Rozptyl lúča – Uhlová šírka lúča – Fotometria

Rozptyl lúča, nazývaný aj uhlová šírka, je základný pojem vo fotometrii a optickom inžinierstve, opisujúci, ako široko sa svetelný lúč rozbieha od svojho zdroja. Tento parameter určuje nielen osvetlenú plochu, ale aj intenzitu na jednotku plochy a rovnomernosť rozloženia svetla – kľúčové faktory pre svetelných dizajnérov, inžinierov a vedcov.

Čo je rozptyl lúča?

Rozptyl lúča je uhlová šírka (v stupňoch alebo radiánoch), v rámci ktorej intenzita svetelného lúča klesne na definovaný zlomok svojej maximálnej hodnoty – typicky 50 % (uhol lúča, alebo FWHM) alebo 10 % (uhol poľa). Toto meranie popisuje, do akej miery sa lúč rozširuje počas šírenia a ovplyvňuje veľkosť aj jas osvetleného povrchu.

• Úzky rozptyl lúča: Vytvára malý, intenzívny bod (napr. reflektory, laserové ukazovátka).
• Široký rozptyl lúča: Výsledkom je široké, menej intenzívne rozptýlené svetlo (napr. halogénové reflektory, všeobecné osvetlenie plôch).

Matematicky sa rozptyl lúča znázorňuje ako uhol medzi smermi od zdroja, kde intenzita klesá na určený prah. V optike, najmä v laserových systémoch, sa tento jav nazýva „rozbiehavosť“ a zvyčajne sa udáva v miliradiánoch.

Kľúčové súvisiace pojmy

Prečo je rozptyl lúča dôležitý?

• Osvetlená plocha: Rozptyl lúča určuje pokrytú plochu vo zvolenej vzdialenosti. Malý uhol vytvorí koncentrovaný bod, široký uhol pokryje veľkú plochu.
• Rovnomernosť: Správne prekrytie rozptylov zabezpečí rovnomerné osvetlenie a eliminuje oslnenie či tmavé miesta, čo je kľúčové pre bezpečnosť na cestách, športoviskách a letiskách.
• Výber svietidiel: Výrobcovia uvádzajú rozptyly lúča, aby mohli dizajnéri zladiť svietidlá s požiadavkami.
• Návrh systému: Rozptyl lúča ovplyvňuje výšku montáže, nasmerovanie a rozmiestnenie svietidiel pre optimálne rozloženie.
• Optický výkon: V laserových a zobrazovacích aplikáciách rozptyl lúča ovplyvňuje rozlíšenie a ostrosť.

Klasifikačné systémy

NEMA klasifikácia rozptylu lúča

Národná asociácia výrobcov elektrických zariadení (NEMA) rozdeľuje uhly poľa (kde intenzita klesá na 10 %) do štandardných typov:

IES typy rozloženia svetla

Illuminating Engineering Society (IES) klasifikuje vzory svietenia vonkajších svietidiel:

Meranie rozptylu lúča

Výpočet pomocou vzorca

Na prepočet uhla lúča na šírku lúča v určitej vzdialenosti:

Rozptyl lúča = 2 × tan(Uhol lúča ÷ 2) × Vzdialenosť

Príklad:
Uhol lúča 30° vo vzdialenosti 3 m:

• Rozptyl lúča ≈ 2 × tan(15°) × 3 ≈ 1,63 m

Pre malé uhly (<60°):
Rozptyl lúča ≈ Uhol lúča (°) × 0,018 × Vzdialenosť (m)

Fotometrické meranie

• Luxmetre: Merajú intenzitu v rôznych bodoch; určujú uhly, kde intenzita klesne na 50 % alebo 10 % maxima.
• Profilovače lúčov: Používané pri laseroch, mapujú 2D intenzitu a rozbiehavosť.
• Polárne diagramy: Zobrazujú svietivosť v závislosti od uhla; uhol lúča a poľa sa odčítajú v miestach, kde intenzita prekročí daný prah.

Dáta sa často ukladajú vo formátoch IES alebo EULUMDAT pre simulácie a vyhodnocovanie zhody s normami.

Rozbiehavosť lúča (optika)

V laserových/optických systémoch sa rozbiehavosť udáva v radiánoch alebo miliradiánoch. Pre gaussovský lúč platí:

θ = λ / (π × w₀)

Kde λ je vlnová dĺžka a w₀ je polomer pásu (waist).

Príklad:
Laser 1064 nm, pás 1 mm: θ ≈ 0,34 mrad

Nízka rozbiehavosť umožňuje zamerať lúče na veľké vzdialenosti (LIDAR, voľnoprúdová optika).

Vplyv prostredia a média

• Rozptyl: Hmla, prach alebo voda zvyšujú rozptyl lúča a znižujú smerovosť.
• Absorpcia: Znižuje intenzitu, pričom účinok narastá so vzdialenosťou.
• BSF/PSF: Beam Spread Function a Point Spread Function popisujú rozšírenie lúča v zakalených médiách, čo ovplyvňuje podvodné, atmosférické alebo biomedicínske aplikácie.

Normy a referencie

• CIE a IES: Fotometrické normy pre meranie a reportovanie.
• NEMA: Definuje uhlové typy lúčov pre svietidlá.
• ICAO (Annex 14): Predpisuje parametre rozptylu lúča pre letiskové a letecké osvetlenie.
• ANSI/IES: Metódy fotometrického testovania a reportovania dát.

Pokročilé aplikácie

• Letecké osvetlenie: Zabezpečuje viditeľnosť dráh a pojazdových ciest z predpísaných uhlov priblíženia podľa predpisov ICAO.
• Architektonické/Divadelné osvetlenie: Prispôsobený rozptyl lúča pre efekty a presnosť.
• Laser/LIDAR: Presne kontrolovaná rozbiehavosť pre meranie a komunikáciu.
• Diaľkový prieskum/Podvodné zobrazovanie: Zohľadňuje rozšírenie lúča a stratu intenzity spôsobené prostredím.

Zhrnutie

Rozptyl lúča je základným prvkom fotometrie a návrhu optických systémov, určuje rozloženie svetla, kvalitu osvetlenia plochy a výkon systémov v reálnych podmienkach. Či už ide o špecifikáciu svietidiel, návrh letiskového osvetlenia alebo vývoj optickej komunikácie, pochopenie a riadenie rozptylu lúča zabezpečuje bezpečnosť, efektívnosť a súlad s normami.

Ďalšie zdroje

• CIE 013.3-1995: Metóda merania a špecifikácie podania farieb svetelných zdrojov
• ANSI/IES LM-63, LM-79: Fotometrické testovanie a reportovanie
• ICAO Annex 14: Návrh a prevádzka letísk
• IES Lighting Handbook