Введение
Фотометрия — это раздел оптики, который занимается измерением света с точки зрения его воспринимаемой яркости человеческим глазом. Она включает в себя количественную оценку количества света, излучаемого, отражаемого или поглощаемого объектом или системой. В современной фотометрии мощность излучения на каждой длине волны взвешивается функцией светимости, моделирующей чувствительность человеческого зрения к яркости. Как правило, используется функция фотопической чувствительности, хотя могут применяться и скотопическая функция или другие аналогичные функции. Стандартизация весовых коэффициентов осуществляется CIE и ISO. Фотометрия отличается от радиометрии, науки об измерении энергетического излучения (включая свет) в абсолютных единицах мощности.
Photometry is a branch of optics that deals with the measurement of light in terms of its perceived brightness to the human eye. It is concerned with quantifying the amount of light that is emitted, transmitted, or received by an object or a system. In modern photometry, the radiant power at each wavelength is weighted by a luminosity function that models human brightness sensitivity. Typically, this weighting function is the photopic sensitivity function, although the scotopic function or other functions may also be applied in the same way. The weightings are standardized by the CIE and ISO. Photometry is distinct from radiometry, which is the science of measurement of radiant energy (including light) in terms of absolute power.
Фотометрия и глаз
Человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем длинам волн видимого света. Фотометрия пытается учесть это, взвешивая измеренную мощность на каждой длине волны коэффициентом, отражающим чувствительность глаза на этой длине волны. Стандартизированная модель реакции глаза на свет в зависимости от длины волны задается функцией яркости. Реакция глаза на разные длины волн различается в зависимости от того, адаптирован ли он к светлым (фотопическое зрение) или темным (скотопическое зрение) условиям. Фотометрия обычно основана на фотопической реакции глаза, поэтому фотометрические измерения могут неточно отражать воспринимаемую яркость источников в условиях слабого освещения, когда цвета неразличимы, например, при лунном или звездном свете. Фотопическое зрение характерно для реакции глаза при уровнях освещенности выше трех кандел на квадратный метр. Скотопическое зрение возникает при значениях ниже 2 × 10−5 кд/м². Мезопическое зрение возникает между этими пределами и недостаточно хорошо изучено с точки зрения спектральной чувствительности.
Фотометрические величины
Измерение эффектов электромагнитного излучения стало областью исследования еще в конце XVIII века. Методы измерения различались в зависимости от изучаемых эффектов и привели к формированию различной номенклатуры. Общий нагревательный эффект инфракрасного излучения, измеряемый термометрами, способствовал разработке радиометрических единиц, основанных на общей энергии и мощности. Использование человеческого глаза в качестве детектора привело к созданию фотометрических единиц, взвешенных в соответствии с чувствительностью глаза. Изучение химических эффектов ультрафиолетового излучения привело к характеристике по общей дозе или актинометрическим единицам, выраженным в фотонах в секунду. Для фотометрических измерений используется множество различных единиц измерения. Прилагательное "яркий" может относиться к источнику света, излучающему высокий световой поток (измеряемый в люменах), или к источнику света, концентрирующему световой поток в очень узкий луч (в канделах), или к источнику света, воспринимаемому на темном фоне. В силу того, как свет распространяется в трехмерном пространстве – рассеиваясь, концентрируясь, отражаясь от блестящих или матовых поверхностей – и поскольку свет состоит из множества различных длин волн, количество принципиально различных видов измерений света, которые можно проводить, велико, как и количество величин и единиц, используемых для их представления. Например, офисы обычно "ярко" освещаются множеством встроенных люминесцентных ламп, обеспечивающих суммарный высокий световой поток. Лазерная указка имеет очень низкий световой поток (она не способна осветить комнату), но ослепительно яркая в одном направлении (высокая сила света в этом направлении).
Ватты против люменов
Ватты – это единицы излучения, а люмены – единицы светового потока. Сравнение ватт и люмен иллюстрирует различие между радиометрическими и фотометрическими единицами. Ватт – это единица измерения мощности. Мы привыкли оценивать лампы по потребляемой мощности в ваттах. Эта мощность не является мерой количества излучаемого света, а лишь указывает, сколько энергии потребляет лампа. Поскольку лампы накаливания, предназначенные для "общего использования", имеют достаточно схожие характеристики (одинаковое распределение спектральной мощности), потребляемая мощность дает приблизительное представление о светоотдаче ламп накаливания. Ватты также могут быть прямой мерой выходной мощности. В радиометрическом смысле, лампа накаливания имеет эффективность около 80%: 20% энергии теряется (например, за счет теплопроводности через цоколь лампы). Остальная часть излучается в виде излучения, преимущественно в инфракрасном диапазоне. Таким образом, 60-ваттная лампа излучает общий излучаемый поток около 45 ватт. Лампы накаливания, на самом деле, иногда используются в качестве источников тепла (например, в брудерах для цыплят), но обычно их используют для освещения. В этом случае они очень неэффективны, поскольку большая часть излучаемой ими энергии приходится на невидимый инфракрасный диапазон. Компактная люминесцентная лампа может обеспечивать свет, сопоставимый со 60-ваттной лампой накаливания, потребляя всего 15 ватт электроэнергии. Люмен – это фотометрическая единица светового потока. Хотя большинство потребителей по-прежнему оценивают свет по потребляемой лампой мощности, в США уже несколько десятилетий существует торговое требование указывать светоотдачу на упаковке ламп в люменах. На упаковке 60-ваттной лампы накаливания указывается, что она обеспечивает около 900 люмен, как и на упаковке 15-ваттной компактной люминесцентной лампы. Люмен определяется как количество света, излучаемого в один стерадиан точечным источником с силой в одну канделу; в то время как кандела, основная единица СИ, определяется как световая интенсивность источника монохроматического излучения частотой 540 терагерц и излучательной способностью 1/683 ватт на стерадиан. (540 ТГц соответствует примерно 555 нанометрам, длине волны в зеленом диапазоне, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен. Число 1/683 было выбрано для того, чтобы кандела была примерно равна стандартной свече, единице, которую она заменила). Объединив эти определения, мы видим, что 1/683 ватта 555-нанометрового зеленого света обеспечивает один люмен. Связь между ваттами и люменами – это не просто простой коэффициент масштабирования. Мы уже знаем это, поскольку 60-ваттная лампа накаливания и 15-ваттная компактная люминесцентная лампа могут обеспечивать 900 люмен. Определение говорит нам, что 1 ватт чистого зеленого света с длиной волны 555 нм "эквивалентен" 683 люменам. Оно ничего не говорит о других длинах волн. Поскольку люмены являются фотометрическими единицами, их соотношение с ваттами зависит от длины волны в соответствии с ее видимостью. Например, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение невидимы и не учитываются. Один ватт инфракрасного излучения (где сосредоточена большая часть излучения от лампы накаливания) "стоит" ноль люмен. В видимом спектре длины волн света взвешиваются в соответствии с функцией, называемой "фотопической спектральной световой эффективностью". Согласно этой функции, 700 нм красный свет имеет эффективность всего около 0,4% по сравнению с 555 нм зеленым светом. Таким образом, один ватт 700 нм красного света "стоит" всего 2,7 люмена. Из-за суммирования по визуальной части электромагнитного спектра, которое является частью этого взвешивания, единица "люмен" не различает цвета: невозможно определить, какого цвета будет казаться люмен. Это аналогично оценке продуктов питания по количеству пакетов: нет информации о конкретном содержимом, только число, которое относится к общему взвешенному количеству.
Методы фотометрических измерений
Фотометрические измерения основаны на фотодетекторах – устройствах (различных типов), которые генерируют электрический сигнал при воздействии света. Простые применения этой технологии включают в себя включение и выключение светильников в зависимости от уровня окружающего освещения, а также использование светомеров для измерения общего количества света, падающего на точку. Более сложные методы фотометрических измерений широко используются в осветительной промышленности. Сферические фотометры применяются для измерения направленного светового потока, создаваемого лампами, и состоят из большого сферического рассеивателя с лампой, установленной в его центре. Фотоэлемент вращается вокруг лампы в трех плоскостях, измеряя светоотдачу лампы со всех сторон. Лампы и светильники испытываются с помощью гониофотометров и фотометров с вращающимися зеркалами, которые удерживают фотоэлемент неподвижно на достаточном расстоянии, чтобы светильник можно было считать точечным источником. Фотометры с вращающимися зеркалами используют моторизованную систему зеркал для отражения света, излучаемого светильником во всех направлениях, на удаленный фотоэлемент; гониофотометры используют вращающуюся двухкоординатную платформу для изменения ориентации светильника относительно фотоэлемента. В обоих случаях на основе полученных данных составляется таблица световой интенсивности, которая используется при проектировании освещения.