Svetelný zdroj (Objekt vyžarujúci svetlo) – Fotometria

Svetelný zdroj je akýkoľvek fyzikálny objekt alebo technické zariadenie, ktoré vyžaruje elektromagnetické žiarenie vo viditeľnom spektre (približne 380 až 780 nanometrov). Svetelné zdroje tvoria základ prirodzeného aj umelého osvetlenia, pričom slúžia ako miesta vzniku fotónov, ktoré interagujú so svojím okolím a ľudskými pozorovateľmi. Vo fotometrii sa tieto zdroje charakterizujú tým, ako ich vyžarovanie vníma ľudské oko z hľadiska jasu a farby, nie len podľa fyzikálneho výkonu.

Svetelné zdroje môžu byť:

• Prirodzené (napr. Slnko, hviezdy, oheň)
• Umelé (napr. žiarovky, LED diódy, žiarivky, lasery)
• Biologické/chemické (napr. svetlušky, bioluminiscenčné riasy)

Mechanizmus emisie sa líši:

• Tepelná emisia (žiarovky, slnečné svetlo)
• Elektroluminiscencia (LED, OLED)
• Výboj v plyne (žiarivky, neónové trubice)
• Chemická reakcia (bioluminiscencia)

Každý typ zdroja vykazuje jedinečné spektrálne rozloženie výkonu (SPD), ktoré ovplyvňuje vnímanú farbu, svetelnú účinnosť a vhodnosť pre konkrétne aplikácie.

Obrázok: Fotopická funkcia svietivosti CIE 1931 (V(λ)). Maximálna citlivosť ľudského oka je pri 555 nm.

Fotometria: Meranie svetla vnímaného človekom

Fotometria je veda o kvantifikovaní viditeľného svetla podľa ľudského videnia. Na rozdiel od radiometrie, ktorá meria absolútnu energiu (watty) naprieč všetkými vlnovými dĺžkami, fotometria aplikuje vážiacu funkciu (funkciu svietivosti), ktorá zohľadňuje rozdielnu citlivosť oka na rôzne vlnové dĺžky.

Základné fotometrické veličiny

Prečo je fotometria nevyhnutná

• Svetelná technika: Zabezpečuje pohodlie, funkčnosť a bezpečnosť osvetlených priestorov.
• Letecký priemysel: Zaručuje, že dráhy, navádzacie svetlá a majáky sú viditeľné a jednoznačné za všetkých podmienok.
• Súlad s normami: Spĺňa požiadavky ako ICAO Annex 14, FAA a CIE na farbu, intenzitu a rozloženie.

Citlivosť ľudského oka: Funkcia svietivosti

Ľudské oko je najcitlivejšie na zeleno-žlté svetlo (555 nm) pri fotopických (dobre osvetlených) podmienkach. Táto citlivosť je modelovaná funkciou svietivosti (V(λ)), štandardizovanou CIE. Pri nízkej úrovni svetla (skotopické podmienky) sa citlivosť posúva k modrej (507 nm).

Táto funkcia umožňuje prevod fyzikálneho žiarenia na vnemové veličiny:

• Zelené svetlo pri 555 nm vnímame ako oveľa jasnejšie než červené alebo modré svetlo s rovnakým žiarením.
• Pri návrhu signalizácie a displejov je potrebné toto zohľadniť pre maximálnu viditeľnosť a bezpečnosť.

Spektrálne rozloženie výkonu (SPD)

SPD popisuje množstvo svetla, ktoré zdroj vyžaruje na každej vlnovej dĺžke. Určuje:

• Farbu (vzhľad svetla)
• Svetelnú účinnosť (koľko viditeľného svetla sa vyprodukuje na watt výkonu)
• Podanie farieb (ako prirodzene sa javia farby pod týmto zdrojom)

SPD sa líši:

• Široké, spojité (slnečné svetlo, žiarovky)
• Úzke, špičkovité (nízkotlaký sodík, lasery)
• Viacvrcholové (biele LED s fosforom)

SPD je kľúčové pre:

• Zabezpečenie súladu s normami (napr. špecifická chromatickosť pre letecké osvetlenie)
• Dosiahnutie požadovaných vizuálnych efektov a efektivity

Vysvetlenie kľúčových fotometrických veličín

Svetelný tok (Lumen, lm)

Meria celkový vyžiarený viditeľný svetelný výkon. Je vážený podľa citlivosti oka a používa sa na porovnávanie celkového výkonu rôznych zdrojov.

Svetelná intenzita (Kandela, cd)

Meria svetlo vyžiarené v konkrétnom smere na jednotku priestorového uhla. Kľúčová pre signálne svetlá, majáky a smerové osvetlenie.

Jas (Kandela/m², nit)

Opisuje vnímaný jas povrchu v danom smere. Dôležitý pre displeje, značky a indikátory v kokpite.

Osvetlenosť (Lux, lx)

Množstvo svetla dopadajúceho na povrch. Používa sa v návrhu osvetlenia na zaistenie dostatočnej viditeľnosti pre úlohy a bezpečnosť.

Svetelná exitancia

Množstvo svetla opúšťajúceho povrch na jednotku plochy. Hodnotí viditeľnosť osvetlených alebo samosvietiacich povrchov.

Svetelná účinnosť (lm/W)

Účinnosť premeny vstupného výkonu na viditeľné svetlo. Vyššie hodnoty znamenajú efektívnejšie osvetlenie. LED výrazne prevyšujú žiarovky.

Radiometria vs. fotometria

• Radiometria: Meria všetko elektromagnetické žiarenie (watty, W/sr, W/m²). Používa sa pri analýze výkonu, kalibrácii senzorov, ne-vizuálnych aplikáciách.
• Fotometria: Meria len viditeľné svetlo, vážené citlivosťou ľudského oka (lumeny, kandely, lux). Používa sa tam, kde je rozhodujúce ľudské vnímanie.

Meracie princípy a prístroje

• Integrujúca guľa: Zachytáva všetko svetlo zo zdroja na meranie celkového svetelného toku.
• Goniophotometer: Mapuje rozloženie intenzity v rôznych uhloch, nevyhnutné pre smerové osvetlenie.
• Fotometer: Meria osvetlenosť, svetelnú intenzitu a iné veličiny s filtrom zodpovedajúcim citlivosti oka.
• Jasomer: Meria jas povrchov, dôležité pre displeje a značenie.

Všetky prístroje musia byť kalibrované podľa štandardov odvodených od SI jednotky kandela pre zabezpečenie spoľahlivosti meraní.

Použitie v letectve a regulovaných prostrediach

Letecké osvetlenie musí spĺňať prísne požiadavky:

• Spoľahlivosť: Nepretržitá prevádzka v náročných podmienkach.
• Svetelná intenzita a rozloženie: Zabezpečenie detekcie pilotmi na potrebných vzdialenostiach a uhloch.
• Farba a chromatickosť: Jednoznačná signalizácia (napr. červená pre prekážky, zelená pre pojazdovku, biela pre okraj dráhy).
• Súlad: Normy ICAO a FAA definujú minimálne a maximálne hodnoty fotometrických parametrov.

Príklad: Výpočet svetelného toku zo spektrálnych údajov

Svetelný tok sa vypočíta integráciou spektrálneho rozloženia výkonu váženého funkciou svietivosti:

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

Kde:

• (\Phi_{e,\lambda}(\lambda)): Spektrálny žiarivý tok (W/nm)
• (V(\lambda)): Štandardná funkcia svietivosti
• 683 lm/W: Maximálna fotopická účinnosť pri 555 nm

Súhrnná tabuľka: Fotometrické vs. radiometrické veličiny

Záver

Svetelné zdroje sú pôvodom všetkého viditeľného osvetlenia a poznanie ich fotometrických vlastností je zásadné pre účinné, efektívne a súladné osvetlenie v technických, komerčných aj regulačných oblastiach—najmä v náročných odvetviach ako je letectvo. Fotometria preklenuje priepasť medzi fyzikálnym žiarením a ľudským vizuálnym vnímaním, čím zabezpečuje, že osvetľovacie systémy spĺňajú objektívne aj subjektívne požiadavky.

Pre optimálne výsledky v návrhu osvetlenia vždy zohľadnite:

• Povahu a SPD svetelného zdroja
• Citlivosť ľudského videnia
• Špecifické normy a bezpečnostné potreby aplikácie

Potrebujete pomoc s meraním svetla, súladom alebo návrhom? Kontaktujte nás alebo si naplánujte ukážku a zistite, ako vám naše odborné znalosti pomôžu zažiariť!