شار نوری، شدت نور، شدت روشنایی و درخشندگی (بخش اول)

 

شدت نور(luminous intensity)، شدت روشنایی(illuminance) و درخشندگی(luminance) (یا کاندلا ، لوکس و نیت)

تفاوت‌های زیادی بین luminous flux (شار نوری) ، luminous intensity (شدت نور)، illuminance (شدت روشنایی) و luminance (درخشندگی) وجود دارد که دانستن آن‌ها نیاز به تخصص بالایی دارد. ما در این بخش قصد داریم به بیان جزئیات بپردازیم تا پیچیدگی را برطرف کنیم. ابتدا یک توضیح اجمالی خواهیم داشت. luminous flux (شار نوری) به مقدار نور دریافتی توسط انسان که از منبع نور خارج می‌شود گفته می‌شود و با لومن (Luman) اندازه‌گیری می‌شود. luminous intensity (شدت نور) به مقدار نوری که از منبع نور خارج می‌شود و از داخل یک زاویه فضایی (با واحد استرادیان) می‌گذرد، گفته می‌شود و با کاندلا (= لومن بر استرادیان) Candela(= Luman/Stradian) اندازه‌گیری می‌شود. illuminance  (شدت روشنایی) به مقدار نوری که از منبع نور خارج می‌شود و به یک سطح (با واحد مترمربع) می‌رسد گفته می‌شود و با لوکس (= لومن بر مترمربع) Lux(= Luman/m2) اندازه‌گیری می‌شود. و سرانجام، luminance (درخشندگی) به مقدار نوری که از منبع نور خارج می‌شود و از داخل یک زاویه فضایی (با واحد استرادیان) می‌گذرد، و به یک سطح (با واحد مترمربع) می‌رسد گفته می‌شود و با نیت (= کاندلا بر مترمربع)  nit(= Candela/m2)اندازه‌گیری می‌شود.

شدت نور(luminous intensity)

مقدار شدت نور (ILum) یک مؤلفه هدایتی به شار نوری (luminous flux) می‌افزاید. این یک نور تابشی با یک زاویه دوبعدی معین است. این زاویه دوبعدی زاویه فضایی نامیده می‌شود و با استرادیان (sr) اندازه گرفته می‌شود. زاویه فضایی به صورت مخروطی از منبع ساتع می‌شود. در واحد SI، یک کره با شعاع 1 متر دارای مساحت 4π مترمربع است. بنابراین یک کره 4π استرادیان و یک نیم‌کره 2π استرادیان است و به این نسبت ادامه دارد. یک استرادیان، یک کره را به شکل یک کاسه گرد قطع می‌کند. هنگامی که آن کاسه مساحت 1 متر مربع داشته باشد، آنگاه زاویه فضایی به عنوان 1 sr تعریف می‌شود. یا به‌طور کلی‌تر، در یک کره با شعاع r، اگر مساحت قسمت قطع‌شده برابر r2 باشد زاویه فضایی 1 sr تعیین می‌شود.

واحد SI شدت نور کاندلا (cd) است. یک کاندلا برابر یک لومن بر استرادیان است و تقریباً شدت نور یک شمع (candle) را نشان می‌دهد. از آن‌جا که یک کاندلا برابر یک لومن بر استرادیان است، برای به‌دست‌آوردن لومن در یک کره کامل، آن را در 4π ضرب می‌کنیم. لذا یک شمع تقریباً 12.6 لومن نور ساطع می‌کند.

یک لامپ رشته‌ای معمولی 100 وات در ابتدای مصرف 1700 لومن نور ساطع می‌کند. این لومن‌ها در کل زاویه فضایی یا 4π ساطع می‌شوند. برای محاسبه شدت نور برای این لامپ، 1700 به 4π تقسیم می‌شود و 135 کاندلا به‌دست می‌آید.

اگر یک بازتابنده کامل در کنار همان لامپ قرار داده شود، تمامی نور به یک نیم‌کره، 180درجه یا 2π sr ساطع می‌شود. بنابراین شدت نور برابر 1700Lm/2πsr=271cd  کاندلا خواهد شد. این دوبرابر شدت نور است زیرا همان مقدار نور به نیمی از ناحیه می‌رود.

 

یک استرادیان 1 مترمربع از یک توپ با شعاع 1 متر را قطع می‌کند.

 

 

شدت نوری در شرایط مختلف

برای نمایش بهتر، در صورت استفاده از موبایل، صفحه را بچرخانید.

منبع نوری	شار نوری(Lm) φlum	زاویه (2θ)	نیم زاویه (θ)	زاویه فضایی(sr) Ω	شدت نور (Lm/sr=cd)
شمع	12.6	360 درجه	180 درجه	4π	1
لامپ 100 وات رشته ای	1700	360 درجه	180 درجه	4π	135
لامپ 100 وات رشته ای با رفلکتور 180 درجه	1700	180 درجه	90 درجه	2π	271
لامپ 100 وات رشته ای با رفلکتور 36 درجه	1700	36 درجه	18 درجه	0.3075	5528

 

 

برای زاویه دلخواه θ ، زاویه فضایی Ω را می توان با فرمول Ω = 2π (1 – cos (θ)) محاسبه کرد. به تعریف این زاویه دقت کنید که به‌عنوان نیمی از زاویه کل است. به‌عنوان مثال در نیم‌کره که زاویه تابش 2θ = 180 درجه است، لذا θ = 90 درجه است و بنابراین  Ω = 2π(1 – cos (90°)) = 2π sr (استرادیان) است. در زاویه تابش 60 درجه، و θ = 30 درجه است و بنابراین  Ω = 2π(1 – cos (30°)) = 0.84 sr (استرادیان) به دست می‌آید.

 

زاویه فضایی در استرادیان (sr) به‌ازای زاویه نیمه تابش در درجه (°)

 

حال بیایید همان لامپ 100 وات را که با استفاده از یک بازتابنده در پروژکتور، تمامی نور در 36 درجه ساطع می‌شود را درنظر بگیریم. θ = 18  درجه، Ω = 0.3075 sr ، و Ilum = 5528 cdخواهد بود.

ال ای دی های از نوع مقیاس توان پایین که بیشتر نور را به طور مستقیم ساطع می‌کنند، عموماً به جای لومن با کاندلا مشخص می‌شوند. به عنوان مثال یک LED ممکن است دارای زاویه دید 15 درجه، شدت نور 14 کاندلا و شار نوری 0.7 لومن باشد. تمامی لومن‌ها در داخل آن زاویه دید ساتع شده‌اند. به این صورت که با θ = 7.5 درجه، ما Ω = 0.05 sr ، و Ilum = 0.7 lm / 0.05 sr = 14 cd دریافت می‌کنیم.

بیایید درنظر بگیریم که می‌خواهید یک لامپ معادل MR-16 با LED بسازید. در جدول انواع متداول لامپ های MR-16  و خروجی لومن آنها را مشاهده می کنید. زاویه تابش به نقطه‌ای اطلاق می‌شود که شدت نور نسبت به حداکثر شدت نور 50٪ کمتر باشد.  یک چراغ نورمتمرکز (spot light) 12درجه 20 وات دارای 3350 CBCP (توان شمعی تابش مرکزی) است. توان شمعی اصطلاح قدیمی کاندلا است. بنابراین بیایید ابتدا مقدار لومن ساطع شده را محاسبه کنیم. برای بدست آوردن Ω = 0.0344 sr مقدار θ = 6 درجه را به‌کار گرفتیم. سپس با ضرب Ilum × Ω = 3350 cd × 0.0344 sr = 115 Lm  ، لومن به‌دست می‌آید. به یاد داشته باشید که candela = lumens / sr است. بنابراین، برای یک سیستم معادل، نیاز داریم تا LED ها 115 Lm را در زاویه پرتو 12 درجه ساطع کنند.

 

انواع معمول لامپ MR-16

برای نمایش بهتر، در صورت استفاده از موبایل، صفحه را بچرخانید.

MR-16	زاویه پخش	I lum (کاندلا یا CBCP)	زاویه فضایی Ω (sr) = 2π(1-cos(beam angle/2))	شار نوری (لومن) φ=I lum x Ω
20W spot	12 درجه	3350	0.0344	115
20W narrow flood	24 درجه	880	0.1373	121
20W flood	36 درجه	450	0.3075	138
35W narrow flood	24 درجه	1700	0.1373	233
35W flood	36 درجه	950	0.3075	292
35W wide flood	60 درجه	370	0.8418	311
50W spot	12 درجه	8600	0.0344	296
50W narrow flood	24 درجه	2700	0.1373	371
50W flood	36 درجه	1500	0.3075	461
50W wide flood	60درجه	620	0.8418	522

تعریف زاویه تابش

معیار های نور

برای نمایش بهتر، در صورت استفاده از موبایل، صفحه را بچرخانید.

کمیت	نماد	رادیومتریک	واحد	فتومتریک	واحد
مقدار نور	φ	شار تابشی، توان تابشی	Watt(W)	شار نوری	Lumen (Lm)
شدت نور	I = φ/Ω	شدت تابش	Watts/steradian(W/sr)	شدت نور	Lumens/steradian = candela (cd)
نور روی یک سطح	E = φ/A	تابندگی	W/m2 وات بر متر مربع	درخشندگی	Lux

 

ادامه دارد . . .