Fotometria – podstawy

Klasa dokładności wg CIE i DIN 5032-7.

Maksymalne wartości podstawowych błędów dla luksomierzy w zależności od klasy dokładności przedstawiono w poniższej tabelce:

Klasy luksomierzy

Promieniowanie optyczne to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal położonych między 1nm a 1mm.

Promieniowanie widzialne (światło), to część promieniowania optycznego, która jest odbierana i oceniana (przez dowolny układ) w sposób identyczny jak przez oko ludzkie. Zakres widmowy promieniowania widzialnego nie jest jednoznacznie określony i zależy od wartości energetycznej strumienia docierającego do oka oraz od indywidualnej czułości obserwatora. Ogólnie przyjmuje się dolną granicę przedziału pomiędzy 360 i 400 nm, a górną pomiędzy 760 i 830 nm.

Φe Strumień energetyczny (strumień promienisty) moc wysyłana, przenoszona lub przyjmowana w postaci promieniowania.
Jednostką strumienia energetycznego jest wat [W].

Φ Strumień świetlny wielkość wyprowadzana ze strumienia energetycznego przez ocenę działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE (określenie obserwatora normalnego – dalej w tekście).
W warunkach widzenia fotopowego (dziennego – przy którym postrzegane są wrażenia barwne) strumień świetlny można opisać następującym wzorem:

Φ = Km ∫0∞ (dΦe(λ)/dλ)·V(λ) dλ

Jednostką strumienia świetlnego jest lumen [lm].

I Światłość:  stosunek strumienia świetlnego dΦ, wysyłanego przez źródło promieniowania w elementarnym kącie przestrzennym dΩ, obejmującym dany kierunek, do wartości tego elementarnego kąta przestrzennego:
 
I = dΦ / dΩ
Jednostką światłości jest kandela [cd].

L Luminancja: to iloraz strumienia świetlnego przenikającego w danym kierunku daną powierzchnię i iloczynu rzutu tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do kierunku promieniowania i objętego promieniowaniem kąta bryłowego:

L = dΦ / ( dA · cosθ · dΩ)

gdzie:

  • Φ – strumień świetlny
  • θ – kąt zawarty między normalną do powierzchni A, a kierunkiem rozchodzenia się wiązki promieniowania.
  • Ω – kąt przestrzenny obejmujący wiązkę promieniowania.

Jeżeli powierzchnia dA jest źródłem promieniowania o światłości I, wówczas wzorem równoważnym jest:

L = dI / ( dA · cosθ )

Jeżeli na powierzchnię dA pada wiązka światła wywołując na niej natężenie oświetlenia E, wówczas wzorem równoważnym jest:

L = dE / ( dΩ · cosθ )
Wzór ten jest stosowany, gdy trudno jest określić powierzchnię źródła promieniowania (np. nieboskłon, plazma wyładowania).

Jednostką luminancji jest kandela na metr kwadratowy [cd·m–2].

E Natężenie oświetlenia: stosunek strumienia świetlnego dΦ, padającego na elementarną powierzchnię dA, do wartości tej powierzchni:

E = dΦ/ dA

Jednostką natężenia oświetlenia jest luks [lx].

Obserwator fotometryczny normalny CIE: idealny obserwator, którego krzywa względnej czułości widmowej jest zgodna z funkcją V(λ) w warunkach widzenia fotopowego (dziennego – przy którym postrzegane są wrażenia barwne) i funkcją V’(λ) w warunkach widzenia skotopowego (zmierzchowego).

Przyjmuje się, że światło odbierane jest przez oko tylko poprzez aparat widzenia dziennego przy poziomach luminancji wyższych od kilku cd/m2, natomiast z widzeniem skotopowym mamy do czynienia przy poziomach luminancji mniejszych od kilku setnych cd/m2. Pomiędzy „czystym” widzeniem fotopowym a skotopowym rozróżnia się zakres widzenia mezopowego (mieszanego), który nie ma zastosowania metrologicznego.

Fizjologia oka

Pobudzenie siatkówki oka jest wprost proporcjonalne do natężenia oświetlenia E na jej powierzchni. Natężenie to można przedstawić (przy pominięciu różnych strat) jako:

E = L· Ω

gdzie:

  • L – luminancja obserwowanego przedmiotu,
  • Ω – kąt bryłowy zależny od średnicy źrenicy oka i odległości między soczewką a siatkówką.

Z powyższego wynika, że pobudzenie siatkówki oka jest wprost proporcjonalne do luminancji powierzchni świecącej.Luminancja jest więc właściwą miarą wrażenia jaskrawości.

W przypadku stanowisk pracy z powierzchniami emitującymi strumień świetlny, np. stanowiska komputerowe, jedynie miernikiem luminancji można właściwie określić warunki świetlne w jakich znajduje się człowiek.

INFORMACJE DODATKOWE
Wiele ciekawych informacji można znaleźć także w publikacjach Centralnego Instytutu Ochrony Pracy (CIOP). Opisano w nich w przystępny sposób nie tylko definicje wielkości używanych w fotometrii, ale także zasady dokonywania pomiarów oraz dobór źródeł światła i sposób ich rozmieszczenia dla różnych zastosowań.
Godne polecenia są m.in. dwie publikacje CIOP-u:

  1. „Oświetlenie ogólne i miejscowe stanowisk pracy” autorstwa A. Pawlaka i A. Wolskiej
  2. „Oświetlenie pomieszczeń i stanowisk pracy” tych samych autorów.
  3.  

CIOP organizuje również kursy i szkolenia z zakresu fotometrii i pomiarów hałasu, przeznaczone głównie dla służb BHP.