люмены (поскольку большая часть энергии находится в инфракрасном диапазоне, оставляя лишь тусклое красное свечение в видимом диапазоне).
Ватты — это единицы лучистого потока, а люмены — единицы светового потока. Сравнение ватт и люменов 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 светоотдачи, а указывает, сколько энергии будет потреблять лампа. Поскольку все лампы накаливания , продаваемые для «общего обслуживания», имеют довольно схожие характеристики (одинаковое спектральное распределение мощности), потребляемая мощность дает приблизительное представление о светоотдаче ламп накаливания.
Ватты также могут быть прямым показателем выходной мощности. В радиометрическом смысле эффективность лампы накаливания составляет около 80 %: 20 % энергии теряется (например, за счет проводимости через цоколь лампы). Остальная часть излучается в виде излучения, в основном в инфракрасном диапазоне . Таким образом, лампочка мощностью 60 Вт излучает общий лучистый поток около 45 Вт. Лампы накаливания иногда используются в качестве источников тепла (например, в инкубаторе для цыплят), но обычно они используются для освещения. По существу, они очень неэффективны, поскольку большая часть излучаемой ими энергии является невидимой инфракрасной. Компактная люминесцентная лампа может обеспечить свет, сравнимый с лампой накаливания мощностью 60 Вт, потребляя при этом всего 15 Вт электроэнергии.
Люмен — это фотометрическая единица светоотдачи. Хотя большинство потребителей по-прежнему воспринимают свет как мощность, потребляемую лампочкой, в США в течение нескольких десятилетий существовало торговое требование, согласно которому на упаковке лампочек должна быть указана мощность в люменах. На упаковке лампы накаливания мощностью 60 Вт указано, что она обеспечивает около 900 люмен, как и на упаковке компактной люминесцентной лампы мощностью 15 Вт.
Люмен определяется как количество света, передаваемое в один стерадиан точечным источником силой в одну канделу; в то время как кандела, базовая единица СИ, определяется как сила света источника монохроматического излучения частотой 540 терагерц и силой излучения 1/683 Вт на стерадиан. (540 ТГц соответствует примерно 555 нанометрам , длине волны зеленого цвета, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен. Число 1/683 было выбрано, чтобы сделать канделу примерно равной стандартной свече, единице измерения, которую оно заменило).
Объединив эти определения, мы видим, что 1/683 Вт зеленого света с длиной волны 555 нанометров дает один люмен.
Соотношение между ваттами и люменами — это не просто коэффициент масштабирования. Мы уже это знаем, потому что лампа накаливания мощностью 60 Вт и компактная люминесцентная лампа мощностью 15 Вт могут обеспечивать световой поток по 900 люмен.
Определение говорит нам, что 1 ватт чистого зеленого света с длиной волны 555 нм «стоит» 683 люменов. О других длинах волн здесь ничего не говорится. Поскольку люмены являются фотометрическими единицами, их отношение к ваттам зависит от длины волны в зависимости от того, насколько видимой является длина волны. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, например, невидимы и не учитываются. Один ватт инфракрасного излучения (на него приходится большая часть излучения лампы накаливания) равен нулю люменов. В видимом спектре длины волн света взвешиваются в соответствии с функцией, называемой «фотопическая спектральная светоотдача». Согласно этой функции, красный свет с длиной волны 700 нм лишь примерно на 0,4% эффективнее зеленого света с длиной волны 555 нм. Таким образом, один ватт красного света с длиной волны 700 нм «стоит» всего 2,7 люмен.
Из-за суммирования визуальной части ЭМ-спектра, которое является частью этого взвешивания, единица «люмен» не различает цвета: невозможно определить, какого цвета будет люмен. Это эквивалентно оценке продуктов по количеству пакетов: нет информации о конкретном содержимом, есть только число, обозначающее общее взвешенное количество.
Фотометрические измерения основаны на фотодетекторах — устройствах (несколько типов), генерирующих электрический сигнал при воздействии света. Простые применения этой технологии включают включение и выключение светильников в зависимости от условий окружающего освещения, а также люксметры, используемые для измерения общего количества света, падающего на точку.
В светотехнической промышленности часто используются более сложные формы фотометрических измерений. 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 мощность лампы со всех сторон.
Лампы и осветительные приборы испытывают с помощью гониофотометров и фотометров с вращающимся зеркалом, которые удерживают фотоэлемент неподвижным на достаточном расстоянии, чтобы светильник можно было считать точечным источником. Фотометры с вращающимся зеркалом используют моторизованную систему зеркал для отражения света, исходящего от светильника во всех направлениях, к удаленному фотоэлементу; гониофотометры используют вращающийся двухосный стол для изменения ориентации светильника относительно фотоэлемента. В любом случае сила света рассчитывается на основе этих данных и используется при проектировании освещения.