A fotometriai a művészet mérése a sugárzás a fény , mint érzékelt az emberi szem , és tágabb értelemben a mennyiségi tanulmányozását átviteléhez sugárzás.
Radiometrián alapul , amely az elektromágneses sugárzás erejét vizsgálja, amelynek fénye különleges eset, azáltal, hogy az egyes hullámhosszak teljesítményét egy spektrális fényhatékonysági együtthatóval befolyásolja, amely statisztikailag tükrözi az emberi fényérzést. A többit illetően a fotometria fogalma és mennyisége homológ a radiometriával.
A fotometriai mennyiségek mérésére szolgáló eszközöket leggyakrabban optikai szűrőkkel látják el, amelyek elvégzik ezt a súlyozást. A hullámhosszak ahol fotometriai érdekelt megfelelnek, sőt, a frekvenciák nagymértékben meghaladta a lehetőségeket közvetlen elektronikus feldolgozása , kizárva minden mérés más, mint az átlagos teljesítmény és a spektrális elemzés , amely hajtjuk végre. A prizmák vagy diffrakciós rácsok csak kellően erős fényárammal kell használni minden sávhoz, hogy elegendő energiát kapjon az érzékelők érzékenységéhez.
A fotometria fő alkalmazási területe a világítás . Jegyeinek általánosan használt építészet , fotózás , audiovizuális , stb Az optikai műszerek gyártása szempontjából meghatározó .
Úgy tűnik, Christian Huygens volt az első, aki érdeklődött a tárgyak fényességének mérésében, összehasonlítva a Szíriusz fényét a Nap fényével, felavatva a csillagok fotometriáját , amely a radiometriában fejlődik ki. Így feltette a fénysugárzás mérésének kérdését .
A geometriai optika megépítette a fénysugarak útját. Lehetővé teszi optikai műszerek , mérőkörök , csillagászati üvegek , mikroszkópok és mások gyártását . A kialakuló fény útja, felmerül a kérdés a kapott képek fényerejével. Ez az alkalmazás, az alapja a fejlesztés fotometriai a XVIII th század munkáját Lambert , aki bevezette a kifejezés 1758, továbbra is az egyik legfontosabb.
A kamera felépítéséhez nem csak tiszta képet kell kialakítani az érzékeny felületen, hanem azt is, hogy megfelelő mennyiségű fényenergiát kapjon. Az érzékeny felületek az emberi látáshoz hasonlóan nem alkalmazkodnak a tárgyak fényességéhez, ezt a kérdést szigorúan meg kell oldani. A fotometria lehetővé teszi az optikai rendszer által továbbított fény mennyiségének, a közeg abszorpciós , diszperziós és fénytörési jellemzőinek , valamint a membrán által a fénysugarakra gyakorolt méretek ismeretében történő kiszámítását .
A haladás, a világítás a XIX th század elején egy új kutatási területe: ez hatékonyságának összehasonlítására különböző eszközök világítás, és milyen módon kell elérni egy meghatározott megvilágítás.
A fotometria célja a fénysugárzás fizikai mérésének megszerzése, amely megfelel a felület fényességének vagy tisztaságának emberi érzésének.
A XVII . Századtól mérés nélkül a fotometria megalapozza a fényforrások összehasonlításával. A megfigyelő két felületet mutat be, amelyeket két forrás világít meg, és meg kell keresni a szükséges beállítást, hogy azok egyformán világítónak tűnjenek. Ezután rájövünk, hogy a tisztaság észlelése az érintett látómezőtől függően változik - a tanulmányok ezt követően a 2 ° és a 10 ° szögekre összpontosítottak.
Amikor a XIX . Század végétől megmérjük a sugárzás által hordozott energia mennyiségét, rájövünk, hogy a legtöbb esetben ennek az energiának a legnagyobb része nem okoz fényérzetet.
Könnyen megtalálhatjuk a látható fény hullámhossz- határait . A látható monokromatikus fények megfelelnek a fehér fény színeinek , amelyeket a prizma bont, kb. 400 nanométertől a kékig és kb. 700 nanométerig a vörösnél. Ezeket a fényeket főleg színesnek tekintik, és különböző fényerőkkel, azonos teljesítmény mellett. A megfigyelők nem tudják a bizonyossággal és a szabályossággal megegyezni két nagyon különböző színforrás fényerejével. Lépésről lépésre haladunk, és létrehozunk egy relatív hatékonysági görbét, amely jelzi a két azonos intenzitású monokromatikus fény közötti fényerő arányt.
A fényben való látást , ha van elegendő fény, a három kúp a retina lehetővé színérzékelést. A kúpok nem elég érzékenyek a látás biztosítására minden körülmények között. Sötétben a szem egy másik sejtje, a rudak lehetővé teszik a szkopotóp látást , színérzékelés nélkül. A színkülönbség akadálya nélkül könnyebb volt meghatározni a relatív hatékonysági görbéket. Ezek jelentősen eltérnek a színes látáshoz létrehozott görbéktől. Purkinje már 1825- ben észrevette, hogy az éjjellátásban a legfényesebbnek tűnő sugárzás nem azonos a nappali látással.
Két tartomány létezése "a vizuális fotometria botránya" . Hogyan állapítható meg az energiaegységek és az észlelés közötti megfelelés, ha a fény mennyiségének megfelelően a fényt alkotó hullámhosszak nem azonos súlyúak?
Példa - fényerő-különbség fotopikus és szkotóp között:Az 510 és 610 nanométeres hullámhosszú monokromatikus fények fényhatásfoka fotopikus látásban egyenlő. Ugyanolyan fizikai erővel azonos fényű fényként jelennek meg, az egyik zöld, a másik piros-narancssárga.
A szkotóp látás során nem észlelünk semmilyen színbeli különbséget, és a fényességek kiegyenlítéséhez meg kell szoroznunk a 610 nanométeres fény erejét 6,3-mal.
510 610 510 610Fotopikus és scotopikus látás
Az emberi szem maximális érzékenységét 555 nanométeres, éjjellátó 507 nanométeres hullámhosszon érik el.
Ezért két fotometrikus tartomány létezik, amelyek megfelelnek a különböző típusú látásnak, és amelyeket egy nagy köztes zóna választ el egymástól. Világos körülmények között, például világos nappal, a botoknak nincs hatása. Sötétben a kúpok nem érzékelnek semmit, és mi sem érzékelünk semmilyen színt. E két domén között található az alkonyi látásnak megfelelő mezopikus domén . Ezen a területen a kúpok és a rudak együttműködnek: a zúzódásokkal szembeni maximális érzékenység progresszív elmozdulását Purkinje-effektusnak nevezzük .
A radiometriai egység és a fotometriai egység közötti megfelelés eltérõen állapítható meg attól függõen, hogy milyen fénysugár tartományban található.
A spektrális fényhatásfüggvények mind nulla értéket feltételeznek 360 nanométer alatti és 830 nanométer feletti hosszúságoknál. Ezen a tartományon kívül az összes fotometriai mennyiség nulla, a sugárzás láthatatlan.
A fotometria és a radiometria a sugárzást, mint az űrben történő erőátadást vizsgálja, hullámokban terjed minden irányban. Az átvitel fogalma azt jelenti, hogy a teljes teljesítmény ugyanaz marad, kivéve, ha annak egy részét elnyelik vagy diffundálják. Mivel, kivéve az optikai szálban vagy a hullámvezetőben történő átvitel esetét, a hullám útja nem áll fenn, a teljesítmény kúpban oszlik el, amelynek alapja a forrástól való távolság négyzetével arányos területtel rendelkezik . Ez a geometriai csillapításnak nevezett jelenség a radiometrikus és fotometrikus egységek felépítésének alapja.
A fotometriában használt mennyiségek egyszerű bemutatásához egy felületet megvilágító fényforrást fogunk tanulmányozni.
Az elsődleges fényforrás az a test, amely az energia egy másik formájának átalakításával termel fényt .
A nap jó példa: a magfúzió által felszabadított energia izzó hatására fényt termel . Ez minden mesterséges fényforrás esetében is érvényes .
A másodlagos fényforrás olyan fényforrás, amely visszaveri a kapott fény egy részét.
A hold , a kék ég , egy lakás mennyezete visszatükrözi ránk a kapott napsugárzás egy részét. Ugyanez vonatkozik a legtöbb mindennapi tárgyra.
A fényforrás pontnak vagy kiterjesztettnek tekinthető .
A forrást akkor tekintjük pontnak, ha legnagyobb dimenziója kicsi ahhoz a távolsághoz képest, amely elválasztja a megfigyelőtől.
Ellenkező esetben a forrást kiterjesztik , felületként érzékelik.
A forrás nem feltétlenül azonos erővel bocsát ki minden irányban.
Ha egy gömb minden pontján, amely egy pontforrás köré összpontosul, ugyanaz a megvilágítás figyelhető meg, akkor azt mondják, hogy a forrás egyenletes vagy izotróp .
Ellenkező esetben meg kell jellemezni a forrás emisszióját mindkét irányban. Ehhez egy kellően kis folytonos szöget határoznak meg . A radiometriában a szilárd szöggel elosztott energiamennyiség, amelyet a fotometriában a spektrális fényhatékonysági együtthatókkal súlyozunk, megadja a forrás sugárzását.
Pontforrás indikátrixának meghatározása:Ha egy olyan területen, távol d a forrás, a területen s , van egy PFD a E e (a watt per négyzetméter), az energia a fényforrás intenzitását úgy számítjuk ki, hogy elosztjuk az összes kapott teljesítmény a területen s , a az a szilárd szög, amelyet ez a terület elfog, vagyis ennek a területnek a hányadosa a d távolság négyzetével .
Ha egyenletes E v megvilágítást mértünk ( luxban ), akkor a forrás intenzitását azonos módon állapítjuk meg:
Az energetikai vagy a fényerősség nem függ a megfigyelési távolságtól, ha a közeg nem elnyeli és nem diffundálja a fénysugarat. Ha elmozdulunk, a hatalom a távolság négyzetével arányos területen oszlik el, és a pfd vagy a megvilágítás ugyanolyan arányban csökken.
A kandelákban kifejezett fényerősség jellemzi egy pontforrás "fényerejét" vagy "fényvillanását" a megfigyelés irányában. Ennek az egységnek a meghatározása előtt, amelynek neve latinul „gyertyát”, „gyertyát” jelent, a fényintenzitást gyertyákban mérték meg , vizuális összehasonlítással egy szokásos gyertyával, majd helyettesítették azzal egyenértékű elektromos izzólámpával.
Ha a forrást meghosszabbítják, a kandelákban négyzetméterenként kifejezett fénysűrűség jellemzi "fényerejét": információt szolgáltat e forrás négyzetméterének intenzitásáról, ha azt elegendő távolságból figyelték meg ahhoz, hogy pontként érzékelhessék. A fényes felületek fényereje a megfigyelés irányától függ. Diffundáló, matt felületeknél a fényerő a féltér minden irányában megegyezik, azt mondjuk, hogy ortotrop fényforrással van dolgunk .
A kibocsátott energia átadása sugárzás útján történik . Ennek a sugárzásnak nem minden frekvenciája látható az emberi szem számára. A sugárzás "látható erejét" fényáramnak nevezzük, és lumenben fejezzük ki . Vizsgálhatjuk a forrás által kibocsátott fényáramot minden irányban, vagy csak azt a részt, amely eléri a befogadó felületet stb. Ha a forrást meghosszabbítjuk, akkor meghatározzuk a forrás emittálását , lumenben kifejezve a kibocsátó felület négyzetméterére. Egy orthotropic fényforrás , van egy egyszerű kapcsolatát fényesség és emisszióképesség által kifejezett Lambert-törvény .
A sugárzás látható részének "arányát" a teljes sugárzás mennyiségéhez fényhatásfoknak nevezzük, és lumenben / wattban fejezzük ki .
A modern mesterséges források esetében ez egy elektromos erő, amely az izzás és / vagy a lumineszcencia eredetét jelenti . Egy ilyen forrás jövedelmezőségét, figyelembe véve a fogyasztását, a forrás fényhatékonysága jellemzi lumen / wattban ( lm W −1 ).
Ha a fényáram egy része eléri a felület egy pontját, akkor azt mondják, hogy a felület megvilágított. A bíró ezt megvilágítás, mi határozza meg a mennyiséget nevezzük fényes megvilágítás , kifejezve lux .
Ez a világító megvilágítás nem ad semmilyen jelet a felület által kibocsátott fénymennyiségről, amely viszont forrássá válik (ezután meghatározhatjuk annak kibocsátását ). Ez utóbbi a felület jellegétől és állapotától, de a színétől is függ. A fotometriában a szín fogalmát nem közelítik meg, ez a kolorimetria területe . Az újbóli kibocsátott fény mennyisége azonban a beeső fény hullámhosszától függ, és ennek tükrében reflektancia görbeként ábrázolt spektrális reflexiót határozunk meg.
Fluoreszcencia , lumineszcencia vagy foszforeszcencia jelenség hiányában az egyes pontokban újból kibocsátott fényáram kisebb, mint a beeső fényáram, ami azt eredményezi, hogy a felület egy pontján az emittanciát egy számmal alacsonyabb fejezi ki. mint a fényvilágítását kifejező szám. Az emittancia és a megvilágítás ugyanazok a dimenziók, megkülönböztetésükhöz a négyzetméterenkénti lumen ( lm m −2 ) és a lux (lx) értékeket alkalmazzuk .
Bizonyos területeken, például a fényképezésnél, figyelembe kell venni azt az időt, amely alatt a fényérzékeny felület megvilágul. A fény expozíciója (korábban fényerőnek hívták) megegyezik a megvilágítás és az expozíciós idő szorzatával, és lux-másodpercben ( lx s ) fejezi ki .
1948- ig nem volt egységes mértéke a fényintenzitásnak, az egyes országok különböző szabványokat alkalmaztak (láng, izzólámpa).
1948-ban, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal jóváhagyta a bevezetése a Candela a Nemzetközi Mértékegység Rendszer , definíció szerint a fény intenzitása „a hatvanad egy négyzetcentiméter fekete test a fagyáspontot platina (körülbelül 1771,85 ° C ) ” .
A meghatározás kísérleti egyszerűsítése érdekében a BIPM 1979-ben elfogadta a jelenlegi meghatározást:
„A kandela annak a fénynek a fényerőssége adott irányban, amely 540 × 10 12 hertz frekvenciájú monokromatikus sugárzást bocsát ki, és amelynek energiaintenzitása ebben az irányban 1/683 watt per szteradián. "
- 16 -én Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia 1979
Az így definiált fényhatásfok 683 lm W −1 = 683 cd sr W −1 .
A kandela a Nemzetközi Rendszer hét alapegységének egyike . A lux ( megvilágítás ) és a lumen ( fénykibocsátás ) SI egységek, amelyek a kandelából származnak . Az apostilb ( fényerő , Németország) és a blondel (világosság, Franciaország) használata nem ajánlott, de megtalálhatók a dokumentumokban. A nemzetközileg nem jóváhagyott egységeket továbbra is használhatják egyes országok: a lábgyertya ( megvilágítás , angol nyelvű országok), a lambert (fényerő, Egyesült Államok).
Az alábbi táblázat összefoglalja a fotometrikus mennyiségeket és azok egységeit, valamint az ezekhez kapcsolódó energia- vagy radiometrikus mennyiségeket , amelyeket az ISO 80000-7 szabvány határoz meg.
Fotometrikus nagyság | Szimbólum | SI egység (szimbólum) | Dimenzió | Radiometriai egyenérték | Szimbólum | SI egység (szimbólum) | Dimenzió |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fénymennyiség | lumen másodperc ( lm s ) | JT Ω | Sugárzott energia | joule ( J ) | ML 2 T −2 | ||
Fényáram | lumen ( lm ) | J Ω | Energiaáram (sugárzott teljesítmény) | watt ( W ) | ML 2 T −3 | ||
Fényintenzitás | kandela ( cd ) | J | Energiaintenzitás | watt per szteradián ( W sr −1 ) | ML 2 T −3 | ||
Fényerő / fényerő világító | kandela négyzetméterenként ( cd m −2 ) | JL -2 | Energia fényerő / sugárzás | watt négyzetméterenként és szteradiánként ( W m −2 sr −1 ) | MT −3 | ||
Megvilágítás | lux (lx) | JL -2 Ω | Energia besugárzás / besugárzó / besugárzott | watt / négyzetméter ( W m −2 ) | MT −3 | ||
Kilépés / Kibocsátás | lumen / négyzetméter ( lm m −2 ) | JL -2 Ω | Energia kimenet / kibocsátás | watt / négyzetméter ( W m −2 ) | MT −3 | ||
Fény expozíció / megvilágítás | lux másodperc ( lx s ) | JTL -2 Ω | Energia expozíció | joule négyzetméterenként ( J m −2 ) | MT -2 |