Maximális intenzitás – A fotometria legnagyobb fényerősségi szintje

Alapvető fogalmak és fotometriai alapelvek

Mi a fotometria?

A fotometria a látható fény mérésének tudománya, ahogyan azt az emberi szem érzékeli. Ellentétben a radiometriával, amely az elektromágneses sugárzás abszolút teljesítményét minden hullámhosszon méri, a fotometria a látható spektrumra (kb. 380–780 nm) koncentrál, és a fényérzékenységi függvényt (V(λ)) használja, hogy minden hullámhosszt az emberi érzékenység szerint súlyozzon.

Ez azt jelenti, hogy a fotometria nemcsak azt méri, mennyi energiát bocsát ki egy forrás, hanem azt is, mennyi ebből az energia az ember számára látható és hasznos. A fotometriai mérés SI-alapegysége a kandela (cd), amelyet úgy definiálnak, hogy egy forrás 555 nm hullámhosszon (az emberi szem érzékenységének csúcsán) 1/683 W/sr sugárzási intenzitással bocsát ki monokromatikus sugárzást.

A fotometria alapvető a világítástechnikai mérnöki munkában, termékfejlesztésben, szabályozási megfelelésben, és meghatározó szerepet tölt be olyan iparágakban, mint az építészet, autóipar, repülés és kijelzőtechnológia.

Látható fény és az emberi szem

A látható fény az elektromágneses spektrum 380 nm (ibolya) és 780 nm (vörös) hullámhosszai közé esik. A retina csap- és pálcika-sejtjei érzékelik ezeket a fotonokat, de érzékenységük hullámhosszfüggő. Nappali (fotopikus) körülmények között a szem legérzékenyebb a zöldre (555 nm); gyenge fényben (szkotopikus) az érzékenység a kékeszöld (507 nm) felé tolódik.

A V(λ) függvény központi szerepet játszik a fotometriai számításokban, biztosítva, hogy a mérések visszaadják az emberi fényérzékelést. A világítási rendszerek tervezése nemcsak a teljes energia-kibocsátásra, hanem az optimális spektrális összetételre irányul—ami kritikus a láthatóság, kényelem és biztonság szempontjából.

Radiometria vs. fotometria

• Radiometria minden elektromágneses sugárzást mér, függetlenül a láthatóságtól, olyan egységekkel, mint a watt (W).
• Fotometria csak a látható fényt méri, az emberi érzékenység szerint súlyozva, egységei: lumen (lm), kandela (cd), lux (lx).

A fotometria elengedhetetlen minden olyan területen, ahol az emberi érzékelés a mérce, például világítástervezés, biztonság és jelzés.

Főbb fotometriai egységek és mennyiségek

Fényáram (lumen, lm)

A fényáram egy forrás által kibocsátott, az emberi szem érzékenységi függvénye (V(λ)) szerint súlyozott, összes látható fény mennyisége időegység alatt. SI-egysége a lumen (lm).

• Szétszórt vs. irányított: 1000 lm teljes fényáram szétosztható szélesen vagy fókuszálható egy nyalábba—a megfigyelt fényesség egy adott irányban az intenzitástól is függ, nem csak a fényáramtól.

Számítás:
Φv = 683 × Φe(λ) × V(λ)
ahol Φv = fényáram (lm), Φe = sugárzási teljesítmény (W), V(λ) = fényhasznosítás.

Példák:

• 60W-os izzó ≈ 800 lm
• Nagyhatékonyságú LED ≈ 1500 lm <15W mellett

Fényerősség (kandela, cd)

A fényerősség az egy adott irányban egységnyi térszögbe kibocsátott fényáram; SI-egysége a kandela (cd).

Képlet:
I = dΦ/dΩ
ahol dΦ = fényáram, dΩ = térszög (szteradián, sr).

• 1 cd = 1 lumen/szteradián
• Gyertya ≈ 1 cd; autó fényszóró ≈ 1000–2000 cd; világítótorony >1 000 000 cd

Az ICAO és más szabványok fényerősségi követelményeket írnak elő a biztonság és láthatóság érdekében.

Megvilágítás (lux, lx)

A megvilágítás azt méri, hogy mennyi fényáram ér egy felület egységnyi területére; SI-egysége a lux (lx) (1 lx = 1 lm/m²).

Képlet:
E = I / r²
ahol E = megvilágítás, I = fényerősség (cd), r = távolság (m).

Gyakorlati értékek:

• Iroda: 300–500 lx
• Olvasás: 500–1000 lx
• Napsütés: akár 100 000 lx

Fényesség (cd/m² vagy nit)

A fényesség (luminancia) az adott irányból nézett felület látszólagos fényességét fejezi ki; SI-egysége a kandela négyzetméterenként (cd/m²) vagy nit.

Képlet:
L = I / (A × cos θ)
ahol L = fényesség, I = fényerősség, A = terület, θ = nézési szög.

Példák:

• Monitors: 200–400 cd/m²
• Okostelefon: 500–1000 cd/m²
• Nappali égbolt: >6000 cd/m²

Fényhasznosítás (lm/W)

A fényhasznosítás azt mutatja meg, hogy a forrás mennyire hatékonyan alakítja át az energiát látható fénnyé.

Képlet:
η = Φ / P
ahol η = hatásfok (lm/W), Φ = fényáram (lm), P = teljesítmény (W).

Jellegzetes értékek:

• Izzólámpa: 10–17 lm/W
• LED: 100–200 lm/W (laborban: >300 lm/W)

Fénymennyiség (lm·s)

A fénymennyiség az idő alatt kibocsátott összes fényáram, mértékegysége a lumen-szekundum (lm·s).

Maximális intenzitás: meghatározás és jelentőség

Mi a maximális intenzitás?

A maximális intenzitás az a legnagyobb fényerősség (kandela), amelyet egy fényforrás bármely irányban kibocsát. Ez a gyertyafény-eloszlás (intenzitás) csúcsa, ami gyakran, de nem mindig esik egybe az optikai tengellyel.

• Nem mindig a geometriai középpontban van—függ az optikai kialakítástól és a lencsézéstől.
• Megfelelőség, teljesítményigazolás és alkalmazhatóság szempontjából használatos.

Gyakorlati alkalmazások

• Világítástervezés: Célzott megvilágítás biztosítása (dekoráció, kirakat, színpad).
• Jelzés: Az ICAO és más szervezetek minimum/maximum intenzitásokat írnak elő futópálya/gurulóút, jelző- és akadályfényekhez.
• Autóipar/repülés: Fényszórók, hátsó lámpák, jelzőfények—láthatóság, káprázás és megfelelés egyensúlya.
• Termékek: Megkülönbözteti a reflektorokat (magas max. intenzitás) a szórt fényű lámpáktól (alacsonyabb, szélesebb eloszlás).

Maximális intenzitás vs. fényáram

• Fényáram (lm): Teljes látható fénykibocsátás.
• Maximális intenzitás (cd): Csúcskibocsátás térszögre vetítve, egy adott irányban.

Példa:
Egy 1000 lm-es, 10°-os nyalábú lámpa sokkal nagyobb maximális intenzitással bír, mint egy 1000 lm-es, 120°-os nyalábú lámpa.

Fotometriai egységek közötti összefüggések

Térszög (szteradián, sr)

A térszög azt méri, hogy egy pontból nézve mekkora egy tárgy „látószöge” térben; SI-egysége a szteradián (sr).

• Teljes gömb: 4π sr (≈12,57)
• Csúcsszögű kúp (θ): Ω = 2π(1 – cos(θ/2))

Példa:
Egyenletesen 1000 lm-et kibocsátó forrás 4π sr-be:
I = 1000 lm / 12,57 sr ≈ 80 cd
Ha ugyanez az áram 1 szteradiánba jut: I = 1000 cd

Képletek

• Fényerősség: I (cd) = Φ (lm)/Ω (sr)
• Megvilágítás: E (lx) = I (cd)/r²
• Fényesség: L (cd/m²) = I (cd)/(A × cos θ)
• Fényhasznosítás: η (lm/W) = Φ (lm)/P (W)

Példa:
600 lm 2 szteradiánba: I = 600/2 = 300 cd
5 m távolságban: E = 300/25 = 12 lx

Mérési módszerek

Fényerősség és maximális intenzitás mérése

A fényerősség (kandela), különösen a maximális érték mérése:

1. Mérje meg a fénykibocsátást az érdeklődés irányában.
2. Számítsa ki a mért térszöget.
3. Számítsa ki az intenzitást: I = Φ/Ω.

A pontos, szögfüggő mérésekhez goniométert (goniophotometert) használnak. Ez az eszköz elforgatja a fényforrást, és különböző szögekben rögzíti az intenzitást, így elkészíthető az intenzitás-eloszlási görbe. Ennek a görbének a legmagasabb pontja a maximális intenzitás.

A mérési szabványokat olyan szervezetek határozzák meg, mint a CIE és az IEC, és ezek betartása szükséges a szabályozási megfeleléshez (pl. ICAO Annex 14 repülőtéri világításhoz).

Összefoglalás

• A maximális intenzitás az a legnagyobb fényerősség (kandela), amelyet egy fényforrás bármely irányban kibocsát.
• Létfontosságú minden olyan alkalmazásban, ahol a láthatóság, szabályozás és teljesítmény kritikus, például repülés, autóipar, jelzés és biztonsági világítás esetén.
• A maximális intenzitás mérését szabványosított módon, figyelembe véve az irányítottságot, optikát és az emberi vizuális érzékenységet kell végezni.
• A maximális intenzitás és a kapcsolódó fotometriai mennyiségek ismerete alapvető a hatékony, biztonságos és szabályozásnak megfelelő világítási rendszerek tervezéséhez.