Fényerősség: Meghatározás, alapelvek és alkalmazások

A fényerősség központi fogalom a fotometriában – a látható fény, azaz az emberi szem által érzékelt fény mérésének tudományában. Az adott irányba kibocsátott fényáram (látható fény) mennyiségét fejezi ki egységnyi térszögre vetítve. Az SI-alapegységek egyike, a fényerősség mértékegysége a kandela (cd).

A fényerősség értelmezése

A fényerősség arra a kérdésre ad választ: Mennyi látható fényt bocsát ki egy forrás egy adott irányba? Ez a mérőszám különösen fontos, amikor a fény irányítottsága számít, például jelzőfényeknél, futópályaszegély-lámpáknál, autólámpáknál vagy fókuszált reflektoroknál.

Matematikailag a fényerősség (( I )) meghatározása:

[ I = \frac{\Phi}{\omega} ]

ahol:

• ( \Phi ) = Az adott irányba kibocsátott fényáram (lumenben, lm)
• ( \omega ) = Térszög szteradiánban (sr)

Egy kandela annak a fényforrásnak a fényerőssége egy adott irányban, amely 540 × 10¹² Hz (555 nm hullámhossz) frekvenciájú, egyszínű fényt bocsát ki, 1/683 watt per szteradián sugárzási intenzitással. Ez a meghatározás igazodik az emberi látásrendszer csúcsérzékenységéhez.

Az emberi látás érzékenységének szerepe

A radiometriával ellentétben, amely minden elektromágneses energiát mér, függetlenül attól, hogy az ember érzékeli-e, a fotometria (és így a fényerősség is) a CIE fotopikus fényérzékenységi függvénnyel, ( V(\lambda) )-val súlyozza az energiát. Ez a függvény modellezi az emberi szem átlagos spektrális érzékenységét nappali (világos) körülmények között, maximummal 555 nm-nél.

Ez azt jelenti, hogy két azonos fizikai energiájú fényforrás fényerőssége eltérhet, ha eltérő hullámhosszon sugároznak, mert a szem nem egyformán érzékeny minden színre.

Térszög és a szteradián

A térszög azt fejezi ki, hogy egy tárgy mekkorának látszik egy adott pontból szemlélve, a síkszöget kiterjeszti három dimenzióba. A szteradián (sr) a térszög SI-mértékegysége. Egy pont körüli teljes térszög ( 4\pi ) szteradián.

Például egy fényforrás, amely 1000 lument bocsát ki egyenletesen minden irányba, bármely irányban a fényerőssége:

[ I = \frac{1000, \text{lm}}{4\pi, \text{sr}} \approx 79,6, \text{cd} ]

A fényerősség mérése

A fényerősség mérésére szolgáló eszközök például:

• Goniométer: Forgatja a fényforrást, és különböző szögekben méri a kibocsátott fényt, feltérképezve az intenzitás-eloszlást.
• Számítás: Ha ismert a teljes fényáram és a kibocsátási geometria, az intenzitás kiszámítható a fényáram és a térszög hányadosaként.

A kalibráció kulcsfontosságú: a mérőeszközöknek meg kell felelniük az emberi szem spektrális érzékenységének, amit általában a CIE V(λ) függvénynek megfelelő optikai szűrőkkel érnek el.

Ábra: a fényerősség szemléltetése, mint a fényáram egységnyi térszögre (kandela) vetítve.

Alkalmazások a világításban és biztonságban

Légiközlekedés és közlekedés

A légiközlekedésben a fényerősségre vonatkozó szabványok szabályozzák a futópálya-, gurulóút- és megközelítőfényeket. Az olyan szabályozó szervek, mint a Nemzetközi Polgári Repülési Szervezet (ICAO) és az FAA, minimális fényerősséget írnak elő a repülőtéri világításra a biztonságos légi üzemeltetés érdekében, különösen rossz látási viszonyok vagy éjszaka esetén.

Például a futópálya szegélyfényeinek meghatározott vízszintes és függőleges szektorokban kell biztosítaniuk a megadott fényerősséget, hogy a pilóták számára megfelelően láthatók legyenek érkezéskor, felszálláskor vagy leszálláskor. A szektorokon kívüli túlzott intenzitás vakítást vagy zavart okozhat.

Jelzés- és autóvilágítás

A fényerősség kulcsfontosságú a közlekedési lámpák, jármű-fényszórók, navigációs jelzőfények és más jelzőberendezések esetében, ahol a fénynek bizonyos irányokból jól láthatónak kell lennie, de más irányokban nem okozhat kényelmetlenséget vagy zavaró hatást.

Általános világítás és kijelzők

Az általános helyiségvilágítást többnyire a teljes fényáram (lumen) alapján értékelik, míg az irányított világítás – például spotlámpák vagy LED-es munkalámpák – fényerősséggel jellemezhető, amely a fény „fókuszáltságát” írja le.

Fényerősség és kapcsolódó mennyiségek

• Fényáram (lm): Minden irányban kibocsátott összes látható fény.
• Fényerősség (cd): Egy adott irányba, egységnyi térszögbe kibocsátott fény.
• Megvilágítás (lx): Fényáram egységnyi felületre (mennyi fény érkezik egy felületre).
• Fényesség (cd/m²): Egy felület látszólagos fényereje egy adott irányból.

Gyakorlati példák

• Egy gyertya: ~1 kandela minden irányban.
• Futópálya szegélyfény: Általában 50-től 200 kandeláig a szükséges szektorokban, kategóriától és előírástól függően.
• Erős LED zseblámpa: Több ezer kandelát is kibocsáthat fókuszált fénycsóvában.

Főbb tudnivalók és jó gyakorlatok

• A fényerősség alapvető ott, ahol a fény irányítottságának jelentősége van (jelzés, navigáció, biztonság).
• Irányított világítás tervezésekor vagy összehasonlításakor mindig a fényerősséget vegye figyelembe.
• A méréseknek a CIE V(λ) fotopikus válaszához kell igazodniuk, hogy az emberi érzékelést tükrözzék.
• Szabályozott területeken (mint a repülés) ügyeljen az előírt fényerősség-eloszlási szabványok betartására.

Összefoglaló táblázat: A fényerősség áttekintése

További olvasnivalók és szabványok

• CIE fotometriai szabványok
• ICAO 14. melléklet: Repülőtér tervezés és üzemeltetés
• NIST: A kandela
• IEC 60050-845: Nemzetközi elektrotechnikai szótár – Világítás

A fényerősség minden olyan iparágban alapvető mérőszám marad, ahol a fény iránya és érzékelése jelentősen befolyásolja a biztonságot, a használhatóságot és a megfelelőséget.