Какая система регистрации имеет световой поток
РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ. ВЫБОР СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ.
Под регистрацией спектров понимают определение зависимости энергии излучения от длины волны с помощью системы регистрации. Система регистрации обычно включает фотоэлектрический приемник излучения, преобразующий энергию электромагнитного излучения в электрический сигнал, аппаратные и программные средства для обработки и визуализации этого сигнала. Построенный график зависимости энергии выходного излучения от длины волны обычно и называют спектром.
В зависимости от типа используемого приемника излучения, различают следующие типы систем регистрации: интегральные и с построением изображения.
К интегральным системам регистрации относятся системы, в которых в качестве приемников излучения используются детекторы, преобразующие в электрический сигнал весь поток излучения (интегральный световой поток), без определения распределения энергии излучения по длинам волн. К такому типу детекторов относятся фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды и другие типы аналогичных детекторов.
К системам с построением изображения относятся системы, в которых в качестве приемников излучения используются линейные или матричные многоэлементные фотоприемники. Такие системы регистрации применяются в тех случаях, когда кроме собственно измерения количества энергии оптического излучения производится и определение распределения энергии излучения по длинам волн.
РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ.
Для регистрации спектров с помощью интегральных систем регистрации приемник излучения устанавливается непосредственно за выходной щелью спектрального прибора. Ширина выходной щели определяет спектральную полосу излучения, прошедшего через монохроматор, которая рассчитывается как произведение ширины щели на величину обратной линейной дисперсии монохроматора.
Получение спектра с использованием интегральных систем регистрации производится по точкам путем последовательной перестройки монохроматора по длинам волн (сканирования по спектру) с заданным шагом сканирования и с одновременной регистрацией электрического сигнала приемника излучения в каждой точке спектра. Сканирование по спектру осуществляется путем разворота дифракционной решетки относительно оси ее вращения. При этом изменяется спектральный интервал длин волн в фокальной плоскости, и, соответственно, спектральная полоса излучения, прошедшего через выходную щель монохроматора. Детектор регистрирует всю энергию излучения выбранной спектральной полосы.
Для получения корректного графика спектра, процесс сканирования спектра с помощью монохроматора и системы регистрации должен быть синхронизирован. Возможны два варианта такой синхронизации: временная и пошаговая. При временной синхронизации скорость сканирования монохроматора во всем диапазоне сканирования должна быть постоянной (задается в единицах «нм/сек»). При использовании в качестве системы регистрации приемника излучения и самопишущего прибора (самописца), скорость сканирования должна быть соотнесена со скоростью протяжки самописца. В этом случае график спектра визуализируется с помощью самописца. Возможны и другие варианты временной синхронизации – например, с помощью синхроимпульсов, вырабатываемых монохроматором через определенные промежутки длин волн во время сканирования. Но все системы «сканирующий монохроматор – система регистрации» с временной синхронизацией неудобны в практическом использовании.
В сканирующих монохроматорах производства «СОЛАР ТИИ» применен более удобный пошаговый принцип синхронизации процесса сканирования спектра и его регистрации. В качестве одной из составных частей такой системы регистрации является встраиваемая плата АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Эту плату мы предлагаем в качестве опции вместе с некоторыми нашими спектральными приборами. Плата принимает электрические сигналы с фотоприемников — фотодиод, ФЭУ и т.п. — и обрабатывает их с помощью 16-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Плата АЦП встраивается внутрь спектрального прибора. Управление и спектральным прибором, и платой АЦП производится от компьютера по одному RS-232-интерфейсу. Использование такой платы позволяет на базе спектрального прибора построить спектрально-измерительный комплекс, т. е. производить сканирование по спектру в заданном спектральном диапазоне с заданным шагом сканирования с одновременной регистрацией сигнала от фотоприемника. Измеренный спектр выводится на экран монитора в виде графического изображения. Управление таким комплексом производится от компьютера с помощью специализированной программы «PSI-Line».
Спектр снимается по точкам. Алгоритм следующий: задается спектральный диапазон сканирования, шаг сканирования и время измерения (усреднения) сигнала с фотоприемника в каждой точке спектра. При запуске процесса сканирования монохроматор перестраивается на начальную длину волны, останавливается и производится измерение сигнала с заданным временем измерения. Затем монохроматор перестраивается на следующую длину волны, отличающуюся от предыдущей на шаг сканирования, останавливается и производится измерение сигнала на этой длине волны, и так далее, проходя последовательно по точкам весь диапазон сканирования. Таким образом, процесс сканирования состоит из последовательного выполнения следующих циклов: цикл перестройки монохроматора на нужную длину волны (точку спектра) и цикл измерения сигнала с фотоприемника на этой длине волны. Визуализация спектра производится одновременно с процессом сканирования.
В каждой точке спектра во время цикла измерения аналого-цифровой преобразователь производит не один отсчет, а несколько, с последующим их усреднением, что позволяет увеличить точность измерения. Период между отсчетами АЦП составляет около 82 мксек. Минимальное задаваемое время измерения в каждой точке спектра – 1 мсек. Таким образом, даже при минимальном времени измерения в каждой точке спектра производится 12 отсчетов АЦП, их усреднение и отображение на графике спектра этого усредненного значения. Чем больше время измерения, тем больше производится отсчетов АЦП (зависимость — линейная) и тем ближе полученное усредненное значение сигнала с фотоприемника к истинному значению – т.е. тем выше точность измерения. Таким образом, меняя время измерения, можно менять и точность измерения. Для достижения необходимой точности измерения, при регистрации слабых сигналов нужно задавать большее время измерения, чем при регистрации больших сигналов. При этом абсолютная величина сигналов при регистрации их с различными временами измерения не меняется – при увеличении времени измерения увеличивается только точность измерения. С учетом такой особенности алгоритма измерения, время измерения в каждой точке спектра и названо как «время усреднения» (“averaging time”).
Для такого алгоритма измерения скорость сканирования (в общепринятом понимании) не указывается. Скорость сканирования обычно задается в единицах «нм/сек» и определяется как отношение диапазона сканирования (в нанометрах) к времени сканирования заданного диапазона (в секундах). Для принятого алгоритма сканирования время сканирования одного и того же спектрального диапазона будет различным в зависимости от количества точек спектра и времени усреднения в каждой точке. Это связано с тем, что, как указывалось выше, процесс сканирования состоит из последовательного выполнения циклов перестройки монохроматора в нужную точку спектра и циклов измерения в этой точке.
Минимальное время усреднения в каждой точке спектра равно 1 миллисекунде, максимальное – 5000 миллисекунд.
Минимальный шаг сканирования равен единичному шагу перестройки по длинам волн и зависит от параметров установленной решетки (количество штрихов на миллиметр). Например, для монохроматора / спектрографа MS3501 с решеткой 1200 штр/мм минимальный шаг сканирования равен 0,01 нм.
В связи с тем, что сканирующие монохроматоры производства «СОЛАР ТИИ» имеют два выходных порта, на которые могут быть одновременно установлены два интегральных приемника излучения, плата АЦП также имеет два входа для приема сигналов с двух приемников. Каждый детектор может быть подключен к одному из входов.
Переключение выходных портов сканирующего монохроматора производится с помощью автоматизированного выходного зеркала по команде от компьютера. Выходной порт, на который с помощью выходного зеркала направлено излучение, называется активным. Соответственно, и детектор, установленный на активном выходном порту, также называется активным. Если используются два детектора, то в любой момент времени активным может быть только один из них. Плата АЦП может одновременно принимать сигнал только от одного приемника, подключенного к ее активному входу. Выбор активного входа платы АЦП производится либо автоматически, в зависимости от положения выходного зеркала, либо вручную.
В качестве приемников излучения интегральных систем регистрации наиболее часто используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды.
ФЭУ является фотоприемником с внешним фотоэффектом и представляет собой вакуумный элемент с внутренним усилением фототока в результате вторичной эмиссии. ФЭУ содержит фотокатод и большое количество вторичных эмиттеров (динодов), между которыми приложены ускоряющие разности потенциалов. Вылетевшие из фотокатода под действием света электроны ускоряются электрическим полем и направляются на первый динод, и образовавшиеся вторичные электроны также ускоряются и направляются на следующий динод, и т. д. Форма фотокатода и динодов, их взаимное расположение и величины ускоряющих полей рассчитываются так, чтобы все электроны, вылетевшие с одного динода (и фотокатода) попали на последующий. Таким образом, слабый фототок, обусловленный вылетевшими из фотокатода под действием света электронами, усиливается динодной системой и формирует на коллекторе (аноде) выходной токовый сигнал. Коэффициент усиления ФЭУ определяется количеством динодов.
Для использования с нашими сканирующими монохроматорами мы предлагаем ФЭУ, модель PMT R928. Этот детектор предназначен для регистрации оптического излучения в спектральном диапазоне от 185 до 900 нм. В качестве фоторегистрирующего элемента в детекторе используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), тип R928, производства фирмы Hamamatsu. Детектор устанавливается непосредственно на выходную щель спектральных приборов производства «СОЛАР ТИИ».
Фотодиод является фотоэлектрическим приемником с внутренним фотоэффектом. В этом приемнике используется эффект фотопроводимости – увеличение электропроводности полупроводника при поглощении фотонов.
Существует большое количество разновидностей фотодиодов в зависимости от материала полупроводника. Они различаются как рабочим спектральным диапазоном, так и чувствительностью. Наибольшее распространение получили фотодиоды на базе кремниевых структур — кремниевые фотодиоды (Si), германиевые (Ge) и индий-галий-арсенидовые (InGaAs) фотодиоды. Эти фотодиоды предназначены для работы в спектральном диапазоне от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра (от 0,2 до 2,3 мкм). Для более длинноволновой области спектра (от 1,5 до 5,5 мкм) могут использоваться InAs и InSb фотодиоды или фотосопротивления на базе PbS, PbSe или HgCdTe полупроводников. Для дальней инфракрасной (от 2 до 40 мкм) области спектра используются пироэлектрические детекторы или термопары.
Одним из основных недостатков фотодиодов является их невысокая, по сравнению с ФЭУ, чувствительность. ФЭУ, являясь фотоприемником с внутренним усилением фототока, имеет чувствительность на несколько порядков выше, чем фотодиоды. Но ФЭУ для работы требуют высокого питающего напряжения (до 2500 В), что иногда ограничивает их использование. При использовании фотодиодов требуется низкое питающее напряжение, что позволяет создавать компактные детекторы.
Основным достоинством фотодиодов является широкий спектральный рабочий диапазон. Спектральный диапазон ФЭУ определяется материалом фотокатода и обычно ограничен ультрафиолетовой и видимой (от 200 до 650 нм), а иногда и ближней инфракрасной (до 900 нм) областью спектра. ФЭУ для инфракрасной области (до 1,3 мкм) достаточно дорогие, и их чувствительность невысокая.
Одним из достоинств ФЭУ является их быстродействие и малая выходная емкость, что позволяет создавать на базе ФЭУ быстродействующие детекторы для регистрации быстропротекающих процессов.
При использовании интегральных систем регистрации важно, чтобы все излучение, прошедшее через выходную щель, попадало на приемную площадку фотоприемника. Излучение, выходящее из щели монохроматора, распространяется не в виде параллельного пучка, а расходится в определенном телесном угле. Поэтому оптимальным было бы устанавливать приемник излучения непосредственно за выходной щелью, где апертура пучка минимальна, но это не всегда практически реализуемо. Некоторые приемники излучения (например ФЭУ PMT R928 или фотодиод с приемной площадкой размером 10х10 мм) имеют достаточно большой размер приемной площадки. Детекторы, изготовленные на базе таких приемников, можно устанавливать непосредственно на выходную щель монохроматора. Для детекторов с приемной площадкой размером менее 5 мм необходимо использовать специальный узел сопряжения, который с помощью тороидального зеркала переносит изображение выходной щели на фоточувствительную поверхность приемника излучения. В этом случае все выходное излучение монохроматора попадает на приемную площадку приемника излучения без потерь. При необходимости мы можем рассчитать и изготовить нужный узел сопряжения для Ваших детекторов.
РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ
С ПОСТРОЕНИЕМ ИЗОБРАЖЕНИЯ.
При регистрации спектров с помощью систем регистрации с построением изображения приемник излучения устанавливается в фокальной плоскости спектрального прибора. Выходная щель в этом случае не используется, а дифракционная решетка устанавливается в положении, при котором в фокальной плоскости формируется заданный спектральный интервал длин волн.
В системах регистрации с построением изображения используются линейные или матричные многоэлементные фотоприемники.
Линейный фотоприемник (детектор) состоит из большого количества (до нескольких тысяч) фоточувствительных элементов, сориентированных в линию. Часто эти фоточувствительные элементы линейного фотоприемника называют «пикселями», от английского “pixel” — (минимальный) элемент изображения. Линейный детектор устанавливается в фокальной плоскости спектрального прибора (в этом случае он называется спектрографом) таким образом, чтобы пространственно разложенное в спектр выходное излучение располагалось вдоль линейки фоточувствительных элементов (пикселей). Каждый пиксель линейного детектора регистрирует энергию излучения спектральной полосы, ширина которой определяется линейной шириной пикселя и дисперсией прибора. Регистрация сигналов со всех фоточувствительных элементов линейного детектора производится одновременно. Если визуализировать результат измерения сигналов с линейного детектора в виде графика, ось ординат которого будет отображать интенсивность сигнала от фоточувствительного элемента, а ось абсцисс – порядковый номер этого элемента, то полученный график будет являться графиком зависимости энергии выходного излучения от длины волны, т.е. спектром.
Например, для монохроматора / спектрографа MS3501 с решеткой 1200 штр/мм обратная линейная дисперсия (средняя) равна 2,37 нм/мм. При регистрации спектра с помощью детектора HS102H, ширина одного пикселя которого равна 14 мкм, спектральная полоса, регистрируемая одним пикселем, будет равна 2,37 [нм/мм] x 0,014 [мм] = 0,033 [нм]. Принимая во внимание, что общее количество пикселей этого детектора равно 2048, можно рассчитать спектральный интервал длин волн, регистрируемый всем детектором:
2048 x 0,033 [нм] = 68 [нм].
Для того, чтобы зарегистрировать весь спектр, необходимо регистрировать его по частям, последовательно поворачивая дифракционную решетку в спектрографе с определенным шагом, производя на каждом шаге регистрацию спектра. Обычно регистрируют наиболее информативную для пользователя часть спектра. Для поиска этой части спектра используют решетки, которые позволяют увеличить спектральный диапазон длин волн, одновременно регистрируемый линейным детектором. Например, при использовании решетки 150 штр/мм в монохроматоре / спектрографе MS3501, обратная линейная дисперсия (средняя) будет равна примерно 17 нм/мм, и, следовательно, одновременно регистрируемый линейным детектором спектральный диапазон длин волн составит около 487 нм (17х0,014х2048). Выбрав в зарегистрированном с помощью такой решетки спектре (его иногда называют «обзорным») нужный, более узкий, диапазон, далее этот диапазон регистрируют более детально, используя решетки с большим количеством штрихов на миллиметр. Для организации такого метода регистрации необходимо использовать спектрограф со сменными решетками. Наиболее удобны в этом отношении спектрографы с четырехпозиционной автоматизированной турелью на 4 дифракционные решетки. Смена решеток производится автоматически, по командам с компьютера.
В случае заказа спектрографа совместно с линейным детектором в качестве системы регистрации, последний поставляется калиброванным по длинам волн. Управление и спектрографом, и линейным детектором в этом случае производится от компьютера с помощью специализированной программы «PSI-Line». Для установленной выходной длины волны спектрографа программа точно рассчитывает регистрируемый линейным детектором спектральный интервал длин волн в зависимости от характеристик спектрографа и параметров установленной решетки.
Линейные детекторы широко используются в малогабаритных спектрографах с фиксированным положением решетки. В таких спектрографах, в отличие от сканирующих, нет движущихся частей; решетка устанавливается под определенным фиксированным углом. В зависимости от угла разворота решетки и ее параметров, в фокальной плоскости формируется спектр нужного спектрального интервала. Спектрограф со встроенной системой регистрации называется спектрометром. «СОЛАР ТИИ» предлагает несколько моделей малогабаритных спектрометров — серии SL40-2 и серии S150-2.
Наряду с линейными фотоприемниками, в системах регистрации с построением изображения используются матричные фотоприемники, в которых фоточувствительные элементы расположены в виде поля (матрицы) из большого количества линий, называемых строками. Детекторы с матричными фотоприемниками могут быть применены в качестве линейных, используя аппаратное суммирование требуемого количества строк или выделяя на матрице необходимое количество линеек.
Наиболее широко системы регистрации с матричными фотоприемниками применяются в многоканальной спектроскопии (Multi-track Spectroscopy), где в качестве спектрального прибора используется спектрограф изображения (Imaging Spectrograph). Если на вход такого спектрографа подать пространственно разнесенное излучение от нескольких источников, то в фокальной плоскости сформируются пространственно разнесенные спектры от каждого отдельного источника. Расположив матричный фотоприемник таким образом, чтобы спектры располагались вдоль строк матрицы, и используя для визуализации только те строки, на которые попадает выходное излучение, можно одновременно регистрировать спектры от нескольких источников.
Управление матричным детектором осуществляется от компьютера с помощью специализированной программы «ProDIA».
При выборе системы регистрации необходимо учитывать спектральный диапазон работы детектора и скорость регистрации спектров.
Скорость (время) регистрации спектров.
Скорость регистрации спектров с использованием систем регистрации с построением изображения, в которых одновременно регистрируется весь спектральный интервал длин волн, попадающий на линейный детектор, обычно выше скорости регистрации спектров с использованием интегральных систем регистрации, в которых регистрация спектров производится последовательно по точкам. При регистрации достаточно слабых световых потоков для систем регистрации с построением изображения необходимо увеличивать время экспозиции. В то же время, если в интегральной системе регистрации применяется высокочувствительный детектор (например, ФЭУ), регистрация аналогичного слабого светового потока может производиться с большой скоростью, и в этом случае скорости регистрации спектров обоими системами регистрации могут быть сопоставимы, особенно если требуется зарегистрировать спектр в узком интервале длин волн.
Системы регистрации с построением изображения обладают неоспоримым преимуществом, по сравнению с интегральными системами, при регистрации спектров быстропротекающих процессов, например, излучения импульсных лазеров.
Спектральный диапазон.
Спектральный диапазон регистрируемого интервала длин волн в большинстве случаев зависит от области спектральной чувствительности приемника излучения, так как обычно спектральные приборы могут обеспечить достаточно широкий интервал длин волн выходного излучения.
Линейные и матричные детекторы на базе кремниевых структур имеют область спектральной чувствительности от 200 до 1100 нм (ультрафиолетовая, видимая и ближняя инфракрасная область спектра). Это наиболее широко используемые линейные детекторы в силу своей относительной дешевизны. Линейные детекторы для ближней инфракрасной области спектра — область спектральной чувствительности от 900 до ~2500 нм – достаточно дорогие. Линейные детекторы для других спектральных диапазонов либо очень дорогие, либо не производятся вообще. Таким образом, одним из ограничений использования линейных детекторов является их достаточно узкий диапазон спектральной чувствительности.
Интегральные детекторы имеют гораздо более широкую область спектральной чувствительности. В зависимости от типа детектора, они могут регистрировать излучение в диапазоне длин волн от 190 нм до 40 мкм.
Подробную информацию о всех системах регистрации, предлагаемых СП «СОЛАР ТИИ», Вы можете найти на нашем сайте. При необходимости наши специалисты помогут выбрать систему регистрации, наилучшим образом подходящую для Ваших задач.
Люмен, люкс, кандела, ватт, мощность светового потока. Как в этом разобраться?
Люмен (лм, lm) — единица измерения светового потока в СИ. Где СИ — система единиц физических величин, (фр. Le Syst?me International d’Unit?s, SI).
Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд ? ср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4? люменам.
Обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт создаёт световой поток, равный примерно 1300 лм. Компактная люминисцентная лампа дневного света мощностью 26 Вт создаёт световой поток, равный примерно 1600 лм. Световой поток Солнца равен 3,63·10 в 28 степени лм.
Люмен — полный световой поток от источника. Однако, это измерение обычно не принимает во внимание сосредотачивающую эффективность отражателя или линзы и поэтому не является прямым параметром оценки яркости или полезной производительности луча фонаря. У широкого светового луча может быть тот же самый показатель люмен, как и у узкосфокусированного. Люмены не могут использоваться, чтобы определить интенсивность луча, потому что оценка в люменах включает в себя весь рассеянный бесполезный свет.
Люкс (лк, lx) — единица измерения освещённости в системе СИ.
Люкс равен освещённости поверхности площадью 1 кв м при световом потоке падающего на неё излучения, равном 1 люмен .
100 люменов собрали и спроецировали на 1-метровую квадратную область. Освещенность области составит 100 люкс. Те же самые 100 люменов, направленные на 10 квадратных метров, дадут освещенность 10 люкс.
Кандела (кд, cd) — одна из семи основных единиц измерения системы СИ, равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10 в 12 степени Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. Стерадиа?н (русское обозначение: ср, международное: sr) — единица измерения телесных углов.
Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется бо’льшая энергетическая интенсивность.
Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 кв см при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.
Сила света, излучаемая свечой, примерно равна одной канделе (лат. candela — свеча), поэтому раньше эта единица измерения называлась «свечой», сейчас это название является устаревшим и не используется.
Сила света типовых источников:
| Источник | Мощность, Вт | Примерная сила света, кд |
| Свеча | 1 | |
| Современная (2016 г) лампа накаливания | 100 | 100 |
| Обычный светодиод | 0,015 | 5 мкд |
| Сверхъяркий светодиод | 1 | 25 |
| Сверхъяркий светодиод с коллиматором | 1 | 1500 |
| Современная (2016 г) люминесцентная лампа | 20 | 100 |
Black Diamond – фирма-законодатель мирового профессионального альпинистского и скалолазного снаряжения. Бренд выпускает высококачественные налобные и подвесные фонари, которые можно использовать даже на глубине одного метра под водой в течение получаса. BD предлагает туристические осветительные приборы с показателями светового потока до 200 люмен при сравнительно небольшом весе. Многие фонари наделены несколькими режимами освещения для удобства работы на альпинистском маршруте и в быту. Яркие, легкие, аккуратные и практичные, фонари БлекДиамонд не подведут даже в самой экстремальной ситуации.
Световой поток фонарей (лм)
big LED-high, big LED-med, big LED-low, 5 MM — High, 5 MM — medium, 5 MM — low
| Фонарь Black Diamond (BD) | Световой поток, (лм) |
| Icon | 200 |
| Spot new | 200 |
| Cosmo new | 90 |
| Wiz new | 30 |
| Ion | 80 |
| Ember Power Light | 150 |
| Orbit Lantern | 105 |
| Voyager Lantern | 140 |
| Фонарь Petzl | Световой поток (лм) |
| Tikka XP | 180 |
| MYO XP | 140 |
Что такое световой поток, яркость и светоотдача
В радиометрии лучистый поток источника света — это его излучаемая оптическая энергия в единицу времени. Однако эта величина не учитывает чувствительность человеческого глаза. Для этого имеется фотометрическая величина величина светового потока, указанная в единицах яркости (lm = cd sr), которая учитывает фотопическую реакцию человеческого глаза. Это спектральный отклик для достаточно высоких интенсивностей освещения, при которых цветовое зрение работает хорошо. Световой поток источника света показывает, насколько он способствует освещению помещения.
Полезные статьи:
Световой поток часто встречается как спецификация источников света, которые используются для целей освещения – например, ламп накаливания, люминесцентных ламп и ламп на основе светодиодов. Это полезная мера того, насколько источник света может способствовать освещению помещения.
Например, лампочка «Ильича» мощностью 60 Вт может генерировать световой поток 900 лм, что соответствует светоотдаче 15 лм / Вт. Светодиоды могут создавать тот же световой поток при потреблении электроэнергии значительно ниже 10 Вт, поскольку они имеют гораздо более высокую светоотдачу.) Для большой гостиной требуется несколько тысяч люмен, что соответствует нескольким из этих ламп.
Хотя лампа накаливания превращает большую часть потребляемой электроэнергии в тепловое излучение, большая часть этого излучения находится в инфракрасной области спектра, где функция яркости равна нулю, т. е. этот свет бесполезен для освещения и не влияет на световой поток.
Измерение светового потока
Если выходной сигнал источника света хорошо направлен, например, в форме лазерного луча, можно просто измерить световой поток с помощью оптического измерителя мощности. Однако этот метод не будет работать с источником света, который излучает в широком диапазоне направлений, например, со светодиодом. В таких случаях может потребоваться использовать интегрирующую сферу, которая равномерно распределяет свет и обеспечивает освещенность фотоприемника, пропорциональную входящему световому потоку и в значительной степени независимую от его пространственных свойств.
Яркость
Яркость — это фотометрическая величина, которая может применяться к источникам света, а также к свету, который отражается или проходит через определенную область. Яркость — это световой поток на единицу телесного угла и единицу площади источника. Его также можно определить как интернсивность света на единицу площади излучения.
Единицами СИ яркости являются кандела на квадратный метр (кд / м2 = лм sr−1 м2 ).
Для наблюдающего глаза яркость источника света более или менее определяет его визуальную яркость. Если бы источник света мог уменьшаться при сохранении своего светового потока, он мог бы посылать такое же количество света через зрачок глаза, но этот свет был бы сконцентрирован на меньшей площади сетчатки и, следовательно, казался бы ярче, что соответствовало бы его повышенной яркости.
Аналогично, яркость на поверхности, вызванная некоторым освещением, определяет, насколько яркой будет выглядеть поверхность. Если наблюдатель удаляется от источника света, в зрачок будет попадать меньше света, но изображение источника на сетчатке станет меньше, пока угловое разрешение глаза остается достаточным, чтобы сохранялась видимая яркость. Таким образом, можно понять, почему яркость не зависит от расстояния наблюдения.
Однако для больших расстояний наблюдения, когда угловое разрешение глаза становится недостаточным, видимая яркость уменьшается, несмотря на постоянную яркость.
Некоторые типичные примеры значений яркости:
- Луна: 2,5 · 103 кд / м2 (видна через прозрачную атмосферу)
- Солнце: 1,6 · 10 9 кд / м2
- нить накаливания вольфрамовой лампы накаливания: 10 7 кд / м2
Сила света
Сила света — это величина в фотометрии, характеризующая источник света. Она определяется как световой поток на единицу телесного угла. Интенсивность света учитывает спектральный отклик человеческого глаза – обычно для фотопического зрения. Этот термин в основном применяется при приближении точечного источника, т.е. на расстояниях, которые велики по сравнению с протяженностью источника.
Аналогичной величиной в радиометрии (не учитывающей спектральный отклик человеческого глаза) является интенсивность излучения. Единицами измерения силы света в системе СИ являются кандела = люмен на стерадиан (cd = лм / sr). Одна кандела приблизительно соответствует силе света обычной свечи.
Если излучение света ограничено меньшим телесным углом, например, корпусом лампы, содержащим отражатель, интенсивность света может стать соответственно выше при том же световом потоке. С другой стороны, размер излучающего объема не имеет значения.
Для равномерного всенаправленного излучения интенсивность света не зависит от расстояния до источника света – в отличие от освещенности, которая масштабируется с обратным квадратом расстояния от источника света.
Освещенность
Интенсивность излучения (или плотность потока) является термином радиометрии и определяется как поток излучения, получаемый некоторой поверхностью на единицу площади. В системе СИ она указывается в единицах Вт/ м2 (ватт на квадратный метр). Излучение может быть применено к свету или другим видам излучения.
В контексте лазерной технологии общий термин «оптическая интенсивность» имеет те же единицы измерения, что и освещенность. Однако это не одно и то же количество. Важно понимать, что интенсивность определяется как количество энергии, проходящей через область, перпендикулярную лучу, в то время как освещенность относится к тому, какое количество энергии поступает на определенную поверхность с заданной ориентацией.
Интенсивность излучения, вызванная, например, лазерным лучом, который попадает на заготовку под некоторым углом θ против нормального направления, равна интенсивности луча, умноженной на cos θ. Таким образом, численное значение освещенности обычно меньше, чем значение интенсивности луча. Излучение может быть вызвано сочетанием нескольких источников света.
Фотометрия
Фотометрия — это наука и технология количественного определения и измерения свойств света, связанных с его воспринимаемой яркостью для человеческих глаз. Таким образом, он имеет дело только с видимым светом, а не с инфракрасным и ультрафиолетовым светом, и учитывает спектральную чувствительность человеческого глаза.
Обратите внимание, что термин яркость следует использовать только как качественный показатель воспринимаемой яркости, а не как измеримую величину (хотя его часто используют вместо сияния или яркости.
Светоотдача и эффективность
Светоотдача источника света — это генерируемый им световой поток, деленный либо на его световой поток, либо на потребляемую электроэнергию. В обоих случаях получают единицы люмена на ватт (лм/Вт), но смысл, конечно, разный:
- Если разделить на поток излучения, результат зависит только от формы оптического спектра источника света в сочетании с примененной функцией яркости, которая количественно определяет чувствительность обычного человеческого глаза, зависящую от длины волны.
- Более распространенным определением является световой поток, деленный на потребляемую источником света электрическую мощность.
Высокая эффективность источника света может быть испорчена плохой конструкцией лампы!
Обратите внимание, что светоотдача осветительного устройства – например, потолочного светильника для гостиной или уличного фонаря – может быть существенно ниже, чем у используемого источника света, если большая часть генерируемого света теряется, например, из-за поглощения в каком-либо корпусе (приспособлении). Очевидно, имеет смысл оптимизировать не только источник света, но и светильник. В то время как некоторые приборы практически не требуют потерь, другие полностью снижают эффективность.
Пространственно направленное излучение светодиодов часто позволяет избежать значительных потерь света в светильниках. Этот фактор (в дополнение к высокой эффективности генерации света) может существенно способствовать эффективной эффективности осветительного устройства и, следовательно, достигнутой энергоэффективности.
Может иметь значение, куда направляется свет!
Еще один важный аспект не содержится в светоотдаче: некоторые уличные фонари, например, посылают много света в ночное небо, где он бесполезен и даже вреден, вызывая световое загрязнение.
Другим важным аспектом является то, что светоотдача может быть значительно снижена при использовании источника питания лампы с низкой эффективностью преобразования. В то время как лампы накаливания обычно могут работать непосредственно от сетевого напряжения, многие газоразрядные лампы требуют специального источника питания.
Если это сделано по старой технологии, это может привести к потере значительного количества электроэнергии. Однако современные высокочастотные импульсные источники питания могут быть высокоэффективными, вызывая потери энергии всего на несколько процентов. Конечно, желательно, чтобы указывалась эффективная светоотдача лампы, включая ее источник питания.
Очевидно, что светоотдача осветительных приборов важна с точки зрения энергоэффективности и потребления электроэнергии, поскольку лампам с низкой эффективностью потребуется больше электроэнергии для получения светового потока, необходимого для освещения.
Хотя потерянная энергия преобразуется в тепло, и это тепло может способствовать требуемому обогреву помещения, этот аспект существенно не изменяет энергоэффективность, потому что (а) нагревательные эффекты нежелательны при любых условиях (например, летом) и (б) электрическое отопление сравнительно неэффективно из-за значительного расхода энергиипотери при выработке электроэнергии. Например, при использовании в тепловом насосе то же количество электроэнергии может внести гораздо больший вклад в нагрев, и это только тогда, когда это требуется.
Зависимость от температуры, затемнения и старения
Светоотдача некоторых источников света зависит от температуры. Для люминесцентных ламп она ориентировочно повышается с повышением температуры, в то время как для светодиодов все наоборот.
Лампы накаливания совершенно нечувствительны к температуре окружающей среды, в то время как существует сильная зависимость от рабочего напряжения (мощности): при уменьшении яркости такой лампы ее эффективность может быть существенно снижена, в то время как затемнение люминесцентных ламп и светодиодов может быть выполнено при сохранении эффективности.
Эффективность также может ухудшаться во время эксплуатации из-за процессов старения.
Светоотдача лампы
Светоотдача источника света обычно определяется как его светоотдача, деленная на максимально возможное значение эффективности. В связи с этим возникает вопрос, что именно подразумевается под “максимально возможным”.:
- Можно принять идеальное значение 683 лм / Вт, достигнутое для идеально эффективного источника света при длине волны 555 нм. В этом случае лампочка с мощностью 15 лм/Вт будет иметь светоотдачу 15/683 = 2,2%. Тогда даже идеально энергоэффективный источник белого света никогда не сможет достичь 100% светоотдачи, поскольку эффективность обязательно снижается, например, для красной и синей спектральных составляющих.
- Альтернативно, можно взять светоотдачу идеально эффективного источника света, имеющего ту же форму оптического спектра, что и рассматриваемый источник света. Например, для источника белого света это значение будет существенно ниже, так что результирующая светоотдача выйдет соответственно большей. В качестве количественного примера, белая светодиодная лампа может иметь светоотдачу 180 лм / Вт, а ее спектр может привести к теоретически возможной светоотдаче 300 лм / Вт; светоотдача тогда составит 180/300 = 60%. Это число показывает, насколько технология близка к теоретически возможному максимуму для данного светового спектра.
Похоже, что первое определение более распространено в литературе; многие авторы, похоже, на самом деле не осознают вопроса, какое именно определение выбрать.
Эффективность освещения
Эффективность системы освещения во многом зависит от световой эффективности источников света, но следует иметь в виду некоторые дополнительные аспекты, как описано ниже.
Стоимость эксплуатации системы освещения по существу определяется требуемым световым потоком, умноженным на продолжительность работы, и делится на светоотдачу осветительных приборов (а не только на выработку света). Этот расчет обеспечивает необходимую электрическую энергию, например, в течение 24 часов. Однако этот подход, применяемый, например, к конкретной комнате, является довольно грубым, поскольку он игнорирует подробные потребности в освещении.
Более точный подход заключается в рассмотрении того, в каких зонах помещения требуется какой уровень освещенности. Например, часто бывает достаточно высокой освещенности в нескольких местах, где люди должны иметь возможность читать документы; остальную часть помещения можно поддерживать при значительно более низком уровне освещенности.
Для максимальной эффективности затем обеспечивается определенный базовый уровень освещения (часто с помощью рассеянных источников) и некоторые дополнительные более направленные источники света для дальнейшего освещения ограниченных областей. Важность высокой светоотдачи, как правило, наиболее высока для основного освещения, на которое приходится наибольшая часть общего светового потока.
Другими важными аспектами эффективности являются то, сколько дневного света может быть использовано и сколько генерируемого света поглощается, например, на темных стенах. Обратите внимание, что белые строительные материалы отражают или рассеивают большую часть падающего света, что значительно снижает требуемый световой поток от искусственных источников света по сравнению с помещением, содержащим много темных материалов.
Что такое люксы и люмены, и почему ватты – не главное в светодиодном освещении
Почему одна LED-лампа светит сильнее, чем другая, такой же мощности? Что такое световой поток и чем он отличается от освещенности? Как определиться с количеством ламп, зная их световой поток и размеры помещения. Ответы на эти вопросы вы найдете в нашей новой статье.
Во времена повсеместного распространения ламп накаливания (ЛОН), зная, сколько ватт потребляет лампа, можно было с уверенностью предполагать, сколько света она будет давать. Две лампы одинаковой мощности, произведенные на разных заводах, излучают практически одинаковое количество света, и, приобретая ЛОН, покупателю достаточно было ориентироваться на показатель ее мощности. Сейчас ЛОН в прошлом, но до сих пор многие действуют подобным образом и при покупке светодиодных ламп, хотя с ними дело обстоит несколько иначе.
Световой поток и энергоэффективность
Основным и наиболее значимым параметром любого осветительного прибора является количество света, которое он вырабатывает в единицу времени. Эта величина называется световым потоком источника света, а единицей измерения для него в международной системе СИ официально принят Люмен (Lumen, Лм). Величина светового потока зависит от электрической мощности источника света, но не определяется только мощностью. Особенно это актуально для светодиодных ламп.
В ЛОН количество света, которое она вырабатывает, зависит от материала нити накаливания и ее температуры. Но эти параметры в разных лампах отличаются мало, поэтому и светят ЛОН одной мощности примерно одинаково. В LED-лампах свет вырабатывают светодиоды. Световой поток светодиода, как и лампы накаливания, также зависит от материалов и режима работы полупроводникового кристалла, но, в отличии от ЛОН, эти свойства у разных светодиодов сильно отличаются, и более качественные и современные светодиоды при одной и той же электрической мощности вырабатывают больше света.
Связь между электрической мощностью источника света и его световым потоком характеризуется энергоэффективностью и определяется как отношение величины светового потока к мощности. Энергоэффективность показывает, сколько света вырабатывает источник на 1 ватт затраченной мощности, иными словами это – световой КПД, и чем он больше, тем более экономичным является источник света.
Величину светового потока и мощность выбранной LED-лампы узнать достаточно просто, нужно всего лишь посмотреть на ее упаковку – в соответствии с требованиями стандартов производители светодиодных ламп обязаны указывать значение этих характеристик на упаковке продукции. Энергоэффективность лампы на упаковке приводить не обязательно, поэтому, если этот параметр не указан, покупатель легко может рассчитать его самостоятельно, разделив значение светового потока на мощность.
Рассмотрим конкретный пример:
Примерная величина светового потока бытовой лампы накаливания мощностью в 60 ватт составляет 700 люменов, а 100-ваттной – около 1200 люменов. Таким образом, разделив 700 на 60, получаем энергоэффективность 11,7 лм/Вт – у 60-ваттной лампочки и 12 лм/Вт – у 100-ваттной.
Если со стандартными ЛОН все достаточно просто, то, проведя анализ представленных на украинском рынке светодиодных ламп мощностью, к примеру, 6 Вт, мы увидим, что величина их светового потока находится в диапазоне от 450 до 700 люменов. То есть, их энергоэффективность колеблется от 75 до 117 лм/Вт, и может отличаться даже в рамках одной и той же серии у конкретного производителя. Эффективность LED-ламп зависит, прежде всего, от типа, качества и характеристик использованных при их создании светодиодов, а также технических решений, применяемых изготовителем. Наиболее качественные образцы продаваемых на украинском рынке светодиодных ламп традиционного типа имеют энергоэффективность до 120 Лм/Вт, а лампы на основе филаментной нити – до 150 Лм/Вт.
Что такое освещенность
Обладая информацией о величине светового потока определенной лампы и размерах освещаемого помещения, можно рассчитать другой важный показатель – освещенность.
Освещенность – это световая величина, отображающая количество света, попадающее на определенный участок площади. В международной системе (СИ) единицей измерения освещенности служит люкс (лк), при этом один люкс равен одному люмену на квадратный метр. Чем больший световой поток попадает на освещаемую поверхность, тем выше уровень ее освещенности.
Человеческий глаз неспособен определить конкретное значение уровня освещенности без вспомогательных средств, поэтому, если требуется получить точную информацию, используют специальный прибор – люксметр.
Насколько ярко следует освещать помещение
Основным критерием правильной организации освещения в любой комнате является, прежде всего, удобство и комфорт людей, которые ею пользуются. Тем не менее, существуют официальные нормы, определяющие оптимальный уровень освещенности комнаты, в зависимости от ее назначения.
Норма освещенности (лк)
Жилые комнаты, гостиные, спальни, жилые комнаты общежитий
Кухни, кухни-столовые (рабочие поверхности)