ปริมาณแสง: ฟลักซ์ส่องสว่าง, ความเข้มของแสง, ความส่องสว่าง, ความสว่าง, ความสว่าง

1. ฟลักซ์แสง

ฟลักซ์การส่องสว่าง — พลังของพลังงานการแผ่รังสี ซึ่งพิจารณาจากความรู้สึกของแสงที่เกิดขึ้น พลังงานการแผ่รังสีถูกกำหนดโดยจำนวนของควอนตัมที่ปล่อยออกมาจากอิมิตเตอร์ในอวกาศ พลังงานการแผ่รังสี (พลังงานการแผ่รังสี) วัดเป็นจูล ปริมาณของพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลาเรียกว่าฟลักซ์การแผ่รังสีหรือฟลักซ์การแผ่รังสี ฟลักซ์การแผ่รังสีวัดเป็นวัตต์ ฟลักซ์ส่องสว่างแสดงโดย Fe

โดยที่: Qе — พลังงานรังสี

ฟลักซ์การแผ่รังสีมีลักษณะเฉพาะด้วยการกระจายพลังงานในเวลาและพื้นที่

ในกรณีส่วนใหญ่ เมื่อพวกเขาพูดถึงการกระจายของฟลักซ์การแผ่รังสีเมื่อเวลาผ่านไป พวกเขาไม่ได้คำนึงถึงลักษณะควอนตัมของการปรากฏตัวของการแผ่รังสี แต่เข้าใจว่ามันเป็นฟังก์ชันที่ให้การเปลี่ยนแปลงตามเวลาของค่าทันที ของฟลักซ์การแผ่รังสี Ф (t) สิ่งนี้ยอมรับได้เนื่องจากจำนวนโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดต่อหน่วยเวลานั้นสูงมาก

ตามการกระจายสเปกตรัมของฟลักซ์การแผ่รังสี แหล่งกำเนิดจะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภท: สเปกตรัมแบบเส้น แบบแถบ และแบบต่อเนื่อง ฟลักซ์การแผ่รังสีของแหล่งกำเนิดที่มีสเปกตรัมเชิงเส้นประกอบด้วยฟลักซ์สีเดียวจากแต่ละเส้น:

ที่ไหน: Фλ - ฟลักซ์การแผ่รังสีเอกรงค์; Fe — ฟลักซ์การแผ่รังสี

สำหรับแหล่งกำเนิดแถบสเปกตรัม การปล่อยเกิดขึ้นในบริเวณแถบสเปกตรัมที่ค่อนข้างกว้าง—แถบที่แยกออกจากกันด้วยช่องว่างมืด ในการระบุลักษณะการกระจายสเปกตรัมของฟลักซ์การแผ่รังสีด้วยสเปกตรัมแบบต่อเนื่องและแบบแถบ จะใช้ปริมาณที่เรียกว่าความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีสเปกตรัม

โดยที่: λ คือความยาวคลื่น

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีสเปกตรัมเป็นลักษณะเฉพาะของการกระจายของฟลักซ์การแผ่รังสีเหนือสเปกตรัม และเท่ากับอัตราส่วนของฟลักซ์มูลฐาน ΔFeλ ซึ่งสอดคล้องกับส่วนที่น้อยที่สุดกับความกว้างของส่วนนี้:

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีสเปกตรัมวัดเป็นวัตต์ต่อนาโนเมตร

ในด้านวิศวกรรมแสงสว่าง ซึ่งดวงตาของมนุษย์เป็นตัวรับรังสีหลัก แนวคิดของฟลักซ์การส่องสว่างถูกนำมาใช้เพื่อประเมินผลการทำงานที่มีประสิทธิภาพของฟลักซ์การแผ่รังสี ฟลักซ์การส่องสว่างคือฟลักซ์การแผ่รังสีที่ประเมินจากผลกระทบที่มีต่อดวงตา ซึ่งความไวของสเปกตรัมสัมพัทธ์นั้นถูกกำหนดโดยเส้นโค้งประสิทธิภาพสเปกตรัมเฉลี่ยที่ได้รับการอนุมัติโดย CIE

คำจำกัดความของฟลักซ์การส่องสว่างต่อไปนี้ยังใช้ในเทคโนโลยีการส่องสว่าง: ฟลักซ์การส่องสว่างคือพลังของพลังงานแสง หน่วยของฟลักซ์ส่องสว่างคือลูเมน (lm) 1 ลูเมน สอดคล้องกับฟลักซ์การส่องสว่างที่ปล่อยออกมาในมุมทึบเดียวโดยแหล่งกำเนิดแบบจุดไอโซทรอปิกที่มีความเข้มการส่องสว่าง 1 แคนเดลา

ตารางที่ 1.ค่าการส่องสว่างโดยทั่วไปของแหล่งกำเนิดแสง:

ประเภทของหลอดไฟ พลังงานไฟฟ้า, W ฟลักซ์ส่องสว่าง, lm ประสิทธิภาพการส่องสว่าง lm / w หลอดไส้ 100 วัตต์ 1360 ลูเมน 13.6 ลูเมน / วัตต์ หลอดฟลูออเรสเซนต์ 58 วัตต์ 5400 ลูเมน 93 ลูเมน / วัตต์ หลอดโซเดียมความดันสูง 100 วัตต์ 10,000 ลูเมน 100 ลูเมน / วัตต์ ต่ำ หลอดโซเดียมความดัน 180 วัตต์ 33000 ลูเมน 183 ลูเมน / วัตต์ หลอดปรอทความดันสูง 1000 วัตต์ 58000 ลูเมน 58 ลูเมน / วัตต์ หลอดเมทัลฮาไลด์ 2000 วัตต์ 190,000 ลูเมน 95 ลูเมน / วัตต์ ฟลักซ์การส่องสว่าง Ф ที่ตกลงบนร่างกายจะกระจายอยู่ในองค์ประกอบสามส่วน: แบบสะท้อน โดยร่างกาย Фρ ดูดซึมโดย Фα และ Фτ ที่พลาด... ที่ การคำนวณแสง ปัจจัยการใช้ประโยชน์: การสะท้อน ρ = Fρ/ F; การดูดซึม α= Fα/ F; การส่งผ่าน τ= Fτ/ Ф

ตารางที่ 2 ลักษณะแสงของวัสดุและพื้นผิวบางชนิด

วัสดุหรือพื้นผิว ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนและการส่งผ่านพฤติกรรมการสะท้อน ρ การดูดกลืน α การส่งผ่าน τ ชอล์ค 0.85 0.15 — ดิฟฟิวส์ซิลิเกตอีนาเมล 0.8 0.2 — กระจกอลูมิเนียมกระจายแสง 0.85 0.15 — กระจกปลายแหลม 0.8 0 ,2 — กระจกฝ้าโดยตรง 0,1 0,5 0,4 กระจายทิศทาง แก้วนมชีวภาพ 0,22 0,15 0,63 กระจายทิศทาง แก้วโอปอลซิลิเกต 0,3 0,1 0,6 กระจายแก้วนมซิลิเกต 0, 45 0.15 0.4 กระจาย

2. ความเข้มของแสง

การกระจายของรังสีจากแหล่งกำเนิดจริงในพื้นที่โดยรอบไม่สม่ำเสมอดังนั้นฟลักซ์การส่องสว่างจะไม่เป็นลักษณะเฉพาะของแหล่งกำเนิดหากไม่ได้กำหนดการกระจายรังสีในทิศทางต่างๆ ของพื้นที่โดยรอบพร้อมกัน

ในการระบุลักษณะการกระจายของฟลักซ์แสง จะใช้แนวคิดของความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของฟลักซ์แสงในทิศทางต่างๆ ของพื้นที่โดยรอบ ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของฟลักซ์การส่องสว่างซึ่งกำหนดโดยอัตราส่วนของฟลักซ์การส่องสว่างต่อมุมทึบกับจุดยอด ณ จุดที่แหล่งกำเนิดตั้งอยู่ ซึ่งภายในซึ่งฟลักซ์นี้กระจายอย่างสม่ำเสมอ เรียกว่า ความเข้มการส่องสว่าง:

ที่ไหน: Ф - ฟลักซ์ส่องสว่าง; ω — มุมทึบ

หน่วยวัดความเข้มของแสงคือแคนเดลา 1 ซีดี

นี่คือความเข้มของการส่องสว่างที่ปล่อยออกมาในแนวตั้งฉากโดยองค์ประกอบพื้นผิวของวัตถุสีดำในพื้นที่ 1:600,000 ตร.ม. ที่อุณหภูมิการแข็งตัวของแพลทินัม
หน่วยของความเข้มแสงคือแคนเดลา cd เป็นหนึ่งในปริมาณหลักในระบบ SI และสอดคล้องกับฟลักซ์ส่องสว่าง 1 ลูเมนที่กระจายอย่างสม่ำเสมอในมุมทึบ 1 สเตอเรเดียน (เปรียบเทียบ) มุมทึบคือส่วนของพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยพื้นผิวทรงกรวย มุมทึบ ω วัดโดยอัตราส่วนของพื้นที่ที่ตัดออกจากทรงกลมที่มีรัศมีตามอำเภอใจไปยังกำลังสองของมุมหลัง

3. แสงสว่าง

การส่องสว่างคือปริมาณของแสงหรือฟลักซ์ส่องสว่างที่ตกลงบนพื้นผิวหน่วย มันเขียนแทนด้วยตัวอักษร E และมีหน่วยวัดเป็นลักซ์ (lx)

หน่วยของความสว่าง lux, lx มีหน่วยวัดเป็นลูเมนต่อตารางเมตร (lm/m2)

การส่องสว่างสามารถกำหนดได้ว่าเป็นความหนาแน่นของฟลักซ์แสงบนพื้นผิวที่ส่องสว่าง:

การส่องสว่างไม่ได้ขึ้นอยู่กับทิศทางการแพร่กระจายของฟลักซ์แสงไปยังพื้นผิว

ต่อไปนี้เป็นตัวบ่งชี้ความสว่างที่ยอมรับกันโดยทั่วไป:

• ฤดูร้อน หนึ่งวันภายใต้ท้องฟ้าไร้เมฆ — 100,000 ลักซ์

• ไฟถนน — 5-30 ลักซ์

• พระจันทร์เต็มดวงในคืนที่อากาศแจ่มใส — 0.25 ลักซ์

4. ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของแสง (I) และความส่องสว่าง (E)

กฎกำลังสองผกผัน

การส่องสว่าง ณ จุดหนึ่งบนพื้นผิว ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของแสง ถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของความเข้มแสงต่อกำลังสองของระยะทางจากจุดนี้ไปยังแหล่งกำเนิดแสง หากเราใช้ระยะทางนี้เป็น d อัตราส่วนนี้สามารถแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้:

ตัวอย่างเช่น: หากแหล่งกำเนิดแสงปล่อยแสงที่มีกำลัง 1200 cd ในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวที่ระยะ 3 เมตรจากพื้นผิวนี้ การส่องสว่าง (Ep) ณ จุดที่แสงส่องถึงพื้นผิวจะเป็น 1200 /32 = 133 ลักซ์ หากพื้นผิวอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดแสง 6 เมตร การส่องสว่างจะเท่ากับ 1200/62 = 33 ลักซ์ ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎกำลังสองผกผัน

การส่องสว่าง ณ จุดหนึ่งบนพื้นผิวที่ไม่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของแสงจะเท่ากับความเข้มของแสงในทิศทางของจุดวัดหารด้วยกำลังสองของระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดแสงกับจุดในระนาบคูณด้วย โคไซน์ของมุม γ (γ คือมุมที่เกิดจากทิศทางของแสงตกกระทบและตั้งฉากกับระนาบนี้)

ดังนั้น:

นี่คือกฎของโคไซน์ (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. กฎของโคไซน์

5. แสงแนวนอน

ในการคำนวณการส่องสว่างในแนวนอน ขอแนะนำให้แก้ไขสูตรสุดท้ายโดยแทนที่ระยะห่าง d ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงและจุดวัดด้วยความสูง h จากแหล่งกำเนิดแสงถึงพื้นผิว

รูปที่ 2:

แล้ว:

เราได้รับ:

สูตรนี้คำนวณการส่องสว่างในแนวนอนที่จุดวัด

ข้าว. 2. แสงแนวนอน

6. แสงแนวตั้ง

การส่องสว่างของจุด P เดียวกันในระนาบแนวตั้งที่หันไปทางแหล่งกำเนิดแสงสามารถแสดงเป็นฟังก์ชันของความสูง (h) ของแหล่งกำเนิดแสงและมุมตกกระทบ (γ) ของความเข้มแสง (I) (รูปที่ 3 ) .

เราได้รับ:

ข้าว. 3. แสงแนวตั้ง

7. แสงสว่าง

ในการระบุลักษณะของพื้นผิวที่เรืองแสงเนื่องจากฟลักซ์แสงผ่านหรือสะท้อนจากพื้นผิวนั้น จะใช้อัตราส่วนของฟลักซ์แสงที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบพื้นผิวต่อพื้นที่ขององค์ประกอบนี้ ปริมาณนี้เรียกว่าความส่องสว่าง:

สำหรับพื้นผิวที่มีขนาดจำกัด:

ความส่องสว่างคือความหนาแน่นของฟลักซ์แสงที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวแสง หน่วยของการส่องสว่างคือลูเมนต่อตารางเมตรของพื้นผิวแสงซึ่งสอดคล้องกับพื้นที่ 1 ตร.ม. ที่ปล่อยฟลักซ์ส่องสว่าง 1 ลูเมนอย่างสม่ำเสมอ ในกรณีของการแผ่รังสีทั้งหมด แนวคิดของความส่องสว่างพลังงานของวัตถุที่แผ่รังสี (Me) จะถูกนำมาใช้

หน่วยของแสงที่เปล่งออกมาคือ W/m2

ความสว่างในกรณีนี้สามารถแสดงได้ด้วยความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงานของตัวเปล่งแสง Meλ (λ)

สำหรับการประเมินเปรียบเทียบ เรานำความสว่างของพลังงานมารวมเข้ากับความส่องสว่างของพื้นผิวบางส่วน:

• พื้นผิวสุริยะ — Me = 6 • 107 W / m2;

• ไส้หลอด — Me = 2 • 105 W / m2;

• พื้นผิวของดวงอาทิตย์ที่จุดสูงสุด — M = 3.1 • 109 lm / m2;

• หลอดฟลูออเรสเซนต์ — M = 22 • 103 ลูเมน/ตร.ม.

8. ความสว่าง

ความสว่าง ความสว่างของแสงที่ปล่อยออกมาจากหน่วยของพื้นผิวในทิศทางหนึ่งๆ หน่วยวัดความสว่างคือแคนเดลาต่อตารางเมตร (cd / m2)

พื้นผิวสามารถเปล่งแสงได้คล้ายกับพื้นผิวของโคมไฟ หรือสะท้อนแสงที่มาจากแหล่งอื่น เช่น พื้นผิวถนน

พื้นผิวที่มีคุณสมบัติสะท้อนแสงต่างกันภายใต้แสงเดียวกันจะมีระดับความสว่างต่างกัน

ความสว่างที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิว dA ที่มุม Φ สัมพัทธ์กับการฉายของพื้นผิวนี้จะเท่ากับอัตราส่วนของความเข้มของแสงที่เปล่งออกมาในทิศทางที่กำหนดต่อการฉายของพื้นผิวที่เปล่งแสง (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. ความสว่าง

ความเข้มของแสงและการฉายของพื้นผิวเปล่งแสงนั้นไม่ขึ้นกับระยะทาง ดังนั้นความสว่างจึงไม่ขึ้นกับระยะทางด้วย

ตัวอย่างการปฏิบัติ:

• ความสว่างของพื้นผิวดวงอาทิตย์ — 2,000,000,000 cd / m2

• ความสว่างของหลอดฟลูออเรสเซนต์ — จาก 5,000 ถึง 15,000 cd / m2

• ความสว่างพื้นผิวของพระจันทร์เต็มดวง — 2,500 cd / m2

• ไฟถนนประดิษฐ์ — 30 ลักซ์ 2 cd / m2