Maximální intenzita – Nejvyšší úroveň světelného výkonu ve fotometrii

Základní definice a fotometrické principy

Co je fotometrie?

Fotometrie je věda o měření viditelného světla, jak jej vnímá lidské oko. Na rozdíl od radiometrie, která kvantifikuje absolutní výkon elektromagnetického záření napříč všemi vlnovými délkami, fotometrie se zaměřuje na viditelné spektrum (přibližně 380–780 nm) a používá funkci svítivosti (V(λ)), která každé vlnové délce přiřazuje váhu podle citlivosti oka.

To znamená, že fotometrie vyjadřuje nejen množství energie, kterou zdroj vyzařuje, ale i to, kolik této energie je viditelné a užitečné pro člověka. Základní jednotkou SI pro fotometrická měření je kandela (cd), definovaná jako zdroj vyzařující monochromatické záření s vlnovou délkou 555 nm (maximum citlivosti oka) s radiační intenzitou 1/683 W/sr.

Fotometrie je základem světelného inženýrství, vývoje produktů, plnění předpisů a je klíčová v odvětvích jako architektura, automobilový a letecký průmysl, nebo zobrazovací technologie.

Viditelné světlo a lidské oko

Viditelné světlo zahrnuje elektromagnetické vlnové délky od cca 380 nm (fialová) do 780 nm (červená). Čípky a tyčinky v sítnici detekují tyto fotony, ale jejich citlivost se liší podle vlnové délky. Za denního světla (fotopické podmínky) je oko nejcitlivější na zelenou (555 nm); při nízkém osvětlení (skotopické podmínky) se citlivost posouvá k modrozelené (507 nm).

Funkce V(λ) je stěžejní pro fotometrické výpočty a zajišťuje, že měření odrážejí lidské vnímání jasu. Osvětlovací systémy jsou navrhovány nejen na základě celkového energetického výkonu, ale i optimálního spektrálního složení – zásadního pro viditelnost, komfort a bezpečnost.

Radiometrie vs. fotometrie

• Radiometrie měří veškeré elektromagnetické záření bez ohledu na viditelnost, v jednotkách jako watt (W).
• Fotometrie měří pouze viditelné světlo, vážené podle citlivosti oka, v jednotkách lumen (lm), kandela (cd) a lux (lx).

Fotometrie je nezbytná v oborech, kde je referenčním bodem lidské vnímání, například v návrhu osvětlení, bezpečnosti a signalizaci.

Klíčové fotometrické jednotky a veličiny

Světelný tok (lumen, lm)

Světelný tok měří celkové množství viditelného světla vyzařovaného zdrojem za jednotku času, vážený funkcí V(λ). Jednotkou SI je lumen (lm).

• Osy směrování: 1000 lm lze rozptýlit široce nebo soustředit do úzkého svazku—vnímání jasu v daném směru závisí na intenzitě, nejen na toku.

Výpočet:
Φv = 683 × Φe(λ) × V(λ)
Kde Φv = světelný tok (lm), Φe = radiační tok (W), V(λ) = světelná účinnost.

Příklady:

• 60W žárovka ≈ 800 lm
• Vysoce účinná LED ≈ 1500 lm při <15W

Svítivost (kandela, cd)

Svítivost je světelný tok vyzařovaný do jednotkového prostorového úhlu v určitém směru. Jednotkou SI je kandela (cd).

Vzorec:
I = dΦ/dΩ
Kde dΦ = světelný tok, dΩ = prostorový úhel (steradián, sr).

• 1 cd = 1 lumen/steradián
• Svíčka ≈ 1 cd; světlomet auta ≈ 1000–2000 cd; maják >1 000 000 cd

ICAO a další normy stanovují požadavky na intenzitu pro bezpečnost a viditelnost.

Osvětlení (lux, lx)

Osvětlení měří, kolik světelného toku dopadá na jednotku plochy; jednotkou SI je lux (lx) (1 lx = 1 lm/m²).

Vzorec:
E = I / r²
Kde E = osvětlení, I = svítivost (cd), r = vzdálenost (m).

Praktické standardy:

• Kancelář: 300–500 lx
• Čtení: 500–1000 lx
• Sluneční světlo: až 100 000 lx

Jas (cd/m² nebo nit)

Jas vyjadřuje vnímaný jas povrchu z daného směru; jednotkou SI je kandela na metr čtvereční (cd/m²) nebo nit.

Vzorec:
L = I / (A × cos θ)
Kde L = jas, I = svítivost, A = plocha, θ = pozorovací úhel.

Příklady:

• Monitor: 200–400 cd/m²
• Smartphone: 500–1000 cd/m²
• Denní obloha: >6000 cd/m²

Světelná účinnost (lm/W)

Světelná účinnost vyjadřuje, jak efektivně zdroj převádí energii na viditelné světlo.

Vzorec:
η = Φ / P
Kde η = účinnost (lm/W), Φ = světelný tok (lm), P = příkon (W).

Typické hodnoty:

• Žárovka: 10–17 lm/W
• LED: 100–200 lm/W (laboratoř: >300 lm/W)

Světelné množství (lm·s)

Světelné množství je celkový světelný tok dodaný v čase, měřený v lumensekundách (lm·s).

Maximální intenzita: Definice a kontext

Co je maximální intenzita?

Maximální intenzita je nejvyšší svítivost (kandela), kterou světelný zdroj vyzařuje v libovolném směru. Je to vrchol křivky rozložení svítivosti (intenzity), často, ale ne vždy, v ose optiky.

• Nemusí být vždy v geometrickém středu—závisí na konstrukci optiky a čočkách.
• Používá se pro plnění předpisů, deklarování výkonu a posouzení vhodnosti pro danou aplikaci.

Praktické aplikace

• Návrh osvětlení: Zajišťuje cílené nasvícení (akcent, výloha, jeviště).
• Signalizace: ICAO a další určují minimální/maximální intenzity pro dráhová/pojizdná, majáková a výstražná světla.
• Automobilový/letecký průmysl: Světlomety, koncová světla a majáky musí vyvážit viditelnost, oslnění a shodu s předpisy.
• Produkty: Rozlišuje reflektory (vysoká max. intenzita) od světlometů se širokým rozptylem (nižší, širší rozložení).

Maximální intenzita vs. světelný tok

• Světelný tok (lm): Celkový vyzařovaný viditelný světelný výkon.
• Maximální intenzita (cd): Špičkový výkon na jednotku prostorového úhlu v určitém směru.

Příklad:
Žárovka 1000 lm s úhlem paprsku 10° má mnohem vyšší maximální intenzitu než 1000 lm žárovka se 120° úhlem paprsku.

Vztahy mezi fotometrickými jednotkami

Prostorový úhel (steradián, sr)

Prostorový úhel vyjadřuje, jak velký objekt vypadá z určitého bodu ve třech rozměrech; jednotkou SI je steradián (sr).

• Plná koule: 4π sr (≈12,57)
• Kužel s vrcholovým úhlem θ: Ω = 2π(1 – cos(θ/2))

Příklad:
Zdroj vyzařující 1000 lm rovnoměrně do 4π sr:
I = 1000 lm / 12,57 sr ≈ 80 cd
Pokud je stejný tok vyzařován do 1 sr: I = 1000 cd

Vzorce

• Svítivost: I (cd) = Φ (lm)/Ω (sr)
• Osvětlení: E (lx) = I (cd)/r²
• Jas: L (cd/m²) = I (cd)/(A × cos θ)
• Světelná účinnost: η (lm/W) = Φ (lm)/P (W)

Příklad:
600 lm do 2 sr: I = 600/2 = 300 cd
5 m daleko: E = 300/25 = 12 lx

Metody měření

Měření svítivosti a maximální intenzity

Pro měření svítivosti (kandely), zejména maximální:

1. Změřte světelný výkon ve směru zájmu.
2. Spočítejte prostorový úhel, přes který je měření provedeno.
3. Vypočítejte intenzitu: I = Φ/Ω.

Pro přesná směrová měření se používá goniometr. Toto zařízení otáčí světelný zdroj a zaznamenává intenzitu v různých úhlech, čímž vytvoří křivku rozložení svítivosti. Nejvyšší hodnota na této křivce je maximální intenzita.

Měření se řídí standardy organizací jako CIE a IEC a musí být prováděna pro splnění předpisů (např. ICAO Annex 14 pro letištní osvětlení).

Shrnutí

• Maximální intenzita je nejvyšší svítivost (v kandelách), kterou světelný zdroj vyzařuje v libovolném směru.
• Je zásadní pro aplikace, kde je rozhodující viditelnost, splnění předpisů a výkon, například v letectví, automobilovém průmyslu, signalizaci a bezpečnostním osvětlení.
• Měření maximální intenzity je standardizováno a musí zohledňovat směrovost, optiku a citlivost lidského oka.
• Porozumění maximální intenzitě a souvisejícím fotometrickým veličinám je základem pro efektivní, bezpečný a normám odpovídající návrh světelných systémů.