Fotometrie (optika) - Photometry (optics)
![]() | tento článek potřebuje další citace pro ověření.Prosinec 2010) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) ( |

Fotometrie je věda o měření z světlo, pokud jde o jeho vnímáno jas pro lidské oko.[1] Je to odlišné od radiometrie, což je věda měření zářivá energie (včetně světla) z hlediska absolutní síly. V moderní fotometrii je radiační výkon na každé vlnové délce vážen pomocí a funkce svítivosti který modeluje citlivost lidského jasu. Tato funkce vážení je obvykle fotopické funkce citlivosti, i když skotopický Funkce nebo jiné funkce mohou být také použity stejným způsobem.
Fotometrie a oko
The lidské oko není stejně citlivý na všechny vlnové délky z viditelné světlo. Fotometrie se to snaží vysvětlit vážením naměřeného výkonu při každé vlnové délce s faktorem, který představuje citlivost oka při této vlnové délce. Standardizovaný model reakce oka na světlo jako funkce vlnové délky je dán funkcí svítivosti. Oko má různé reakce jako funkce vlnové délky, když je přizpůsobeno světelným podmínkám (fotopické vidění ) a temné podmínky (skotopické vidění ). Fotometrie je obvykle založena na fotopické odezvě oka, takže fotometrická měření nemusí přesně indikovat vnímanou jasnost zdrojů při slabém osvětlení, kde barvy nejsou rozeznatelné, například za pouhého měsíčního nebo hvězdného světla.[1] Fotopické vidění je charakteristické pro reakci oka při úrovních jasu přes tři kandely na metr čtvereční. Scotopické vidění se vyskytuje pod 2 × 10−5 cd / m2. Mezopické vidění dochází mezi těmito limity a není dobře charakterizován pro spektrální odezvu.[1]
Fotometrické veličiny
Měření účinků elektromagnetického záření se stalo studovaným oborem již na konci 18. století. Techniky měření se lišily v závislosti na studovaných účincích a vedly k odlišné nomenklatuře. Celkový topný účinek infračervený záření měřené teploměry vedlo k vývoji radiometrických jednotek z hlediska celkové energie a výkonu. Použití lidského oka jako detektoru vedlo k fotometrickým jednotkám váženým charakteristikou odezvy oka. Studium chemických účinků ultrafialový záření vedlo k charakterizaci celkovou dávkou nebo aktinometrickými jednotkami vyjádřenými ve fotonech za sekundu. [1]
Pro fotometrická měření se používá mnoho různých měrných jednotek. Lidé se někdy ptají, proč musí být tolik různých jednotek, nebo žádají o převody mezi jednotkami, které nelze převést (lumeny a kandel, například). Známe myšlenku, že adjektivum „heavy“ může označovat váhu nebo hustotu, což jsou zásadně odlišné věci. Podobně může adjektivum „jasný“ označovat světelný zdroj, který dodává vysoký světelný tok (měřeno v lumenech), nebo světelný zdroj, který koncentruje světelný tok, který má, do velmi úzkého paprsku (kandely), nebo na světlo zdroj, který je vidět na tmavém pozadí. Vzhledem k tomu, jak se světlo šíří trojrozměrným prostorem - šíří se, stává se koncentrovaným, odráží se od lesklých nebo matných povrchů - a protože světlo se skládá z mnoha různých vlnových délek, je počet zásadně různých druhů měření světla, které lze provést, velké, a tak jsou i počty veličin a jednotek, které je představují.
Například kanceláře jsou obvykle „jasně“ osvětleny řadou zapuštěných zářivek pro kombinovaný vysoký světelný tok. A laserové ukazovátko má velmi nízký světelný tok (nemohl osvětlit místnost), ale je oslepivě jasný v jednom směru (vysoká svítivost v tomto směru).
Množství | Jednotka | Dimenze | Poznámky | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
název | Symbol[poznámka 1] | název | Symbol | Symbol[pozn. 2] | ||||
Světelná energie | Qproti[pozn. 3] | lumen sekunda | lm.S | T J | Druhá lumen se někdy nazývá talbot. | |||
Světelný tok, světelná síla | Φproti[pozn. 3] | lumen (= kandela steradians ) | lm (= cd⋅sr) | J | Světelná energie za jednotku času | |||
Svítivost | Jáproti | kandela (= lumen na steradián) | CD (= lm / sr) | J | Světelný tok na jednotku plný úhel | |||
Svítivost | Lproti | kandela na metr čtvereční | cd / m2 (= lm / (sr⋅m2)) | L−2J | Světelný tok na jednotku plného úhlu na jednotku předpokládané zdrojová oblast. Kandela na metr čtvereční se někdy nazývá nit. | |||
Osvětlení | Eproti | lux (= lumen na metr čtvereční) | lx (= lm / m2) | L−2J | Světelný tok incident na povrchu | |||
Světelný východ, světelná zářivost | Mproti | lumen na metr čtvereční | lm / m2 | L−2J | Světelný tok emitované z povrchu | |||
Světelná expozice | Hproti | lux sekunda | lx⋅s | L−2T J | Časově integrovaná osvětlenost | |||
Hustota světelné energie | ωproti | lumen sekund na metr krychlový | lm⋅s / m3 | L−3T J | ||||
Světelná účinnost (záření) | K. | lumen na watt | lm /Ž | M−1L−2T3J | Poměr světelného toku k sálavý tok | |||
Světelná účinnost (zdroje) | η[pozn. 3] | lumen na watt | lm /Ž | M−1L−2T3J | Poměr světelného toku k spotřebě energie | |||
Světelná účinnost, světelný koeficient | PROTI | 1 | Světelná účinnost normalizovaná maximální možnou účinností | |||||
Viz také: SI · Fotometrie · Radiometrie · (Porovnat ) |
Fotometrické versus radiometrické veličiny
Existují dva paralelní systémy veličin známé jako fotometrické a radiometrické veličiny. Každé množství v jednom systému má analogické množství v druhém systému. Některé příklady paralelních veličin zahrnují:[1]
- Svítivost (fotometrické) a záře (radiometrické)
- Světelný tok (fotometrické) a sálavý tok (radiometrické)
- Svítivost (fotometrické) a intenzita záření (radiometrické)
Ve fotometrických veličinách je každá vlnová délka vážena podle toho, jak citlivé je na ni lidské oko, zatímco radiometrické veličiny používají nevážený absolutní výkon. Například oko reaguje mnohem silněji na zelené světlo než na červené, takže zelený zdroj bude mít větší světelný tok než červený zdroj se stejným sálavým tokem. Sálavá energie mimo viditelné spektrum vůbec nepřispívá k fotometrickým veličinám, například 1000 watt ohřívač prostoru může vydávat velké množství sálavého toku (ve skutečnosti 1 000 wattů), ale jako světelný zdroj vydává velmi málo lumenů (protože většina energie je v infračervené oblasti a ve viditelné oblasti zůstává pouze slabá červená záře ).
Množství | Jednotka | Dimenze | Poznámky | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
název | Symbol[pozn. 4] | název | Symbol | Symbol | ||||
Zářivá energie | QE[pozn. 5] | joule | J | M⋅L2⋅T−2 | Energie elektromagnetického záření. | |||
Hustota sálavé energie | wE | joule na metr krychlový | J / m3 | M⋅L−1⋅T−2 | Sálavá energie na jednotku objemu. | |||
Sálavý tok | ΦE[pozn. 5] | watt | Ž = J / s | M⋅L2⋅T−3 | Vyzařovaná, odražená, vysílaná nebo přijímaná sálavá energie za jednotku času. Tomu se někdy také říká „zářivý výkon“. | |||
Spektrální tok | Φe, ν[pozn. 6] | watt na hertz | W /Hz | M⋅L2⋅T−2 | Sálavý tok na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ta se běžně měří ve W⋅nm−1. | |||
Φe, λ[pozn. 7] | watt na metr | W / m | M⋅L⋅T−3 | |||||
Intenzita záření | Jáe, Ω[pozn. 8] | watt na steradský | W /sr | M⋅L2⋅T−3 | Vyzařovaný, odražený, vysílaný nebo přijímaný tok záření na jednotku plného úhlu. Tohle je směrový Množství. | |||
Spektrální intenzita | Jáe, Ω, ν[pozn. 6] | watt na steradián za hertz | W⋅sr−1⋅Hz−1 | M⋅L2⋅T−2 | Intenzita záření na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ta se běžně měří ve W⋅sr−1Mnm−1. Tohle je směrový Množství. | |||
Jáe, Ω, λ[pozn. 7] | watt na steradián na metr | W⋅sr−1.M−1 | M⋅L⋅T−3 | |||||
Záře | Le, Ω[pozn. 8] | watt na steradián na metr čtvereční | W⋅sr−1.M−2 | M⋅T−3 | Sálavý tok vyzařovaný, odrážený, vysílaný nebo přijímaný a povrch, na jednotku plného úhlu na jednotku projektované plochy. Tohle je směrový Množství. Toto se někdy také matoucí nazývá „intenzita“. | |||
Spektrální záření | Le, Ω, ν[pozn. 6] | watt na steradián na metr čtvereční na hertz | W⋅sr−1.M−2⋅Hz−1 | M⋅T−2 | Zář a povrch na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ta se běžně měří ve W⋅sr−1.M−2Mnm−1. Tohle je směrový Množství. Toto se někdy také matoucí nazývá „spektrální intenzita“. | |||
Le, Ω, λ[pozn. 7] | watt na steradián na metr čtvereční, na metr | W⋅sr−1.M−3 | M⋅L−1⋅T−3 | |||||
Ozáření Magneticka indukce | EE[pozn. 5] | watt na metr čtvereční | W / m2 | M⋅T−3 | Sálavý tok obdržel podle a povrch na jednotku plochy. Toto se někdy také matoucí nazývá „intenzita“. | |||
Spektrální ozáření Hustota spektrálního toku | Ee, ν[pozn. 6] | watt na metr čtvereční na hertz | W⋅m−2⋅Hz−1 | M⋅T−2 | Ozáření a povrch na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Toto se někdy také matoucí nazývá „spektrální intenzita“. Mezi ne-SI jednotky spektrální hustoty toku patří jansky (1 Jy = 10−26 W⋅m−2⋅Hz−1) a jednotka solárního toku (1 sfu = 10−22 W⋅m−2⋅Hz−1 = 104 Jy). | |||
Ee, λ[pozn. 7] | watt na metr čtvereční, na metr | W / m3 | M⋅L−1⋅T−3 | |||||
Radiosity | JE[pozn. 5] | watt na metr čtvereční | W / m2 | M⋅T−3 | Sálavý tok odcházející (emitované, odražené a přenášené) a povrch na jednotku plochy. Toto se někdy také matoucí nazývá „intenzita“. | |||
Spektrální radiosita | Je, ν[pozn. 6] | watt na metr čtvereční na hertz | W⋅m−2⋅Hz−1 | M⋅T−2 | Radiosity a povrch na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ta se běžně měří ve W⋅m−2Mnm−1. Toto se někdy také matoucí nazývá „spektrální intenzita“. | |||
Je, λ[pozn. 7] | watt na metr čtvereční, na metr | W / m3 | M⋅L−1⋅T−3 | |||||
Zářivý východ | ME[pozn. 5] | watt na metr čtvereční | W / m2 | M⋅T−3 | Sálavý tok emitované podle a povrch na jednotku plochy. Toto je emitovaná složka radiosity. „Sálavá emise“ je pro tuto veličinu starý termín. Toto se někdy také matoucí nazývá „intenzita“. | |||
Spektrální exitance | Me, ν[pozn. 6] | watt na metr čtvereční na hertz | W⋅m−2⋅Hz−1 | M⋅T−2 | Zářivý východ a povrch na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ta se běžně měří ve W⋅m−2Mnm−1. „Spektrální emise“ je pro tuto veličinu starý termín. Toto se někdy také matoucí nazývá „spektrální intenzita“. | |||
Me, λ[pozn. 7] | watt na metr čtvereční, na metr | W / m3 | M⋅L−1⋅T−3 | |||||
Radiační expozice | HE | joule na metr čtvereční | J / m2 | M⋅T−2 | Sálavá energie přijímaná a povrch na jednotku plochy nebo ekvivalentní ozáření a povrch integrovaný v průběhu doby ozařování. Toto se někdy také nazývá „zářivé záření“. | |||
Spektrální expozice | He, ν[pozn. 6] | joule na metr čtvereční na hertz | J⋅m−2⋅Hz−1 | M⋅T−1 | Radiační expozice a povrch na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ta se běžně měří v J⋅m−2Mnm−1. Toto se někdy také nazývá „spektrální fluence“. | |||
He, λ[pozn. 7] | joule na metr čtvereční, na metr | J / m3 | M⋅L−1⋅T−2 | |||||
Polokulovitá emisivita | ε | N / A | 1 | Zářivý východ a povrch, děleno a černé tělo při stejné teplotě jako ten povrch. | ||||
Spektrální hemisférická emisivita | εν nebo ελ | N / A | 1 | Spektrální exitance a povrch, děleno a černé tělo při stejné teplotě jako ten povrch. | ||||
Směrová emisivita | εΩ | N / A | 1 | Záře emitované podle a povrch, děleno tím, že vyzařuje a černé tělo při stejné teplotě jako ten povrch. | ||||
Spektrální směrová emisivita | εΩ, ν nebo εΩ, λ | N / A | 1 | Spektrální záření emitované podle a povrch, děleno a černé tělo při stejné teplotě jako ten povrch. | ||||
Polokulová absorbance | A | N / A | 1 | Sálavý tok vstřebává podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. To by nemělo být zaměňováno s „absorbance ". | ||||
Spektrální polokulová absorbance | Aν nebo Aλ | N / A | 1 | Spektrální tok vstřebává podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. To by nemělo být zaměňováno s „spektrální absorbance ". | ||||
Směrová absorbance | AΩ | N / A | 1 | Záře vstřebává podle a povrch, děleno zářením dopadajícím na tento povrch. To by nemělo být zaměňováno s „absorbance ". | ||||
Spektrální směrová absorbance | AΩ, ν nebo AΩ, λ | N / A | 1 | Spektrální záření vstřebává podle a povrch, děleno spektrálním zářením dopadajícím na tento povrch. To by nemělo být zaměňováno s „spektrální absorbance ". | ||||
Polokulová odrazivost | R | N / A | 1 | Sálavý tok odráží podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Spektrální polokulová odrazivost | Rν nebo Rλ | N / A | 1 | Spektrální tok odráží podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Směrová odrazivost | RΩ | N / A | 1 | Záře odráží podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Spektrální směrová odrazivost | RΩ, ν nebo RΩ, λ | N / A | 1 | Spektrální záření odráží podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Polokulovitá propustnost | T | N / A | 1 | Sálavý tok přenášeno podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Spektrální hemisférická propustnost | Tν nebo Tλ | N / A | 1 | Spektrální tok přenášeno podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Směrová propustnost | TΩ | N / A | 1 | Záře přenášeno podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Spektrální směrová propustnost | TΩ, ν nebo TΩ, λ | N / A | 1 | Spektrální záření přenášeno podle a povrch, děleno tím, co obdržel tento povrch. | ||||
Polokulovitý útlumový koeficient | μ | reciproční metr | m−1 | L−1 | Sálavý tok vstřebává a rozptýlené podle a objem na jednotku délky děleno počtem přijatým tímto objemem. | |||
Spektrální polokulovitý útlumový koeficient | μν nebo μλ | reciproční metr | m−1 | L−1 | Spektrální zářivý tok vstřebává a rozptýlené podle a objem na jednotku délky děleno počtem přijatým tímto objemem. | |||
Koeficient útlumu směru | μΩ | reciproční metr | m−1 | L−1 | Záře vstřebává a rozptýlené podle a objem na jednotku délky děleno počtem přijatým tímto objemem. | |||
Spektrální směrový koeficient útlumu | μΩ, ν nebo μΩ, λ | reciproční metr | m−1 | L−1 | Spektrální záření vstřebává a rozptýlené podle a objem na jednotku délky děleno počtem přijatým tímto objemem. | |||
Viz také: SI · Radiometrie · Fotometrie · (Porovnat ) |
Watty versus lumeny
Watty jsou jednotky sálavého toku, zatímco lumeny jsou jednotky světelného toku. Porovnání wattu a lumenu ilustruje rozdíl mezi radiometrickými a fotometrickými jednotkami.
Watt je jednotka výkonu. Jsme zvyklí myslet na žárovky z hlediska výkonu ve wattech. Tato síla není měřítkem množství světelného výkonu, ale spíše ukazuje, kolik energie žárovka použije. Protože žárovky prodávané za „obecnou službu“ mají všechny docela podobné vlastnosti (stejné spektrální rozdělení energie), spotřeba energie poskytuje hrubý vodítko pro světelný výkon žárovek.
Watty mohou být také přímým měřítkem výkonu. V radiometrickém smyslu má žárovka účinnost přibližně 80%: ztrácí se 20% energie (např. Vedením skrz základnu lampy). Zbytek je emitován jako záření, většinou v infračervený. 60 wattová žárovka tedy vyzařuje celkový sálavý tok asi 45 wattů. Žárovky se ve skutečnosti někdy používají jako zdroje tepla (jako v inkubátoru kuřat), ale obvykle se používají za účelem osvětlení. Jako takové jsou velmi neefektivní, protože většina vyzařované energie, kterou vydávají, je neviditelná infračervená. A kompaktní zářivka může poskytovat světlo srovnatelné s 60 wattovým žárovkou a přitom spotřebovat pouhých 15 wattů elektřiny.
Lumen je fotometrická jednotka světelného výkonu. Ačkoli většina spotřebitelů stále myslí na světlo, pokud jde o energii spotřebovanou žárovkou, v USA je již několik desetiletí obchodním požadavkem, aby obaly žárovek poskytovaly výkon v lumenech. Balení 60 wattové žárovky naznačuje, že poskytuje přibližně 900 lumenů, stejně jako balení 15 wattové kompaktní zářivky.
Lumen je definován jako množství světla vydaného do jednoho steradský podle a bodový zdroj jedné síly svíčky; zatímco kandela, základní jednotka SI, je definována jako světelná intenzita zdroje monochromatického záření, frekvence 540 terahertzů a intenzita záření 1/683 wattu na steradián. (540 THz odpovídá asi 555 nanometry, vlnová délka, zeleně, na kterou je lidské oko nejcitlivější. Bylo zvoleno číslo 1/683, aby svíčka byla přibližně stejná jako standardní svíčka, jednotka, kterou nahradila).
Při kombinaci těchto definic vidíme, že 1/683 wattů 555 nanometrového zeleného světla poskytuje jeden lumen.
Vztah mezi watty a lumeny není jen jednoduchým měřítkem. Víme to již proto, že 60 wattová žárovka a 15 wattová kompaktní zářivka mohou poskytnout 900 lumenů.
Definice nám říká, že 1 watt čistě zeleného 555 nm světla má „hodnotu“ 683 lumenů. Neříká nic o jiných vlnových délkách. Protože lumeny jsou fotometrické jednotky, jejich vztah k wattům závisí na vlnové délce podle toho, jak je vlnová délka viditelná. Například infračervené a ultrafialové záření jsou neviditelné a nepočítají se. Jeden watt infračerveného záření (což je místo, kde padá většina záření ze žárovky) má hodnotu nula lumenů. Ve viditelném spektru jsou vlnové délky světla váženy podle funkce zvané „fotopická spektrální světelná účinnost“. Podle této funkce je 700 nm červené světlo jen asi 0,4% stejně účinné jako 555 nm zelené světlo. Jeden watt 700 nm červeného světla má tedy „hodnotu“ pouze 2,7 lumenů.
Kvůli součtu přes vizuální část EM spektra, která je součástí tohoto vážení, je jednotka „lumenu“ barevně slepá: neexistuje způsob, jak určit, jakou barvu lumen objeví. To odpovídá vyhodnocení potravin podle počtu pytlů: neexistují žádné informace o konkrétním obsahu, pouze číslo, které odkazuje na celkové vážené množství.
Techniky fotometrického měření
Fotometrické měření je založeno na fotodetektory, zařízení (několika typů), která při vystavení světlu produkují elektrický signál. Mezi jednoduché aplikace této technologie patří zapínání a vypínání svítidel na základě podmínek okolního světla a měřiče světla, které se používají k měření celkového množství světla dopadajícího na bod.
V osvětlovacím průmyslu se často používají složitější formy fotometrického měření. Sférické fotometry lze použít k měření směrového světelného toku produkovaného lampami a skládá se z koule o velkém průměru s lampou namontovanou uprostřed. A fotobuňka otáčí se kolem lampy ve třech osách a měří výkon lampy ze všech stran.
Svítidla a osvětlovací tělesa se testují pomocí goniofotometry a rotující zrcadlové fotometry, které udržují fotobuňku v klidu v dostatečné vzdálenosti, aby bylo možné svítidlo považovat za bodový zdroj. Rotační zrcadlové fotometry používají motorizovaný systém zrcadel k odrážení světla vyzařovaného ze svítidla ve všech směrech do vzdálené fotobuňky; goniofotometry používají otočný dvouosý stůl ke změně orientace svítidla vzhledem k fotobuňce. V obou případech je z těchto údajů uvedena světelná intenzita a použita v světelném designu.
Non-SI fotometrické jednotky
Svítivost
Osvětlení
Viz také
Poznámky
- ^ Organizace pro normalizaci doporučujeme označit fotometrické veličiny dolním indexem „v“ (pro „vizuální“), aby nedošlo k záměně s radiometrickými nebo foton množství. Například: USA standardní symboly písmen pro osvětlovací techniku USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
- ^ Symboly v tomto sloupci označují rozměry; "L", "T" a "J"jsou pro délku, čas a intenzitu světla, nikoli symboly pro Jednotky litr, tesla a joule.
- ^ A b C Někdy se vyskytují alternativní symboly: Ž pro světelnou energii, P nebo F pro světelný tok a ρ pro světelnou účinnost zdroje.
- ^ Organizace pro normalizaci doporučuji radiometrické množství by měl být označen příponou "e" (pro "energický"), aby nedošlo k záměně s fotometrickými nebo foton množství.
- ^ A b C d E Někdy se vyskytují alternativní symboly: Ž nebo E pro sálavou energii, P nebo F pro sálavý tok, Já pro ozáření Ž pro zářivý výstup.
- ^ A b C d E F G Spektrální množství udávané na jednotku frekvence jsou označeny příponou "ν „(Řecky) - nelze zaměňovat s příponou„ v “(pro„ vizuální “) označující fotometrickou veličinu.
- ^ A b C d E F G Spektrální množství udávané na jednotku vlnová délka jsou označeny příponou "λ " (Řecký).
- ^ A b Směrové veličiny jsou označeny příponou "Ω " (Řecký).
Reference
externí odkazy
- Fotometrie (nist.gov) (archivováno)
- Radiometrie a fotometrie - časté dotazy Stránka s radiometrií profesora Jima Palmera (University of Arizona) (archivováno)
- Vizualizace a výpočet fotometrických veličin - Java spustitelný JAR