Фотометрия (оптика) - Photometry (optics)

Фотопикс (адаптирован для дневного времени, черная кривая) и скотопический [1] (адаптированный к темноте, зеленая кривая) функции яркости. Фотопортрет включает стандарт CIE 1931 [2] (сплошной), модифицированные данные Джадда-Вос 1978 г. [3] (пунктирная линия) и данные Sharpe, Stockman, Jagla & Jägle 2005 г. [4] (пунктирный). По горизонтальной оси отложена длина волны в нм.

Фотометрия это наука о измерение из свет, с точки зрения его воспринимается яркость для человеческого глаза.[1] Он отличается от радиометрия, наука об измерении энергия излучения (включая свет) по абсолютной мощности. В современной фотометрии мощность излучения на каждой длине волны взвешивается функция светимости моделирует чувствительность человека к яркости. Обычно этой весовой функцией является фотопикс функция чувствительности, хотя скотопический функция или другие функции также могут применяться таким же образом.

Фотометрия и глаз

В человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем длины волн из видимый свет. 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 яркости. Глаз по-разному реагирует в зависимости от длины волны, когда он адаптируется к условиям освещения (фотопическое зрение ) и темноте (скопическое зрение ). Фотометрия обычно основана на фотопической 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 характерно для реакции глаза при уровнях яркости более трех кандел на квадратный метр. Скотопическое зрение ниже 2 × 10−5 кд / м2. Мезопическое зрение происходит между этими пределами и плохо охарактеризован для спектральной характеристики.[1]

Фотометрические величины

Измерение эффектов электромагнитного излучения стало предметом изучения еще в конце 18 века. Методы измерения варьировались в зависимости от изучаемых эффектов и приводили к разной номенклатуре. Общий тепловой эффект инфракрасный Излучение, измеряемое термометрами, привело 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 ультрафиолетовый Излучение привело к характеристике общей дозой или актинометрическими единицами, выраженными в фотонах в секунду. [1]

Для фотометрических измерений используется множество различных единиц измерения. Люди иногда спрашивают, почему должно быть так много разных единиц, или просят преобразовать единицы, которые нельзя преобразовать (люмен и канделы, Например). Нам знакома идея о том, что прилагательное «тяжелый» может относиться к весу или плотности, которые в корне разные. 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, который виден 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 массивом многих утопленных люминесцентных ламп для общего высокого светового потока. А лазерный указатель имеет очень низкий световой поток (он не может осветить комнату), но ослепляюще яркий в одном направлении (высокая сила света в этом направлении).

Таблица 1. SI фотометрические величины
КоличествоЕдиница измеренияИзмерениеПримечания
ИмяСимвол[nb 1]ИмяСимволСимвол[nb 2]
Световая энергияQv[№ 3]люмен второйlm ⋅sТ JСекунду просвета иногда называют талбот.
Световой поток, сила светаΦv[№ 3]просвет (= кандела стерадианы )lm (= cd⋅sr)JСветовая энергия в единицу времени
Интенсивность светаяvкандела (= люмен на стерадиан)CD (= лм / ср)JСветовой поток на единицу телесный угол
ЯркостьLvкандела на квадратный метркд / м2 (= лм / (ср⋅м2))L−2JСветовой поток на единицу телесного угла на единицу прогнозируемый исходная область. Канделу на квадратный метр иногда называют гнида.
ОсвещенностьEvлюкс (= люмен на квадратный метр)лк (= лм / м2)L−2JСветовой поток инцидент на поверхности
Световая отдача, световой потокMvлюмен на квадратный метрлм / м2L−2JСветовой поток испускается с поверхности
Световая экспозицияЧАСvлюкс второйлксL−2Т JИнтегрированная по времени освещенность
Плотность световой энергииωvлюмен-секунда на кубический метрлм⋅с / м3L−3Т J
Световая отдача (излучения)Kлюмен на ваттлм /WM−1L−2Т3JОтношение светового потока к лучистый поток
Световая отдача (источника)η[№ 3]люмен на ваттлм /WM−1L−2Т3JОтношение светового потока к потребляемой мощности
Световая отдача, световой коэффициентV1Световая отдача, нормализованная по максимально возможной световой отдаче
Смотрите также: SI  · Фотометрия  · Радиометрия  · (Сравнивать )

Фотометрические и радиометрические величины

Существуют две параллельные системы величин, известные как фотометрические и радиометрические величины. Каждое количество в одной системе имеет аналогичное количество в другой системе. Некоторые примеры параллельных величин включают:[1]

В фотометрических величинах каждая длина волны взвешивается в соответствии с тем, насколько чувствителен к ней человеческий глаз, тогда 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, например, 1000 ватт обогреватель может испускать большой поток излучения (фактически 1000 Вт), но как источник света он дает очень мало люменов (потому что большая часть энергии находится в инфракрасном диапазоне, оставляя только тусклое красное свечение в видимой области ).

Таблица 2. Блоки радиометрии СИ
КоличествоЕдиница измеренияИзмерениеПримечания
ИмяСимвол[№ 4]ИмяСимволСимвол
Энергия излученияQе[№ 5]джоульJML2Т−2Энергия электромагнитного излучения.
Плотность лучистой энергиишеджоуль на кубический метрДж / м3ML−1Т−2Лучистая энергия на единицу объема.
Сияющий потокΦе[№ 5]ваттW = Дж / сML2Т−3Излучаемая, отраженная, переданная или полученная энергия излучения в единицу времени. Иногда это также называют «сияющей силой».
Спектральный потокΦе, ν[№ 6]ватт на герцВт /ГцML2Т−2Лучистый поток на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅нм.−1.
Φе, λ[№ 7]ватт на метрВт / мMLТ−3
Сияющая интенсивностьяе, Ω[№ 8]ватт на стерадианВт /SRML2Т−3Излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поток излучения на единицу телесного угла. Это направленный количество.
Спектральная интенсивностьяе, Ω, ν[№ 6]ватт на стерадиан на герцW⋅sr−1⋅Гц−1ML2Т−2Интенсивность излучения на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr.−1⋅нм−1. Это направленный количество.
яе, Ω, λ[№ 7]ватт на стерадиан на метрW⋅sr−1⋅m−1MLТ−3
СияниеLе, Ω[№ 8]ватт на стерадиан на квадратный метрW⋅sr−1⋅m−2MТ−3Лучистый поток, излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поверхность, на единицу телесного угла на единицу площади проекции. Это направленный количество. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральное сияниеLе, Ω, ν[№ 6]ватт на стерадиан на квадратный метр на герцW⋅sr−1⋅m−2⋅Гц−1MТ−2Сияние поверхность на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr.−1⋅m−2⋅нм−1. Это направленный количество. Иногда это также неправильно называют «спектральной интенсивностью».
Lе, Ω, λ[№ 7]ватт на стерадиан на квадратный метр, на метрW⋅sr−1⋅m−3ML−1Т−3
Освещенность
Плотность потока
Eе[№ 5]ватт на квадратный метрВт / м2MТ−3Сияющий поток получила по поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная освещенность
Спектральная плотность потока
Eе, ν[№ 6]ватт на квадратный метр на герцW⋅m−2⋅Гц−1MТ−2Освещенность поверхность на единицу частоты или длины волны. Иногда это также неправильно называют «спектральной интенсивностью». Внесистемные единицы спектральной плотности потока включают: Янски (1 Ян = 10−26 W⋅m−2⋅Гц−1) и блок солнечного потока (1 SFU = 10−22 W⋅m−2⋅Гц−1 = 104 Jy).
Eе, λ[№ 7]ватт на квадратный метр, на метрВт / м3ML−1Т−3
ЛучистостьJе[№ 5]ватт на квадратный метрВт / м2MТ−3Сияющий поток уход (испускается, отражается и передается) a поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральное излучениеJе, ν[№ 6]ватт на квадратный метр на герцW⋅m−2⋅Гц−1MТ−2Сияние поверхность на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м.−2⋅нм−1. Иногда это также неправильно называют «спектральной интенсивностью».
Jе, λ[№ 7]ватт на квадратный метр, на метрВт / м3ML−1Т−3
Сияющая выходностьMе[№ 5]ватт на квадратный метрВт / м2MТ−3Сияющий поток испускается по поверхность на единицу площади. Это излучаемая составляющая излучения. «Излучение» - это старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная выходностьMе, ν[№ 6]ватт на квадратный метр на герцW⋅m−2⋅Гц−1MТ−2Сияющий выход поверхность 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 неправильно называют «спектральной интенсивностью».
Mе, λ[№ 7]ватт на квадратный метр, на метрВт / м3ML−1Т−3
Сияющее воздействиеЧАСеджоуль на квадратный метрДж / м2MТ−2Лучистая энергия, полученная поверхность на единицу площади, или, что эквивалентно, освещенность поверхность интегрируется с течением времени облучения. Иногда это также называют «сияющим флюенсом».
Спектральная экспозицияЧАСе, ν[№ 6]джоуль на квадратный метр на герцJ⋅m−2⋅Гц−1MТ−1Сияющая экспозиция поверхность на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Дж⋅м.−2⋅нм−1. Иногда это также называют «спектральным флюенсом».
ЧАСе, λ[№ 7]джоуль на квадратный метр, на метрДж / м3ML−1Т−2
Полусферический коэффициент излученияεНет данных1Сияющий выход поверхность, деленное на черное тело при той же температуре, что и эта поверхность.
Спектральная полусферическая излучательная способностьεν
 или же
ελ
Нет данных1Спектральная выходность поверхность, деленное на черное тело при той же температуре, что и эта поверхность.
Направленная излучательная способностьεΩНет данных1Сияние испускается по поверхность, деленное на испускаемое черное тело при той же температуре, что и эта поверхность.
Спектрально-направленная излучательная способностьεΩ, ν
 или же
εΩ, λ
Нет данных1Спектральное сияние испускается по поверхность, деленное на черное тело при той же температуре, что и эта поверхность.
Полусферическое поглощениеАНет данных1Сияющий поток поглощен по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью. Это не следует путать с "поглощение ".
Спектральное полусферическое поглощениеАν
 или же
Аλ
Нет данных1Спектральный поток поглощен по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью. Это не следует путать с "спектральное поглощение ".
Направленное поглощениеАΩНет данных1Сияние поглощен по поверхность, деленное на яркость, падающую на эту поверхность. Это не следует путать с "поглощение ".
Спектральное направленное поглощениеАΩ, ν
 или же
АΩ, λ
Нет данных1Спектральное сияние поглощен по поверхность, деленное на спектральную яркость, падающую на эту поверхность. Это не следует путать с "спектральное поглощение ".
Полусферическое отражениерНет данных1Сияющий поток отраженный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Спектральная полусферическая отражательная способностьрν
 или же
рλ
Нет данных1Спектральный поток отраженный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Направленное отражениерΩНет данных1Сияние отраженный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Спектральное направленное отражениерΩ, ν
 или же
рΩ, λ
Нет данных1Спектральное сияние отраженный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Полусферический коэффициент пропусканияТНет данных1Сияющий поток переданный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Спектральное полусферическое пропусканиеТν
 или же
Тλ
Нет данных1Спектральный поток переданный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Направленный коэффициент пропусканияТΩНет данных1Сияние переданный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Спектрально-направленное пропусканиеТΩ, ν
 или же
ТΩ, λ
Нет данных1Спектральное сияние переданный по поверхность, деленное на полученное этой поверхностью.
Полусферический коэффициент затуханияμобратный счетчикм−1L−1Сияющий поток поглощен и разбросанный по объем на единицу длины, деленную на полученный объем.
Коэффициент спектрального полусферического ослабленияμν
 или же
μλ
обратный счетчикм−1L−1Спектральный лучистый поток поглощен и разбросанный по объем на единицу длины, деленную на полученный объем.
Коэффициент направленного затуханияμΩобратный счетчикм−1L−1Сияние поглощен и разбросанный по объем на единицу длины, деленную на полученный объем.
Коэффициент направленного спектрального ослабленияμΩ, ν
 или же
μΩ, λ
обратный счетчикм−1L−1Спектральное сияние поглощен и разбросанный по объем на единицу длины, деленную на полученный объем.
Смотрите также: SI  · Радиометрия  · Фотометрия  · (Сравнивать )


Ватт против люменов

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. Потому что лампы накаливания Проданные для «общего обслуживания», все имеют довольно похожие характеристики (одинаковое спектральное распределение мощности), потребление энергии дает приблизительное представление о светоотдаче 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 радиации, в основном в инфракрасный. 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. А компактная люминесцентная лампа может обеспечивать 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 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.

Просвет определяется как количество света, попадающего в одну стерадиан по точечный источник силой одной канделы; в то время как кандела, основная 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 нанометры, длина волны зеленого цвета, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен. Число 1/683 было выбрано, чтобы сделать канделу примерно равной стандартной свече (единице, которую она заменила).

Комбинируя эти определения, мы видим, что 1/683 Вт зеленого света 555 нанометров дает 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. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, например, 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 спектра ЭМ, которая является частью этого взвешивания, единица «люмен» не имеет цветовой слепоты: 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

Фотометрические измерения основаны на фотоприемники, устройства (нескольких типов), вырабатывающие электрический сигнал при воздействии света. Простые применения этой технологии включают включение и выключение светильников в зависимости от условий окружающего освещения и люксметры, используемые для измерения общего количества света, падающего на точку.

Более сложные формы фотометрических измерений часто используются в светотехнике. Сферический фотометры может использоваться для измерения направленного светового потока, создаваемого лампами, и состоит из шара большого диаметра с лампой, установленной в его центре. А фотоэлемент вращается вокруг лампы по трем осям, измеряя мощность лампы со всех сторон.

Лампы и осветительные приборы испытываются с использованием гониофотометры и фотометры 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; В гониофотометрах используется вращающийся 2-осевой стол для изменения ориентации светильника по отношению к фотоэлементу. В любом случае интенсивность света составляется на основе этих данных и используется в дизайне освещения.

Фотометрические единицы, не относящиеся к СИ

Яркость

Освещенность

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Организации по стандартизации рекомендуют обозначать фотометрические величины индексом "v" (от "визуального"), чтобы избежать путаницы с радиометрическими или фотон количества. Например: Стандартные буквенные символы США для светотехники USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
  2. ^ Символы в этом столбце обозначают размеры; "L", "Т" и "J"обозначают длину, время и силу света соответственно, а не символы для единицы литр, тесла и джоуль.
  3. ^ а б c Иногда встречаются альтернативные символы: W для световой энергии, п или же F для светового потока, и ρ для световой отдачи источника.
  4. ^ Организации по стандартизации рекомендовать радиометрический количество следует обозначать суффиксом «е» (от «энергичный»), чтобы не путать с фотометрическим или фотон количества.
  5. ^ а б c d е Иногда встречаются альтернативные символы: W или же E для лучистой энергии, п или же F для лучистого потока, я для освещенности, W для сияющего выхода.
  6. ^ а б c d е ж грамм Спектральные величины даны на единицу частота обозначаются суффиксом "ν «(Греческий) - не путать с суффиксом« v »(« визуальный »), обозначающим фотометрическую величину.
  7. ^ а б c d е ж грамм Спектральные величины даны на единицу длина волны обозначаются суффиксом "λ "(Греческий).
  8. ^ а б Направленные величины обозначаются суффиксом "Ω "(Греческий).

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Майкл Басс (ред.), Справочник по оптике Том II - Устройства, измерения и свойства, 2-е изд., Макгроу-Хилл 1995, ISBN  978-0-07-047974-6 страницы с 24-40 по 24-47

внешняя ссылка