Světelný paprsek – směrová projekce světla ve fotometrii

Co je světelný paprsek?

Světelný paprsek je koncentrovaný, směrový výboj elektromagnetické energie ve viditelném spektru. Na rozdíl od všesměrového světla je paprsek omezen podél hlavní osy a zabírá konečnou průřezovou plochu. Ve fotometrii a návrhu osvětlení je světelný paprsek charakterizován měřitelnými vlastnostmi, jako jsou světelná intenzita (kandely), úhel paprsku, rozbíhavost a prostorová koherence.

V praxi jsou světelné paprsky vytvářeny lampami, LED či lasery pomocí reflektorů a čoček pro řízení šíření a směru. Ve vědě jsou paprsky popisovány jak pomocí geometrické optiky (jako svazky paprsků), tak fyzikální optiky (jako elektromagnetické vlny), v závislosti na požadované podrobnosti.

Normy organizací jako Mezinárodní komise pro osvětlení (CIE) a Mezinárodní organizace pro civilní letectví (ICAO) určují požadavky na geometrii paprsků, intenzitu a viditelnost v aplikacích, jako je osvětlení drah, signalizace a architektonické osvětlení. Správné navržení paprsků je klíčové pro bezpečnost, shodu s předpisy a vizuální komfort.

Světelný paprsek vs. světelný paprsek vs. světelná vlna

• Světelný paprsek: Abstraktní, nekonečně malá dráha používaná v geometrické optice; udává směr, ale nemá šířku ani reálný rozsah.
• Světelný paprsek: Skutečný, fyzický svazek světla s měřitelnou šířkou, intenzitou a rozbíhavostí; lze jej tvarovat nebo zaostřit.
• Světelná vlna: Úplný fyzikální popis jako elektromagnetické pole zahrnující vlnovou délku, fázi a koherenci; důležité pro vysvětlení interference, difrakce a pokročilého optického chování.

Shrnutí: Paprsky slouží pro sledování směru, paprsky pro praktický a fotometrický návrh a vlny pro detailní vědecké modelování.

Šířka paprsku a úhel paprsku

• Šířka paprsku: Kvalitativní popis (např. spot, flood), jak široce světelný zdroj svítí.
• Úhel paprsku: Kvantitativní veličina (ve stupních), definovaná jako úhel mezi směry, kde intenzita klesá na 50 % maximální hodnoty (podle norem CIE/IES).

Tabulka: Typické úhly paprsku a oblasti využití

Vždy se spoléhejte na skutečné specifikace úhlu paprsku a fotometrická data pro dosažení požadovaného světelného efektu.

Rozbíhavost paprsku a zaostření

Rozbíhavost paprsku je úhlové rozšíření paprsku při jeho šíření. Paprsky s nízkou rozbíhavostí (kolimované) si udržují jas na větší vzdálenost – zásadní pro světlomety, přistávací světla a lasery. Paprsky s vysokou rozbíhavostí rychle rozptylují energii na širší plochu.

Zaostření označuje místo (pas paprsku), kde je paprsek nejužší a nejintenzivnější. Laserové paprsky jsou známé svým ostrým zaostřením a minimální rozbíhavostí, což popisuje Gaussův model paprsku.

Ve fotometrii a bezpečnostně důležitých oblastech, jako je letectví, normy (např. ICAO Annex 14) stanovují maximální rozbíhavost pro pozemní světla kvůli zajištění viditelnosti na požadované vzdálenosti.

Cutoff úhel a vizuální komfort

Cutoff úhel je úhel od vertikály, při kterém je světelný zdroj zakryt svítidlem, čímž zabraňuje přímému pohledu a snižuje oslnění. Svítidla s hlubokým cutoff úhlem (menší cutoff úhel) zvyšují vizuální komfort a minimalizují rušivý jas, což je zásadní zejména v architektuře, zdravotnictví a leteckém osvětlení.

Měření cutoff úhlu se provádí fotometricky a shoda s požadavky je důležitá pro komfort uživatelů i regulatorní schválení.

Světelná intenzita a fotometrické veličiny

Světelná intenzita (kandela, cd) je množství viditelného světla vyzařovaného daným směrem. Měří se fotometrickými přístroji a je zobrazována v polárních diagramech. Intenzita se liší od celkového světelného toku (lumeny) a od osvětlenosti (lux).

V letectví a signalizaci jsou minimální a maximální intenzity regulovány pro zajištění viditelnosti paprsků z hlediska bezpečnosti. V architektuře intenzita zajišťuje dostatek světla pro práci i akcent s minimální spotřebou energie.

Kvalita paprsku a prostorová koherence

Kvalita paprsku popisuje, jak se paprsek blíží ideálnímu (typicky Gaussovu) profilu, s nízkou rozbíhavostí a snadnou zaostřitelností. Prostorová koherence – vysoká u laserů, nízká u běžných žárovek – umožňuje ostré zaostření, interferenci a přesnou optickou kontrolu.

Vysoká kvalita paprsku je klíčová ve vědě, medicíně a průmyslu pro přesnost a efektivitu.

Světelný tok (lumenový výkon)

Světelný tok je celkové množství viditelného světla vyzařované do všech směrů. V běžném osvětlení lumeny udávají celkový jas. U směrového osvětlení je třeba hodnotit jak lumeny, tak úhel paprsku pro posouzení, kolik světla dopadne na cíl.

Výrobci používají standardizované testy (například IES LM-79 pro LED) pro uvádění světelného toku, což umožňuje porovnání produktů.

Kandela (světelná intenzita)

Kandela je SI jednotka měřící intenzitu světla v konkrétním směru. Používá se ke specifikaci reflektorů, světlometů a pozemních leteckých světel. Vysoké hodnoty kandely označují paprsky viditelné na větší vzdálenosti nebo za zhoršených podmínek.

Hodnoty kandely jsou ověřovány v laboratořích a shrnuty ve fotometrických datech.

Lux a foot-candle (osvětlenost)

Osvětlenost měří, kolik světelného toku (lumenů) dopadá na plochu – vyjadřuje se v luxech (lm/m²) nebo foot-candle (lm/ft²). Je klíčovým ukazatelem, zda osvětlení dostačuje pro úkoly, bezpečnost či normy.

Osvětlenost se počítá podle inverzního kvadratického zákona a měří se luxmetry. Letecké, architektonické a pracovní normy stanovují minimální hodnoty luxů pro různé prostředí.

Center Beam Candlepower (CBCP)

CBCP je špičková světelná intenzita (v kandelách) ve středu směrového paprsku. Je zásadní pro bodové, akcentní i letecké osvětlení, kde je potřeba co nejjasnější bod v určité vzdálenosti nebo místě.

CBCP je třeba posuzovat společně s úhlem paprsku a světelným tokem pro optimální výkon.

Tabulka klasifikace úhlů paprsku

Poznámka: Pro přesné definice vždy vycházejte z údajů výrobce, protože subjektivní termíny se mohou lišit.

Lasery a optické prvky

Lasery vytvářejí vysoce kolimované, koherentní paprsky s minimální rozbíhavostí – ideální pro signalizaci, měření, chirurgii a komunikaci. Optické prvky (čočky, reflektory, difuzory) se používají k tvarování, zaostření nebo rozptylu světelných paprsků pro speciální účely.

Normy a shoda s předpisy

Mezinárodní normy (CIE, ICAO, IES, EN) stanovují fotometrické požadavky na úhly paprsku, intenzitu, cutoff a osvětlenost v různých oblastech:

• ICAO Annex 14: Pozemní letecké osvětlení, geometrie/paprsky drah, minimální intenzita
• CIE/IES: Definice úhlů paprsku, fotometrické testování, omezení oslnění, energetická účinnost
• EN 12464: Požadavky na osvětlenost vnitřních pracovních prostor

Praktické aplikace

• Letecká doprava: Světla drah a pojížděcích drah, přibližovací signály, označení překážek
• Architektura: Akcentní a výstavní osvětlení, omezení oslnění, energetická účinnost
• Věda/průmysl: Laserové zaměřování, měření, zpracování materiálů
• Zdravotnictví: Zaměřené osvětlení v chirurgii a vyšetřovacích prostorách

Závěr

Světelný paprsek není jen viditelné světlo – je to přesně definovaný, technicky navržený jev. Pochopení vlastností paprsku (úhel, rozbíhavost, cutoff, intenzita) je zásadní pro bezpečnost, komfort i regulatorní shodu v profesionálním osvětlení, letectví i vědě.

Pro odborné poradenství ohledně specifikace nebo shody světelných paprsků kontaktujte náš tým nebo domluvte si demo .

Reference

• CIE 13.3-1995: Metoda měření a specifikace podání barev světelných zdrojů
• ICAO Annex 14: Letiště, svazek I, 8. vydání, 2018
• IES TM-30-18: Metoda IES pro hodnocení podání barev světelných zdrojů
• EN 12464-1: Světlo a osvětlení — Osvětlení pracovních prostorů — Část 1: Vnitřní pracovní prostory
• IES LM-79-19: Schválená metoda pro elektrická a fotometrická měření produktů polovodičového osvětlení

Pro další informace doporučujeme aktuální publikace CIE, ICAO, IES a národních normalizačních orgánů.