Světelný zdroj (objekt vyzařující světlo) – fotometrie

Světelný zdroj je jakákoli fyzická entita nebo technické zařízení, které vyzařuje elektromagnetické záření ve viditelném spektru (přibližně 380 až 780 nanometrů). Světelné zdroje tvoří základ jak přirozeného, tak umělého osvětlení a představují výchozí body pro fotony, které interagují s prostředím i lidskými pozorovateli. Ve fotometrii jsou tyto zdroje charakterizovány tím, jak jejich vyzařování vnímá lidské oko z hlediska jasu a barvy, nikoli pouze podle fyzického výkonu.

Světelné zdroje mohou být:

• Přírodní (např. Slunce, hvězdy, oheň)
• Umělé (např. žárovky, LED, zářivky, lasery)
• Biologické/chemické (např. světlušky, bioluminiscenční řasy)

Mechanismus vyzařování se liší:

• Tepelné záření (žárovky, sluneční světlo)
• Elektroluminiscence (LED, OLED)
• Výboj v plynu (zářivky, neonky)
• Chemická reakce (bioluminiscence)

Každý typ zdroje vykazuje jedinečné spektrální výkonové rozdělení (SPD), které ovlivňuje vnímanou barvu, světelnou účinnost a vhodnost pro konkrétní použití.

Obrázek: CIE 1931 fotopická funkce citlivosti oka (V(λ)). Maximální citlivost lidského oka je při 555 nm.

Fotometrie: měření světla podle lidského vnímání

Fotometrie je věda, která kvantifikuje viditelné světlo podle lidského zraku. Na rozdíl od radiometrie, která měří absolutní energii (watty) v celém spektru vlnových délek, fotometrie aplikuje vážicí funkci (funkci citlivosti oka), aby zohlednila proměnlivou citlivost oka na různé vlnové délky.

Základní fotometrické veličiny

Proč je fotometrie zásadní

• Osvětlovací technika: Zajišťuje, aby byly prostory osvětleny pro pohodlí, funkci a bezpečnost.
• Letecký průmysl: Garantuje, že dráhy, naváděcí světla a majáky jsou viditelné a jednoznačné za všech podmínek.
• Plnění předpisů: Splňuje normy jako ICAO Annex 14, FAA a CIE pro barvu, intenzitu a rozložení.

Citlivost lidského oka: funkce citlivosti

Lidské oko je nejcitlivější na zeleno-žluté světlo (555 nm) za fotopických (dobře osvětlených) podmínek. Tato citlivost je modelována funkcí citlivosti oka (V(λ)), kterou standardizuje CIE. Za slabého osvětlení (skotopické podmínky) se citlivost posouvá směrem k modré (507 nm).

Tato funkce umožňuje převod fyzikálního záření na vjemové veličiny:

• Zelené světlo na 555 nm je vnímáno jako mnohem jasnější než červené nebo modré světlo se stejným zářivým výkonem.
• Návrh signalizace a displejů musí toto zohlednit pro maximální viditelnost a bezpečnost.

Spektrální výkonové rozdělení (SPD)

SPD popisuje, kolik světla zdroj vyzařuje na každé vlnové délce. Určuje:

• Barvu (vzhled světla)
• Světelnou účinnost (kolik viditelného světla vznikne na 1 watt energie)
• Podání barev (jak přirozeně se jeví barvy při daném zdroji)

SPD se liší:

• Široké, spojité (sluneční světlo, žárovky)
• Úzké, špičaté (nízkotlaké sodíkové lampy, lasery)
• Více vrcholů (bílé LED s luminoforem)

SPD je klíčové pro:

• Dodržování předpisů (např. konkrétní chromatičnost pro letecké osvětlení)
• Dosažení požadovaných vizuálních efektů a účinnosti

Vysvětlení klíčových fotometrických veličin

Světelný tok (lumen, lm)

Měří celkový výstup viditelného světla. Je vážený citlivostí oka a slouží ke srovnání celkového výkonu různých zdrojů.

Svítivost (kandela, cd)

Měří světlo vyzářené v konkrétním směru na jednotkový prostorový úhel. Klíčová pro signální lampy, majáky a směrové osvětlení.

Jas (kandela/m², nit)

Popisuje vnímaný jas povrchu v daném směru. Důležité pro displeje, značení a indikátory v kokpitech.

Osvětlenost (lux, lx)

Množství světla dopadajícího na povrch. Používá se při návrhu osvětlení k zajištění dostatečné viditelnosti pro úkoly a bezpečnost.

Světelná vyzařivost

Množství světla opouštějícího povrch na jednotku plochy. Hodnotí viditelnost osvětlených nebo samosvítících ploch.

Světelná účinnost (lm/W)

Účinnost přeměny vstupního výkonu na viditelné světlo. Vyšší hodnoty znamenají efektivnější osvětlení. LED výrazně převyšují žárovky.

Radiometrie vs. fotometrie

• Radiometrie: Měří veškeré elektromagnetické záření (watty, W/sr, W/m²). Používá se pro energetické analýzy, kalibrace senzorů, nevizuální aplikace.
• Fotometrie: Měří pouze viditelné světlo, vážené citlivostí oka (lumeny, kandely, lux). Používá se, kde je klíčové lidské vnímání.

Principy měření a přístroje

• Integrující koule: Zachytí veškeré světlo ze zdroje pro měření celkového světelného toku.
• Goniometrický fotometr: Mapuje rozložení intenzity v různých úhlech, nezbytný pro směrové osvětlení.
• Fotometr: Měří osvětlenost, svítivost a další veličiny pomocí fotopických filtrů odpovídajících citlivosti oka.
• Jasoměr: Měří jas povrchů, důležité pro displeje a značení.

Všechny přístroje musí být kalibrovány podle standardů navázaných na SI jednotku kandela, aby byla zajištěna spolehlivost měření.

Použití v letectví a regulovaných prostředích

Letecké osvětlení musí splňovat přísné požadavky:

• Spolehlivost: Nepřetržitý provoz v náročných podmínkách.
• Svítivost a rozložení: Zajištění detekce piloty na požadované vzdálenosti a úhly.
• Barva a chromatičnost: Pro jednoznačnou signalizaci (např. červená pro překážky, zelená pro pojezdovou dráhu, bílá pro okraj dráhy).
• Shoda s předpisy: Normy ICAO a FAA stanovují minimální a maximální hodnoty fotometrických parametrů.

Příklad: výpočet světelného toku ze spektrálních dat

Světelný tok se vypočítá integrací spektrálního výkonu váženého funkcí citlivosti oka:

[ \Phi_v = 683 \cdot \int_{380,nm}^{780,nm} V(\lambda) \cdot \Phi_{e,\lambda}(\lambda) d\lambda ]

Kde:

• (\Phi_{e,\lambda}(\lambda)): Spektrální zářivý tok (W/nm)
• (V(\lambda)): Standardní křivka citlivosti oka
• 683 lm/W: Maximální fotopická účinnost při 555 nm

Přehledová tabulka: fotometrické vs. radiometrické veličiny

Závěr

Světelné zdroje jsou původcem veškerého viditelného osvětlení a pochopení jejich fotometrických vlastností je nezbytné pro efektivní, účinné a normám vyhovující osvětlení v technickém, komerčním i regulovaném prostředí—zejména v tak náročných oborech, jako je letectví. Fotometrie překlenuje propast mezi fyzikálním vyzařováním a lidským vizuálním vjemem, čímž zajišťuje, že osvětlovací systémy splňují jak objektivní, tak subjektivní požadavky.

Pro optimální výsledky při návrhu osvětlení vždy zvažte:

• Povahu a SPD světelného zdroje
• Citlivost lidského oka
• Specifické normy a bezpečnostní požadavky aplikace

Potřebujete pomoc s měřením, předpisy nebo návrhem osvětlení? Kontaktujte nás nebo Domluvte si ukázku a zjistěte, jak naše odborné znalosti rozjasní i váš projekt!