Kuantitas pencahayaan: fluks bercahaya, intensitas cahaya, iluminasi, kecerahan, kecerahan

1. Fluks cahaya

Fluks bercahaya — kekuatan energi pancaran, seperti yang dinilai dari sensasi cahaya yang dihasilkannya. Energi radiasi ditentukan oleh jumlah kuanta yang dipancarkan oleh emitor ke luar angkasa. Energi radiasi (radiant energy) diukur dalam joule. Jumlah energi yang dipancarkan per satuan waktu disebut fluks radiasi atau fluks radiasi. Fluks radiasi diukur dalam watt. Fluks bercahaya dilambangkan dengan Fe.

dimana: Qе — energi radiasi.

Fluks radiasi dicirikan oleh distribusi energi dalam ruang dan waktu.

Dalam kebanyakan kasus, ketika mereka berbicara tentang distribusi fluks radiasi dari waktu ke waktu, mereka tidak memperhitungkan sifat kuantum dari kemunculan radiasi, tetapi memahaminya sebagai fungsi yang memberikan perubahan nilai sesaat dalam waktu. fluks radiasi Ф (t). Hal ini dapat diterima karena jumlah foton yang dipancarkan sumber per satuan waktu sangat besar.

Menurut distribusi spektral fluks radiasi, sumber dibagi menjadi tiga kelas: dengan spektrum linier, bergaris, dan kontinu. Fluks radiasi sumber dengan spektrum linier terdiri dari fluks monokromatik dari garis individu:

dimana: Фλ — fluks radiasi monokromatik; Fe - fluks radiasi.

Untuk sumber band-spektrum, emisi terjadi di wilayah spektral yang cukup luas—pita-pita yang dipisahkan satu sama lain oleh celah gelap. Untuk mengkarakterisasi distribusi spektral fluks radiasi dengan spektrum kontinu dan pita, digunakan besaran yang disebut kerapatan fluks radiasi spektral.

di mana: λ adalah panjang gelombang.

Kepadatan fluks radiasi spektral adalah karakteristik distribusi fluks radiasi pada spektrum dan sama dengan rasio fluks elementer ΔFeλ yang sesuai dengan bagian yang sangat kecil dengan lebar bagian ini:

Kerapatan fluks radiasi spektral diukur dalam watt per nanometer.

Dalam teknik pencahayaan, di mana mata manusia adalah penerima utama radiasi, konsep fluks bercahaya diperkenalkan untuk mengevaluasi tindakan efektif fluks radiasi. Fluks bercahaya adalah fluks radiasi yang diperkirakan dari efeknya pada mata, sensitivitas spektral relatifnya ditentukan oleh kurva efisiensi spektral rata-rata yang disetujui oleh CIE.

Definisi fluks bercahaya berikut juga digunakan dalam teknologi pencahayaan: fluks bercahaya adalah kekuatan energi cahaya. Satuan fluks bercahaya adalah lumen (lm). 1 lm sesuai dengan fluks bercahaya yang dipancarkan pada satu sudut padat oleh sumber titik isotropik dengan intensitas cahaya 1 candela.

Tabel 1.Nilai bercahaya khas dari sumber cahaya:

Jenis lampu Energi listrik, W Fluks cahaya, lm Efisiensi cahaya lm / w Lampu pijar 100 watt 1360 lm 13,6 lm / W Lampu neon 58 watt 5400 lm 93 lm / W Lampu natrium tekanan tinggi 100 watt 10000 lm 100 lm / W Rendah lampu natrium tekanan 180 watt 33000 lm 183 lm / W Lampu merkuri tekanan tinggi 1000 watt 58000 lm 58 lm / W Lampu metal halide 2000 watt 190 000 lm 95 lm / W Fluks bercahaya Ф yang jatuh pada tubuh didistribusikan dalam tiga komponen: dipantulkan oleh tubuh Фρdiserap oleh Фα dan yang terlewatkan Фτ... At perhitungan pencahayaan faktor pemanfaatan: refleksi ρ = ​​Fρ/ F; penyerapan α= Fα/ F; transmisi τ= Fτ/ Ф.

Tabel 2. Karakteristik cahaya dari beberapa material dan permukaan

Bahan atau permukaan Koefisien Refleksi dan perilaku transmisi refleksi ρ penyerapan α transmisi τ kapur 0.85 0.15 — Diffuse Silikat enamel 0.8 0.2 — Diffuse Aluminium mirror 0.85 0.15 — Pointed Glass mirror 0.8 0 ,2 — Directed Frosted glass 0,1 0,5 0,4 Bio milk glass difus diarahkan 0,22 0,15 0,63 Diffuse diarahkan Opal silicate glass 0,3 0,1 0,6 Diffuse Milk silicate glass 0, 45 0,15 0,4 Diffuse

2. Intensitas cahaya

Distribusi radiasi dari sumber nyata di ruang sekitarnya tidak seragam.Oleh karena itu, fluks bercahaya tidak akan menjadi karakteristik sumber yang lengkap jika distribusi radiasi ke arah yang berbeda dari ruang sekitarnya tidak ditentukan secara bersamaan.

Untuk mengkarakterisasi distribusi fluks cahaya, konsep kerapatan spasial fluks cahaya dalam berbagai arah ruang sekitarnya digunakan. Kepadatan spasial fluks bercahaya, yang ditentukan oleh rasio fluks bercahaya ke sudut padat dengan puncak pada titik di mana sumber berada, di mana fluks ini didistribusikan secara merata, disebut intensitas cahaya:

dimana: Ф - fluks bercahaya; ω — sudut padat.

Satuan intensitas cahaya adalah candela. 1 cd.

Ini adalah intensitas cahaya yang dipancarkan secara tegak lurus oleh elemen permukaan benda hitam seluas 1:600.000 m2 pada suhu pemadatan platina.
Satuan intensitas cahaya adalah candela, cd adalah salah satu besaran utama dalam sistem SI dan sesuai dengan fluks cahaya 1 lm yang terdistribusi secara merata dalam sudut padat 1 steradian (lih.). Sudut padat adalah bagian dari ruang tertutup dalam permukaan berbentuk kerucut. Sudut padat ω diukur dengan rasio luas yang dipotong dari bola dengan jari-jari sewenang-wenang dengan kuadrat yang terakhir.

3. Pencahayaan

Iluminasi adalah jumlah cahaya atau fluks bercahaya yang jatuh pada permukaan unit. Itu dilambangkan dengan huruf E dan diukur dalam lux (lx).

Satuan pencahayaan lux, lx, diukur dalam lumen per meter persegi (lm/m2).

Iluminasi dapat didefinisikan sebagai kerapatan fluks cahaya pada permukaan yang diterangi:

Penerangan tidak tergantung pada arah rambat fluks cahaya ke permukaan.

Berikut adalah beberapa indikator pencahayaan yang diterima secara umum:

• Musim panas, sehari di bawah langit tak berawan — 100.000 lux

• Penerangan jalan — 5-30 lux

• Bulan purnama pada malam yang cerah — 0,25 lux

4. Hubungan antara intensitas cahaya (I) dan iluminasi (E).

Hukum kuadrat terbalik

Penerangan pada titik tertentu di permukaan, tegak lurus terhadap arah perambatan cahaya, didefinisikan sebagai rasio intensitas cahaya dengan kuadrat jarak dari titik ini ke sumber cahaya. Jika kita mengambil jarak ini sebagai d, maka rasio ini dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

Misalnya: jika suatu sumber cahaya memancarkan cahaya dengan daya 1200 cd ke arah tegak lurus permukaan pada jarak 3 meter dari permukaan ini, maka iluminasi (Ep) pada titik di mana cahaya mencapai permukaan akan menjadi 1200 /32 = 133 lux. Jika permukaan berada pada jarak 6 m dari sumber cahaya, iluminasi akan menjadi 1200/62 = 33 lux. Hubungan ini disebut hukum kuadrat terbalik.

Penerangan pada titik tertentu pada permukaan yang tidak tegak lurus dengan arah rambat cahaya adalah sama dengan intensitas cahaya pada arah titik pengukuran dibagi dengan kuadrat jarak antara sumber cahaya dan titik pada bidang dikalikan dengan kosinus sudut γ (γ adalah sudut yang dibentuk oleh arah datangnya cahaya dan tegak lurus terhadap bidang ini).

Karena itu:

Ini adalah hukum cosinus (Gambar 1.).

Beras. 1. Hukum kosinus

5. Pencahayaan horizontal

Untuk menghitung iluminasi horizontal, disarankan untuk memodifikasi rumus terakhir dengan mengganti jarak d antara sumber cahaya dan titik pengukuran dengan ketinggian h dari sumber cahaya ke permukaan.

Gambar 2:

Kemudian:

Kita mendapatkan:

Rumus ini menghitung iluminasi horizontal pada titik pengukuran.

Beras. 2. Pencahayaan horizontal

6. Pencahayaan vertikal

Penerangan titik P yang sama dalam bidang vertikal yang berorientasi pada sumber cahaya dapat direpresentasikan sebagai fungsi dari ketinggian (h) sumber cahaya dan sudut datang (γ) dari intensitas cahaya (I) (Gambar 3 ) .

Kita mendapatkan:

Beras. 3. Pencahayaan vertikal

7. Penerangan

Untuk mengkarakterisasi permukaan yang bersinar karena fluks cahaya yang melewatinya atau dipantulkan darinya, digunakan rasio fluks cahaya yang dipancarkan oleh elemen permukaan dengan luas elemen ini. Kuantitas ini disebut luminositas:

Untuk permukaan dengan dimensi terbatas:

Penerangan adalah kerapatan fluks cahaya yang dipancarkan oleh permukaan cahaya. Satuan pencahayaan adalah lumen per meter persegi permukaan cahaya, yang sesuai dengan luas 1 m2 yang secara seragam memancarkan fluks bercahaya 1 lm. Dalam kasus radiasi total, konsep luminositas energi dari benda yang memancar (Me) diperkenalkan.

Satuan pancaran cahaya adalah W/m2.

Kecerahan dalam hal ini dapat dinyatakan dengan kerapatan spektral dari luminositas energi benda pemancar Meλ (λ)

Untuk penilaian komparatif, kami memasukkan kecerahan energi ke dalam luminositas beberapa permukaan:

• Permukaan matahari — Me = 6 • 107 W / m2;

• Filamen pijar — Me = 2 • 105 W / m2;

• Permukaan matahari pada puncaknya — M = 3,1 • 109 lm / m2;

• bola lampu neon — M = 22 • 103 lm / m2.

8. Kecerahan

Brightness Kecerahan cahaya yang dipancarkan oleh suatu satuan permukaan pada arah tertentu. Satuan ukuran kecerahan adalah candela per meter persegi (cd / m2).

Permukaannya sendiri dapat memancarkan cahaya, mirip dengan permukaan lampu, atau memantulkan cahaya yang berasal dari sumber lain, seperti permukaan jalan.

Permukaan dengan sifat reflektif berbeda di bawah pencahayaan yang sama akan memiliki tingkat kecerahan yang berbeda.

Kecerahan yang dipancarkan oleh permukaan dA pada sudut Φ relatif terhadap proyeksi permukaan ini sama dengan rasio intensitas cahaya yang dipancarkan dalam arah tertentu terhadap proyeksi permukaan yang memancarkan (Gbr. 4).

Beras. 4. Kecerahan

Intensitas cahaya dan proyeksi permukaan yang dipancarkan tidak bergantung pada jarak. Oleh karena itu, kecerahan juga tidak bergantung pada jarak.

Beberapa contoh praktis:

• Kecerahan permukaan matahari — 2.000.000.000 cd / m2

• Kecerahan lampu neon — dari 5.000 hingga 15.000 cd / m2

• Kecerahan permukaan bulan purnama — 2500 cd / m2

• Penerangan jalan buatan — 30 lux 2 cd / m2