Без кейворду

Частина III: Розуміння світлових вимірювань

Велика кількість плутанини у вимірюванні освітленості виникає через те, що існує декілька різних способів вимірювання освітленості. Багато термінів використовуються для вимірювання різних аспектів освітлення, і простий круїз по Інтернету проведе Вас через безліч термінів, таких як: люмен, люкс, потужність свічки, футові свічки, лампи, фото, ніт, опромінення, освітленість, індекс передачі кольору (CRI), Кельвін і щільність фотосинтетичного потоку фотонів (PPFD), серед інших. Чому існує так багато заходів для опису світла? У цій статті ми спробуємо розібратися в цій великій кількості заходів освітлення.

Існує в основному три категорії мір освітленості, заснованих на конкретному застосуванні та інтерпретації, кожна з яких має свій власний набір термінів.

1. Нагадаємо, що світло є формою випромінювання, і, отже, може бути виміряне як промениста енергія з використанням енергетичних мір. Ці одиниці вимірювання світла називаються радіометричними мірами світла.

2. Світло також використовується для освітлення з візуальною метою, отже, світло також може бути виміряне для цього застосування на основі того, як людське око сприймає світло. Вимірювання освітленості на основі візуального сприйняття називаються фотометричними вимірюваннями і є найбільш поширеними і доступними, оскільки вони використовуються у великій світлотехнічній промисловості.

3. Форма вимірювання, яка цікавить нас, як захисників рифів, – це фотосинтетично доступне випромінювання (ФАР), яке вимірює кількість фотосинтетично корисних фотонів, і було детально розглянуто в частині II.

Існує два основних способи вимірювання світла: 1) у джерелі та 2) на поверхні об’єкта, що освітлюється.

Кількість світла в джерелі називається потоком і вимірюється як “кількість” за одиницю часу. Це дуже схоже на вимірювання потоку насоса в галонах/год або літрах/хв. Ми можемо уявити джерело світла як насос, що випромінює випромінювання, і виміряти цю потужність насоса в часі. Вона являє собою загальний світловий потік від джерела за одиницю часу. Якою є ця виміряна “кількість”, залежить від того, чи інтерпретується світло за допомогою радіометричних, фотометричних або фотосинтетичних стандартів.

Світло, що випромінюється джерелом, в кінцевому підсумку падає на об’єкт, і ми можемо виміряти кількість світла, що падає на певну площу об’єкта. Ця кількість вимірюється на одиницю площі, і вимірює щільність світла на одиницю площі.

Світло випромінюється в декількох напрямках, і ми можемо або виміряти його безвідносно до напрямку, з якого воно приходить, або виміряти його в заданому напрямку. При вимірюванні світла в заданому напрямку корисно уявити світло як таке, що випромінюється з усіх напрямків у вигляді сфери. Цю сферу можна розбити на конуси, вершина яких знаходиться в центрі сфери, причому конус визначається тілесним кутом при вершині. Таким чином, світло можна виміряти як кількість потоку, що міститься в такому конусі і вимірюється на одиничний кут. Одиниця кута, що використовується, називається стерадіан (подібно до радіана в трьох вимірах). Повна сфера має 4 p стерадіанів.

Різні величини, що використовуються у світлових вимірюваннях, та їх одиниці виміру наведені в таблиці нижче, і будуть розглянуті більш детально.

Радіометричне вимірювання світла

Оскільки світло є променистою енергією, енергія вимірюється в типових одиницях енергії – джоулях (Дж).

Променистий потік, який також називають променистою потужністю, – це швидкість потоку променистої енергії. Він вимірюється в одиницях потужності, які називаються ватами, які в основному є мірою енергії за одиницю часу. 1 ват = 1 джоуль/сек.

Інтенсивність випромінювання – це потік випромінювання на одиницю тілесного кута і вимірюється у ватах/стерадіан. Сила випромінювання не залежить від відстані, оскільки вона вимірює тільки кількість променистого потоку, що міститься в конусі з кутом при вершині, що дорівнює одному стерадіану.

У міру віддалення від джерела розкид конуса збільшується, тому інтенсивність випромінювання падає на більшу поверхню. Таким чином, щільність світла, що падає на поверхню, зменшується зі збільшенням площі (за законом оберненого квадрата для точкового джерела), навіть коли кут при вершині конуса не змінюється. Це вимірюється як яскравість. Сяйво – це щільність променистого потоку на одиницю тілесного кута і вимірюється у ватах/м2 /стерадіан.

Якщо ми не дбаємо про напрямок світла і хочемо виміряти світло, що падає на джерело з усіх боків, то ми вимірюємо це як випромінювання. Освітленість, також відома як щільність потоку випромінювання, – це потік випромінювання на одиницю площі в точці на поверхні. Отже, його одиниці виражаються у ватах/м2 або джоулях/сек/м2. Позначається як Е.

Спектральне опромінення – це опромінення на одиницю інтервалу довжини хвилі при довжині хвилі λ . Вона позначається як E _λ а його одиниці виражаються у ват/м2 /нм. Нагадаємо, що графік спектрального розподілу потужності, який обговорювався в частині II, будується з використанням спектральних значень опромінення.

Теплометричні вимірювання орієнтовані на те, як людське око сприймає світло. Чутливість людського ока різна для різних довжин хвиль. Наприкінці 1920-х років Міжнародна комісія з освітлення (МКО) на основі експериментів на людях встановила, як людське око реагує на світло з різною довжиною хвилі. Людське око більш чутливе до світла з довжиною хвилі 555 нм (зелений колір) і менш чутливе до синього та червоного кольорів. Ця характеристика людського зору визначила стандартну криву реакції спостерігача, відому як функція світлової ефективності, щоб показати, як людське око реагує на світло з різною довжиною хвилі. Відповідно до цього стандарту, детектори в оці по-різному реагують на різні ділянки спектра, і реакція масштабується по відношенню до пікових значень.

Зміну спектральної реакції ока можна пояснити наявністю в сітківці двох типів рецепторів – паличок і колбочок. Колбочки активні при високих рівнях освітленості і найбільш щільно розташовані в центральній частині поля зору. Спектральна характеристика колбочок відповідає кривій фотографічної чутливості. Палички відповідають за зір людини при низькій освітленості і переважають в периферичному полі зору, далеко від нашої прямої лінії зору. При зниженні рівня освітлення колбочки стають менш активними, а палички стають активними зі встановленою спектральною чутливістю, поступово перемикаючись у бік кривої скотопічної реакції. Пік спектральної чутливості для фотопічного зору припадає на 555 нм, а для скотопічного – на 507 нм. Звідси цілком зрозуміло, що людське око вважає світло з довжиною хвилі 555 нм найяскравішим, а синій і червоний кольори мають тенденцію бути менш яскравими. Функції світлової віддачі показані на рисунку 1.

Рисунок 1. Функції світлової віддачі.

Всі фотометричні вимірювання світла оцінюють світло з точки зору цієї стандартної візуальної реакції, що описується функцією світлової ефективності, і, отже, всі вони є зваженими мірами. Не всі довжини хвиль розглядаються однаково. Довжині хвилі 555 нм присвоєно вагу 1, а інші масштабуються відповідно до цієї функції. Відповідно до цієї функції, світлу з довжиною хвилі 450 нм надається вага 0,038. Це пояснює, чому джерело світла з великою кількістю випромінювання в “синій” області буде мати низький показник при використанні фотометричних одиниць.

Величини, що використовуються для фотометричних вимірювань, відповідають тим, що використовуються для радіометричних вимірювань, з тією основною відмінністю, що вимірювання оцінюються по відношенню до реакції людського ока.

Світловий потік – це кількість випромінювання, що надходить від джерела за одиницю часу, оцінена з точки зору стандартної зорової реакції. Одиниця виміру: люмен (лм). Ви побачите, що більшість даних від освітлювальних компаній відносяться до світлового потоку в люменах. Подумайте про це як про кількість світла, виробленого лампою, яке сприймається людським оком.

Сила світла – це світловий потік на одиницю тілесного кута в заданому напрямку. Одиниця виміру: кандела (кд). Одна кандела дорівнює 1 люмен/стерадіан.

Освітленість – світловий потік, що припадає на одиницю площі. Вимірюється в люксах (люмен/м2) або футсвечах (люмен/фут2). Світло, що виходить від лампи, використовується для освітлення об’єктів, і кількість світла (вимірюється в люменах), що падає на певну площу об’єкта, зазвичай один квадратний метр, називається люксом. Коли ми вимірюємо цю ж площу в квадратних футах, одиницею виміру є футові свічки. Ці одиниці часто використовуються у фотографії, де нас цікавить, скільки світла падає на об’єкт зйомки.

Перетворення з радіометричних одиниць у фотометричні

Наступний метод використовується для перетворення між фотометричними та радіометричними одиницями. Як визначено, 1 ват = 683 люмена при 555 нм (пік фотоефекту), і він масштабується для інших довжин хвиль на основі функції світлової ефективності V (λ), показаної на рисунку 1.

Для визначення значень люксів лампи, спектральне випромінювання на кожній довжині хвилі (взяте зі спектрального розподілу потужності) в спектральному діапазоні (380-780 нм) множиться на функцію світлової віддачі на еквівалентних довжинах хвиль. Потім всі ці перемножені значення підсумовуються і множаться на 683, щоб знайти загальну світлову віддачу в люксах. Як бачите, перетворення вимагає знання спектрального розподілу потужності і без нього не обійтися.

Досі ми мали справу з метричними одиницями. Для переходу в англійські одиниці, або в інші системи вимірювання, необхідно зробити відповідні перетворення. Ці перетворені одиниці часто отримують різні назви (тим самим вносячи додаткову плутанину)! Як приклад можна розглянути різні терміни та одиниці, що використовуються для вимірювання яскравості.

ЯСКРАВІСТЬ: 1 лм/м 2 /ср (люмен на квадратний метр за стерадіан) = 1 кандела/м 2 (кд/м 2 ) = 1 ніт = 1 0-4 стилб (sb) (або 1 кандела/см 2 ) = 9,290 х 1 0-2 кд/фут 2 = π апостильб (asb) = π х 1 0-4 лямбр (L) = 2,919 х 1 0-1 фут-ламбр (fL)

Одиниці для вимірювання фотосинтезу

При утриманні коралів і рослин нас повинно турбувати світло не так, як його бачить людина, а так, як його бачать рослини і корали. Для цілей фотосинтезу світло називається фотосинтетично доступним випромінюванням (ФАР). Діапазон цього випромінювання ідентичний тому, що людина може бачити в діапазоні 400-700 нм, але в цьому вимірі кожен фотон розглядається однаково (на відміну від фотометричного виміру, який зважує фотони відповідно до того, як їх бачить людське око).

Причиною вираження ЧПС у кількості фотонів замість одиниць енергії є те, що реакція фотосинтезу відбувається, коли рослина поглинає фотон, незалежно від довжини хвилі фотона (за умови, що вона лежить в діапазоні між 400 і 700 нм). Тобто, якщо рослина поглинає певну кількість синіх фотонів, то кількість фотосинтезу, що відбувається, точно така ж, як і при поглинанні такої ж кількості червоних фотонів. Зауважте, однак, що рослина або корал можуть мати реакцію поглинання, яка переважно поглинає більше фотонів певних довжин хвиль (докладніше про це пізніше).

Нагадаємо з частини II, що ФАР вимірюється в ППФД, які є Ейнштейнами/м 2 /с або мкмоль/м 2 /с. Один Ейнштейн = 1 моль фотонів = 6,022×10 23 фотонів, отже, 1 мкЕйнштейн = 6,022×10 17 фотонів.

Перехід від радіометричних одиниць до PPFD

Якщо ми знаємо спектральну освітленість на будь-якій заданій довжині хвилі (ми можемо отримати її зі спектрального розподілу потужності), то ми можемо визначити ППФД для даної довжини хвилі, помноживши спектральну освітленість (ват/м 2 ) на коефіцієнт перерахунку ват в Ейнштейна для кожної довжини хвилі (згадайте з частини I, як перевести енергію на заданій довжині хвилі в кількість фотонів). Щоб обчислити загальну ППФД в діапазоні 400-700 нм, обчисліть ППФД для кожної довжини хвилі і підсумуйте в діапазоні 400-700 нм.

Існує три основні форми вимірювання освітленості – радіометрична, фотометрична та фотосинтетична – і вони можуть бути виміряні на джерелі або на об’єкті, на який падає світло. Фотометричні вимірювання є похідними від радіометричних вимірювань шляхом врахування реакції людського ока, і не розглядають все випромінювання однаково. Фотосинтетичні вимірювання, з іншого боку, ставляться до всього випромінювання однаково. Відправною точкою для всіх цих заходів є спектральний розподіл потужності, з якого можуть бути отримані всі інші одиниці. Перехід від одного набору одиниць до інших просто неможливий, якщо не відомий розподіл спектральної потужності.

На додаток до цих заходів освітлення, для опису світла використовуються додаткові заходи, такі як індекс передачі кольору (CRI) і корельована колірна температура (CCT). Вони будуть розглянуті в наступній частині цієї серії.

Source: reefkeeping.com

• Кращі роботи Roomba на 2021 рік
• Полум’яна риба-ангел (Centropyge loriculus) з яскравими помаранчевими язиками полум’я | Морське хобі