Strumień świetlny
Strumień świetlny
Strumień świetlny jest fotometryczne wielkość , która charakteryzuje świetlną moc źródła, jak to jest postrzegane przez ludzkie oko. Strumień świetlny to strumień promieniowania , to znaczy moc promieniowania elektromagnetycznego , ważona wrażliwością ludzkiego oka, znormalizowana przez funkcję widmowej skuteczności świetlnej , przy różnych długościach fal.
W rzeczywistości monochromatyczne promieniowanie elektromagnetyczne powoduje wrażenie wizualne o bardzo zmiennej intensywności w zależności od długości fali i zerowe wrażenie poza zakresem widzialnym . Promieniowanie niewidoczne dla ludzkiego oka, takie jak podczerwień i ultrafiolet , które jednak w wielu przypadkach może akumulować znaczną moc promieniowania, nie ma wpływu na obliczanie lub pomiar strumienia świetlnego.
Może to być całkowity strumień emitowany przez źródło – producenci lamp elektrycznych podają wartość całkowitego strumienia emitowanego wraz z pobraną mocą elektryczną i temperaturą barwową – lub strumień emitowany w ograniczonej części przestrzeni – w przyrządach optycznych, przesłony , przechwytując część wiązki światła, umożliwiają regulację strumienia odbieranego przez czujnik lub detektor.
Definicja
Strumień świetlny jest podstawową wielkością w fotometrii: umożliwia określenie wszystkich pozostałych wielkości fotometrycznych.
Określa się go na podstawie przepływu energii (wyrażonego w watach) częściej nazywanego mocą promieniowaną. Ten ostatni to przepływ energii promieniowanej : , gdzie jest energią promieniowaną wyrażoną w dżulach (J).
Φmi{\ styl wyświetlania \ Phi _ {\ matematyka {e}}}Φmi=reQrwtakret{\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {e}} = {\ frac {\ mathrm {d} Q _ {\ mathrm {promień}}} {\ mathrm {d} t}}}Qrwtak{\ displaystyle Q _ {\ matematyka {promień}}}
W fotometrii , aby uwzględnić czułość ludzkiego oka , która jest różna dla każdej długości fali promieniowania, moc promieniowania elektromagnetycznego jest korygowana poprzez ważenie jej funkcją widmowej skuteczności świetlnej . Funkcje te są definiowane przez wartości tabelaryczne i stają się zerowe dla podczerwieni lub ultrafioletu, które leżą poza domeną widma widzialnego . Różnią się one w zależności od pola widzenia, w którym się znajdujemy: w dzień lub w nocy.
W widzeniu fotopowym (w ciągu dnia):
Φv,λ(λ)=Φmi,λ(λ)K(λ)=Φmi,λ(λ)KmV(λ){\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {v}, \ lambda} (\ lambda) = \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, K (\ lambda) = \ Phi _ { \ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, K _ {\ mathrm {m}} \, V (\ lambda)},
lub
-
K(λ){\ styl wyświetlania K (\ lambda)} jest funkcją fotopowej widmowej wydajności świetlnej;
-
Km={\ styl wyświetlania K _ {\ matematyka {m}} =}683.002 lm/W to maksymalna spektralna skuteczność świetlna fotopowa , odpowiadająca częstotliwości 540 THz , czyli długości fali bardzo bliskiej 555 nm w powietrzu (żółto – zielony);
-
V(λ){\ styl wyświetlania V (\ lambda)}, również odnotowana w kolorymetrii, jest fotopową względną spektralną wydajnością światła, bezwymiarową.takŻ(λ){\ displaystyle {\ overline {y}} (\ lambda)}
-
Φmi,λ=reΦmireλ{\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} = {\ frac {\ mathrm {d} \ Phi _ {\ mathrm {e}}} {\ mathrm {d} \ lambda}}}jest gęstość widmowa o przepływ energii w watach na metr (m / m);
-
Φv,λ(λ){\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {v}, \ lambda} (\ lambda)} to gęstość widmowa strumienia świetlnego w lumenach na metr (lm / m);
W przypadku światła polichromatycznego strumień świetlny uzyskuje się przez całkowanie:
Φv=∫0∞Φmi,λ(λ)K(λ)reλ=Km∫0∞Φmi,λ(λ)V(λ)reλ.{\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {v}} = \ int _ {0} ^ {\ infty} \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, K (\ lambda) \ , \ mathrm {d} \ lambda = K _ {\ mathrm {m}} \ int _ {0} ^ {\ infty} \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, V ( \ lambda) \, \ mathrm {d} \ lambda.}To zdanie jest często błędnie postrzegane jako ścisła interpretacja Prawa Abneya .
W widzeniu skotopowym ( noktowizyjnym ) wyrażenia są identyczne, tylko użyta funkcja widmowej wydajności świetlnej jest inna ze względu na to, że działają tylko pręciki :
Φv,λ(λ)=Φmi,λ(λ)K'(λ)=Φmi,λ(λ)Km'V'(λ){\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {v}, \ lambda} (\ lambda) = \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, K '(\ lambda) = \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, K '_ {\ mathrm {m}} \, V' (\ lambda)},
lub
-
K'(λ){\ displaystyle K '(\ lambda)} jest funkcją skotopowej spektralnej wydajności świetlnej;
-
Km'={\ displaystyle K '_ {\ matematyka {m}} =}1700,05 lm / W to maksymalna skotopowa spektralna skuteczność świetlna, odpowiadająca częstotliwości 590 THz , tj. długości fali 507 nm w powietrzu;
-
V'(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}, jest względną skotopową widmową wydajnością świetlną, bezwymiarową.
-
Φmi,λ{\ styl wyświetlania \ Phi _ {\ matematyka {e}, \ lambda}} jest gęstością widmową strumienia energii w watach na metr (W / m);
-
Φv,λ(λ){\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {v}, \ lambda} (\ lambda)} to gęstość widmowa strumienia świetlnego w lumenach na metr (lm / m);
Poprzez integrację w widzialnej domenie strumień świetlny dla światła polichromatycznego:
Φv=∫0∞Φmi,λ(λ)K'(λ)reλ=Km'∫0∞Φmi,λ(λ)V'(λ)reλ.{\ displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {v}} = \ int _ {0} ^ {\ infty} \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, K '(\ lambda) \, \ mathrm {d} \ lambda = K '_ {\ mathrm {m}} \ int _ {0} ^ {\ infty} \ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) \, V '(\ lambda) \, \ mathrm {d} \ lambda.}
Jednostka
Jednostką strumienia świetlnego w układzie SI jest lumen , symbol lm. Nazwa lumen pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego światło . Wyraża się to w kandelach . steradian i ma wymiar J .
rzędy wielkości
Skuteczność świetlna różnych źródeł światła może się różnić w zależności od tego, czy moc jest emitowana głównie w obszarze zbliżonym do maksymalnej czułości (w przypadku świetlówki , diody elektroluminescencyjnej ) lub zasadniczo poza widocznym obszarem, a w szczególności w podczerwieni (przypadek żarówki lub żarówki halogenowej ).
- 70 W lampa halogenowa : Φ v = 1200 LM .
- Lampa oświetlenia miejskiego (sodowa wysokoprężna) 400 W : Φ v = 28 000 lm .
- Lampa projektora kinowego 2000 W (ksenonowa) : Φ v = 80 000 lm .
Świeca o natężeniu 1 cd emitująca rzekomo izotropowo (identyczna we wszystkich kierunkach) emituje strumień świetlny Φ v = 12,6 lm .
Wymierzony
Pomiar strumienia świetlnego obejmuje pomiar oświetlenia powierzchni odniesienia. Odkrycie w XIX th century efekt fotoelektryczny , pozwoliło XX th century rozwój urządzeń przenośnych, bezpośrednio podając środek natężenia oświetlenia.
Przed i od połowy XIX th wieku , zostały opracowane fotometr ilościowego oświetlenie, w porównaniu ze źródłem traktowanych jako odniesienie. Porównaliśmy wizualnie luminancję dwóch ekranów o tej samej wielkości, z których jeden jest oświetlony standardowym źródłem. Przypadek porównania wizualnego umożliwia wyeksponowanie rozumowania, bez obawy o ważenie długości fal.
Proste obliczenia
Natężenie światła i strumień świetlny
Zależność między natężeniem światła w kandelach (cd) wiązki a wywołującym ją strumieniem świetlnym , często wykorzystywana do rozwiązywania prostych problemów, to:
jav{\ styl wyświetlania I _ {\ matematyka {czas.}}}Φv{\ styl wyświetlania \ Phi _ {\ matematyka {vb}}}
Φv=jav⋅Ω{\ displaystyle \ Phi _ {\ matematyka {v}} = ja _ {\ matematyka {v}} \ cdot \ Omega},
gdzie Ω jest kątem bryłowym , w steradianach (sr), w którym skupia się strumień świetlny, przy czym uzyskane natężenie światła jest tym większe, im kąt bryłowy pędzla jest wąski. Ten wzór jest ważny tylko wtedy, gdy natężenie światła jest jednolite w całym rozważanym kącie bryłowym.
Oświetlenie i strumień świetlny
Średnie natężenie oświetlenia w (lx) powierzchni wyrażona jest jako stosunek strumienia otrzymanego przez obszar :
miv motak{\ displaystyle E _ {\ matematyka {v} \ \ matematyka {średnia}}}S{\ styl wyświetlania S}
miv motak=Φv rmivstyS{\ displaystyle E _ {\ mathrm {v} \ \ mathrm {śr}} = {\ frac {\ Phi _ {\ mathrm {v} \ \ mathrm {otrzymano}}} {S}}}.
Wyjście i strumień świetlny
Średnia świetlny exitance w lumenach na metr kwadratowy ( lm / m 2 ) o powierzchni wyrażona jest jako stosunek strumienia wysyłanego przez obszar :
Mv motak{\ styl wyświetlania M _ {\ matematyka {v} \ \ matematyka {średnia}}}S{\ styl wyświetlania S}
Mv motak=Φv mi´mjasS{\ displaystyle M _ {\ mathrm {v} \ \ mathrm {śr}} = {\ frac {\ Phi _ {\ mathrm {v} \ \ mathrm {{\ ostre {e}} mis}}} {S} } }.
Uwagi i referencje
Uwagi
-
Zwany także spektralnym przepływem energii ( Sève 2009 , s. 308).
Bibliografia
-
Terrien i Desvignes 1972 , s. 21.
-
Bass i in. 2009 , s. 37,4
-
Lumiere et Couleur , red. Techniques Ingénieur ( przeczytaj online )
-
Bass i in. 2009 , s. 37,2
-
Sok 2009 , s. 64.
-
Sok 2009 , s. 60-61.
-
www.lighting.philips.fr
-
www.osram.fr
Załączniki
Powiązane artykuły
Bibliografia
-
André Moussa i Paul Ponsonnet , „XVIII - Elementy fotometrii” , w Cours de Physique - Optique , Lyon, Desvigne,1988, s. 239-245.
-
Robert Sève , Nauka o kolorze: aspekty fizyczne i percepcyjne , Marsylia, Chalagam,2009, 374 s. ( ISBN 978-2-9519607-5-6 i 2-9519607-5-1 ).
-
Jean Terrien i François Desvignes , La photométrie , Paryż, PUF , coll. "Que-NOK-je" ( N O 1167),1972, 1 st ed. , 128 pkt. ( prezentacja online ).
-
(en) Michael Bass , Casimer DeCusatis , Jay Enoch i Vasudevan Lakshminarayanan , Podręcznik optyki, tom II: Projektowanie, wytwarzanie i testowanie, źródła i detektory, radiometria i fotometria , McGraw Hill Professional,6 października 2009, 3 e wyd. , 1264 s. ( ISBN 978-0-07-162927-0 , prezentacja online ).