 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( декабрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Фотометрия это наука измерения от света , с точки зрения его восприятия яркости для человеческого глаза. [1] Он отличается от радиометрии , которая представляет собой науку об измерении лучистой энергии (включая свет) с точки зрения абсолютной мощности. В современной фотометрии мощность излучения на каждой длине волны взвешивается функцией светимости , моделирующей чувствительность человека к яркости. Обычно эта функция взвешивания является функцией фотопической чувствительности, хотя скотопическая функция или другие функции также могут применяться таким же образом.
Фотометрия и глаз [ править ]
Человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем длинам волн в видимом свете . Фотометрия пытается учесть это, взвешивая измеренную мощность на каждой длине волны с коэффициентом, который представляет, насколько чувствителен глаз к этой длине волны. Стандартизированная модель реакции глаза на свет в зависимости от длины волны дается функцией светимости. Глаз по-разному реагирует в зависимости от длины волны, когда он адаптирован к условиям освещения ( фотопическое зрение ) и темным условиям ( скотопическое зрение).). Фотометрия обычно основана на световой реакции глаза, 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 характеризует реакцию глаза при уровнях яркости более трех кандел на квадратный метр. Скотопическое зрение ниже 2 × 10 -5 кд / м 2 . Мезопическое зрение находится между этими пределами и плохо охарактеризовано для спектральной реакции. [1]
Фотометрические величины [ править ]
Измерение эффектов электромагнитного излучения стало предметом изучения еще в конце 18 века. Методы измерения варьировались в зависимости от изучаемых эффектов и приводили к различной номенклатуре. Общий нагревательный эффект инфракрасного излучения, измеренный термометрами, привел к развитию радиометрических единиц с точки зрения общей энергии и мощности. Использование человеческого глаза в качестве детектора привело к созданию фотометрических единиц, взвешенных по характеристикам отклика глаза. Изучение химических эффектов ультрафиолетового излучения привело к характеристике общей дозой или актинометрическими единицами, выраженными в фотонах в секунду. [1]
Для фотометрических измерений используется множество различных единиц измерения. Иногда люди спрашивают, почему должно быть так много разных единиц измерения, или просят преобразовать единицы, которые невозможно преобразовать ( люмены и канделы)., Например). Нам знакома идея о том, что прилагательное «тяжелый» может относиться к весу или плотности, а это совершенно разные вещи. Точно так же 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. источник, видимый на темном фоне. Из-за способов, которыми свет распространяется в трехмерном пространстве - распространения, концентрации, отражения от блестящих или матовых поверхностей - и поскольку свет состоит из многих различных длин волн, количество принципиально различных видов измерения света, которые могут быть выполнены, составляет большие, как и количество величин и единиц, которые их представляют.
Например, офисы обычно «ярко» освещаются множеством утопленных люминесцентных ламп, обеспечивающих высокий комбинированный световой поток. У лазерной указки очень низкий световой поток (он не может осветить комнату), но ослепляюще яркий в одном направлении (высокая сила света в этом направлении).
| Количество | Единица измерения | Измерение | Примечания | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Имя | Символ [nb 1] | Имя | Символ | Символ [nb 2] | ||||
| Световая энергия | Q v [nb 3] | люмен второй | lm ⋅s | Т Дж | Секунду просвета иногда называют талботом . | |||
| Световой поток , сила света | Φ v [nb 3] | просвет (= кандела стерадиан ) | lm (= cd⋅sr) | J | Световая энергия в единицу времени | |||
| Интенсивность света | Я в | кандела (= люмен на стерадиан) | кд (= лм / ср) | J | Световой поток на единицу телесного угла | |||
| Яркость | L v | кандела на квадратный метр | кд / м 2 (= лм / (ср⋅м 2 )) | Л −2 Дж | Световой поток на единицу телесного угла на единицу площади проекции источника. Канделу на квадратный метр иногда называют гнидой . | |||
| Освещенность | E v | люкс (= люмен на квадратный метр) | лк (= лм / м 2 ) | Л −2 Дж | Световой поток, падающий на поверхность | |||
| Световой поток , световой поток | M v | люмен на квадратный метр | лм / м 2 | Л −2 Дж | Световой поток, излучаемый с поверхности | |||
| Световая экспозиция | H v | люкс второй | люкс | Л −2 т Дж | Интегрированная по времени освещенность | |||
| Плотность световой энергии | ω v | люмен-секунда на кубический метр | лм⋅с / м 3 | Л −3 т Дж | ||||
| Световая отдача (излучения) | K | люмен на ватт | лм / Вт | M −1 L −2 T 3 Дж | Отношение светового потока к лучистому потоку | |||
| Световая отдача (источника) | η [nb 3] | люмен на ватт | лм / Вт | M −1 L −2 T 3 Дж | Отношение светового потока к потребляемой мощности | |||
| Светоотдача , световой коэффициент | V | 1 | Световая отдача нормализована максимально возможной световой отдачей. | |||||
| См. Также: SI · Фотометрия · Радиометрия · ( Сравнить ) | ||||||||
Фотометрические и радиометрические величины [ править ]
Есть две параллельные системы величин, известные как фотометрические и радиометрические величины. Каждое количество в одной системе имеет аналогичное количество в другой системе. Вот некоторые примеры параллельных величин: [1]
- Яркость (фотометрическая) и сияние (радиометрическая)
- Световой поток (фотометрический) и лучистый поток (радиометрический)
- Сила света (фотометрическая) и сила излучения (радиометрическая)
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 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. Лучистая энергия за пределами видимого спектра вообще не влияет на фотометрические величины, поэтому, например, обогреватель на 1000 Вт может испускать большой поток излучения (фактически 1000 Вт), но в качестве источника света он испускает очень мало. люмены (потому что большая часть энергии находится в инфракрасном диапазоне, оставляя только тусклое красное свечение в видимом диапазоне).
| Количество | Единица измерения | Измерение | Примечания | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Имя | Символ [nb 4] | Имя | Символ | Символ | ||||
| Энергия излучения | Q e [nb 5] | джоуль | J | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Энергия электромагнитного излучения. | |||
| Плотность лучистой энергии | ж е | джоуль на кубический метр | Дж / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | Лучистая энергия на единицу объема. | |||
| Сияющий поток | Φ e [nb 5] | ватт | W = Дж / с | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Излучаемая, отраженная, переданная или полученная энергия излучения в единицу времени. Иногда это также называют «сияющей силой». | |||
| Спектральный поток | Φ e, ν [nb 6] | ватт на герц | Вт / Гц | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Лучистый поток на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅нм -1 . | |||
| Φ e, λ [nb 7] | ватт на метр | Вт / м | M ⋅ L ⋅ T −3 | |||||
| Сияющая интенсивность | I e, Ω [nb 8] | ватт на стерадиан | Вт / ср | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поток излучения на единицу телесного угла. Это направленная величина. | |||
| Спектральная интенсивность | I e, Ω, ν [nb 6] | ватт на стерадиан на герц | W⋅sr −1 ⋅Hz −1 | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Интенсивность излучения на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅ср −1 нм −1 . Это направленная величина. | |||
| I e, Ω, λ [nb 7] | ватт на стерадиан на метр | W⋅sr −1 ⋅m −1 | M ⋅ L ⋅ T −3 | |||||
| Сияние | L e, Ω [nb 8] | ватт на стерадиан на квадратный метр | W⋅sr −1 ⋅m −2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток, излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поверхностью , на единицу телесного угла на единицу площади проекции. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральное сияние | L e, Ω, ν [nb 6] | ватт на стерадиан на квадратный метр на герц | W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Яркость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅sr −1 m −2 nm −1 . Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». | |||
| L e, Ω, λ [nb 7] | ватт на стерадиан на квадратный метр, на метр | W⋅sr −1 ⋅m −3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Энергия излучения Плотность потока | E e [nb 5] | ватт на квадратный метр | Вт / м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток , полученный с помощью поверхности на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральная освещенность Спектральная плотность потока | E e, ν [nb 6] | ватт на квадратный метр на герц | Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −2 | Освещенность поверхности на единицу частоты или длины волны. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». Единицы измерения спектральной плотности потока, не относящиеся к системе СИ, включают янский (1 Ян = 10 −26 Вт⋅м −2 Гц −1 ) и единицу солнечного потока (1 sfu = 10 −22 Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 = 10 4 Jy). | |||
| E e, λ [nb 7] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Лучистость | J e [nb 5] | ватт на квадратный метр | Вт / м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток покидает (испускается, отражается и проходит) поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральное излучение | J e, ν [nb 6] | ватт на квадратный метр на герц | Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −2 | Сияние поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м −2 нм −1 . Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». | |||
| J e, λ [nb 7] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Сияющая выходность | M e [nb 5] | ватт на квадратный метр | Вт / м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток , излучаемый на поверхности на единицу площади. Это излучаемый компонент излучения. «Излучение излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральная выходность | M e, ν [nb 6] | ватт на квадратный метр на герц | Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −2 | Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м −2 нм −1 . «Спектральный коэффициент излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». | |||
| M e, λ [nb 7] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Сияющее воздействие | H e | джоуль на квадратный метр | Дж / м 2 | M ⋅ T −2 | Лучистая энергия, полученная поверхностью на единицу площади, или, что эквивалентно, освещенность поверхности, интегрированная во времени облучения. Иногда это также называют «сияющим флюенсом». | |||
| Спектральная экспозиция | H e, ν [nb 6] | джоуль на квадратный метр на герц | Дж⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −1 | Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Дж⋅м −2 нм −1 . Иногда это также называют «спектральной плотностью энергии». | |||
| H e, λ [nb 7] | джоуль на квадратный метр, на метр | Дж / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | |||||
| Полусферический коэффициент излучения | ε | N / A | 1 | Излучение поверхности , деленное на выход черного тела при той же температуре, что и эта поверхность. | ||||
| Спектральная полусферическая излучательная способность | ε ν или ε λ | N / A | 1 | Спектральная светимость поверхности , деленная на светимость черного тела при той же температуре, что и эта поверхность. | ||||
| Направленная излучательная способность | ε Ω | N / A | 1 | Излучение , излучаемый на поверхности , разделенные , что излучаемый черного тела при той же температуре , как эта поверхность. | ||||
| Спектрально-направленная излучательная способность | ε Ω, ν или ε Ω, λ | N / A | 1 | Спектральное свечение , излучаемое на поверхность , деленное на том , что из черного тела при той же температуре , как эта поверхность. | ||||
| Полусферическое поглощение | А | N / A | 1 | Лучистый поток поглощается на поверхность , деленный на которые получены этой поверхность. Не следует путать с « поглощением ». | ||||
| Спектральное полусферическое поглощение | A ν или A λ | N / A | 1 | Спектральный поток поглощается на поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. Это не следует путать со « спектральным поглощением ». | ||||
| Направленное поглощение | А Ом | N / A | 1 | Излучение поглощается на поверхности , деленной на сияния падающего на эту поверхность. Не следует путать с « поглощением ». | ||||
| Спектральное направленное поглощение | A Ω, ν или A Ω, λ | N / A | 1 | Спектральный сияния поглощается на поверхности , деленной на спектральной энергетической яркости падающего на эту поверхность. Это не следует путать со « спектральным поглощением ». | ||||
| Полусферическое отражение | р | N / A | 1 | Лучистый поток, отраженный от поверхности , делится на поток , принимаемый этой поверхностью. | ||||
| Спектральная полусферическая отражательная способность | R ν или R λ | N / A | 1 | Спектральный поток отражается на поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Направленное отражение | R Ом | N / A | 1 | Излучение отражается на поверхности , деленной на том , что полученные с помощью этой поверхности. | ||||
| Спектральная отражательная способность | R Ω, ν или R Ω, λ | N / A | 1 | Спектральное сияние отражается на поверхность , деленный на которые получены этой поверхность. | ||||
| Полусферический коэффициент пропускания | Т | N / A | 1 | Лучевой поток передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Спектральное полусферическое пропускание | T ν или T λ | N / A | 1 | Спектральный поток передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Направленное пропускание | Т Ом | N / A | 1 | Излучение передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Спектрально-направленное пропускание | T Ω, ν или T Ω, λ | N / A | 1 | Спектральное сияние передается по поверхности , деленный на которые получены этой поверхность. | ||||
| Полусферический коэффициент затухания | μ | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Поток излучения, поглощаемый и рассеиваемый на объем на единицу длины, деленный на полученный этим объемом. | |||
| Коэффициент спектрального полусферического ослабления | μ ν или μ λ | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Спектральный лучистого потока поглощается и рассеивается по объему на единицу длины, деленное на том , что полученные этим объемом. | |||
| Коэффициент направленного затухания | μ Ом | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Сияние поглощается и рассеивается на объем на единицу длины, деленный на полученное этим объемом. | |||
| Коэффициент направленного спектрального ослабления | μ Ω, ν или μ Ω, λ | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Спектральная яркость поглощается и рассеивается на объем на единицу длины, деленный на полученное этим объемом. | |||
| См. Также: SI · Радиометрия · Фотометрия · ( Сравнить ) | ||||||||
Ватты против люменов [ править ]
Ватты - это единицы лучистого потока, а люмены - это единицы светового потока. Сравнение ватт и светового потока показывает различие между радиометрическими и фотометрическими единицами.
Ватт - это единица мощности. Мы привыкли думать о лампочках как о мощности в ваттах. Эта мощность не является мерой количества светового потока, а скорее указывает, сколько энергии будет использовать лампочка. Поскольку лампы накаливания, продаваемые для «общего обслуживания», имеют довольно похожие характеристики (одинаковое спектральное распределение мощности), потребляемая мощность является приблизительным ориентиром для светоотдачи ламп накаливания.
Ватты также могут быть прямой мерой выходной мощности. В радиометрическом смысле эффективность лампы накаливания составляет около 80%: 20% энергии теряется (например, из-за проводимости через цоколь лампы). Остальное испускается в виде излучения, в основном в инфракрасном диапазоне . Таким образом, электрическая лампочка мощностью 60 Вт излучает общий лучистый поток около 45 Вт. На самом деле, лампы накаливания иногда используются в качестве источников тепла (например, в инкубаторе для цыплят), но обычно они используются для обеспечения освещения. Как таковые, они очень неэффективны, потому что большая часть излучаемой ими лучистой энергии невидима в инфракрасном диапазоне. Компактная люминесцентная лампа может обеспечить свет сравнимо с 60 Вт лампы накаливания, потребляя всего 15 Вт электроэнергии.
Люмен - это фотометрическая единица светоотдачи. Хотя большинство потребителей все еще думают о свете как о мощности, потребляемой лампочкой, в США уже несколько десятилетий существует торговое требование, чтобы упаковка лампочки давала светоотдачу в люменах. Упаковка лампы накаливания на 60 Вт показывает, что она дает около 900 люмен, как и упаковка компактной люминесцентной лампы мощностью 15 Вт.
Световой поток определяются как количество света, в один стерадиан с помощью точечного источника одной силы канделы; в то время как кандела, базовая единица СИ, определяется как сила света источника монохроматического излучения с 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, которую оно заменило).
Комбинируя эти определения, мы видим, что 1/683 Вт зеленого света 555 нанометров обеспечивает один люмен.
Соотношение между ваттами и люменами - это не просто коэффициент масштабирования. Мы уже знаем это, потому что лампа накаливания на 60 Вт и компактная люминесцентная лампа на 15 Вт могут обеспечить световой поток 900 люмен.
Согласно определению, 1 ватт чистого зеленого света с длиной волны 555 нм «стоит» 683 люмен. Это ничего не говорит о других длинах волн. Поскольку люмены являются фотометрическими единицами, их отношение к ваттам зависит от длины волны в зависимости от того, насколько видимой является длина волны. Например, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение невидимы и не учитываются. Один ватт инфракрасного излучения (на который падает большая часть излучения лампы накаливания) стоит ноль люмен. В пределах видимого спектра длины волн света взвешиваются в соответствии с функцией, называемой «фотопической спектральной световой эффективностью». 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 700 нм «стоит» всего 2,7 люмен.
Из-за суммирования по визуальной части ЭМ-спектра, которая является частью этого взвешивания, единица «люмен» дальтоник: нет способа сказать, какой цвет будет отображаться. Это эквивалентно оценке продуктов по количеству пакетов: информации о конкретном содержимом нет, только число, которое относится к общему взвешенному количеству.
Фотометрические методы измерения [ править ]
Фотометрические измерения основаны на фотодетекторах , устройствах (нескольких типов), вырабатывающих электрический сигнал при воздействии света. Простые применения этой технологии включают включение и выключение светильников в зависимости от условий внешней освещенности и люксметры, используемые для измерения общего количества света, падающего на точку.
В светотехнике 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, измерения выходной мощности лампы со всех сторон.
Лампы и осветительные приборы проверяются с помощью гониофотометров и фотометров с вращающимся зеркалом, которые удерживают фотоэлемент в неподвижном состоянии на достаточном расстоянии, чтобы светильник можно было рассматривать как точечный источник. Фотометры с вращающимся зеркалом 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 составляется на основе этих данных и используется при проектировании освещения.
Фотометрические единицы, не относящиеся к СИ [ править ]
Яркость [ править ]
- Footlambert
- Миллиламберт
- Стилб
Освещенность [ править ]
- Фут-свеча
- Фото
См. Также [ править ]
- Список источников света
- Фотометрия
- Фотометрия (астрономия)
- Радиометр
- Отражательная способность
- Спектрометр
- Колориметрия
Заметки [ править ]
- ^ Организации по стандартизации рекомендуют обозначать фотометрические величины индексом «v» (для «визуального»), чтобы избежать путаницы с радиометрическими или фотонными величинами. Например: Стандартные буквенные символы США для светотехники USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
- ^ Символы в этом столбце обозначают размеры ; « L », « T » и « J » обозначают длину, время и силу света соответственно, а не символы единиц измерения литр, тесла и джоуль.
- ^ a b c Иногда встречаются альтернативные символы: W для световой энергии, P или F для светового потока и ρ для световой отдачи источника.
- ^ Организации по стандартизации рекомендуютобозначатьрадиометрические величины суффиксом «e» (от «энергетический»), чтобы избежать путаницы с фотометрическими или фотонными величинами.
- ^ a b c d e Иногда можно увидеть альтернативные символы: W или E для лучистой энергии, P или F для лучистого потока, I для энергетической освещенности, W для лучистой светимости.
- ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу частоты , обозначаются суффиксом « ν » (греческий) - не путать с суффиксом «v» (от «визуальный»), обозначающим фотометрическую величину.
- ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу длины волны , обозначаются суффиксом « λ » (греческий).
- ^ a b Направленные величины обозначаются суффиксом « Ω » (греческий).
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e Майкл Басс (редактор), Справочник по оптике Том II - Устройства, измерения и свойства, 2-е изд. , McGraw-Hill 1995, ISBN 978-0-07-047974-6, страницы с 24-40 по 24-47
Внешние ссылки [ править ]
- Фотометрия (nist.gov) (в архиве)
- Часто задаваемые вопросы по радиометрии и фотометрии Страница часто задаваемых вопросов профессора Джима Палмера по радиометрии (Университет Аризоны) (в архиве)
- Визуализация и расчет фотометрических величин - исполняемый файл JAR на Java
