Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Phương pháp thực nghiệm để xác định quang thông của các nguồn sáng bất đối xứng

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được chia làm ba chương: Quang thông trong hệ thống các đại lượng trắc quang; phương pháp đo quang thông của nguồn sáng bằng cầu tích phân (hay đo quang thông bằng phương pháp độ rọi); đo quang thông của các nguồn sáng có trường sáng bất đối xứng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Phương pháp thực nghiệm để xác định quang thông của các nguồn sáng bất đối xứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------*----------- Nguyên Xuân Hoàng PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------*----------- Nguyên Xuân Hoàng PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Hải Hƣng Hà Nội - 2013 2
LỜI CAM ĐOAN Nội dung luận văn đƣợc nghiên cứu nhằm giải quyết một vấn đề thực tiễn là xác định quang thông và sự phân bố quang thông trong không gian chiếu sáng của một nguồn sáng (bộ đèn) có cấu trúc bất đối xứng. Bằng phƣơng pháp truyền thống là đo quang thông bằng cầu tích phân ta không làm đƣợc điều này hoặc làm nhƣng kết quả đo không không chính xác. Dựa trên cơ sở lý thuyết về các đại lƣợng trắc quang và mối liên hệ giữa quang thông với các đại lƣợng trắc quang khác, chúng tôi đã xây dựng phƣơng pháp thực nghiệm để xác định quang thông của các nguồn sáng bất kỳ, đặc biệt là cho các nguồn sáng có kích thƣớc lớn và bất đối xứng. Trong luận văn này, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Hải Hƣng, tôi đã nghiên cứu về mặt lý thuyết, tiến hành đo đạc và tính toán quang thông của một số bộ đèn có phân bố trƣờng sáng bất đối xứng tại Phòng thí nghiệm Vật lý và kỹ thuật ánh sáng trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong thời gian làm luận văn tôi đã đƣợc tham quan và tham gia kiểm định một số công trình chiếu sáng tại thành phố Hải Phòng. Tôi xin cam đoan những nội dung trong đề tài luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung luận văn hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Các trích dẫn trong luận văn này là chính xác, trung thực và đã là các thông tin công bố rộng rãi Tác giả luận văn Nguyễn Xuân Hoàng 3
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Thày giáo - TS. Lê Hải Hƣng, cán bộ giảng dạy Viện Vật lý kỹ thuật, trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội, ngƣời đã tận tình giúp đỡ về mọi mặt để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng vô cùng cảm ơn thầy giáo, PGS. TS. Phùng Quốc Bảo, ngƣời đã không những trực tiếp truyền đạt những kiến thức cơ bản về Vật lý cho tôi trong suốt quá trình học tập ở cả hại bậc học đại học và cao học mà mà còn là ngƣời giới thiệu tôi đến với thầy TS. Lê Hải Hƣng và PTN Vật lý và kỹ thuật ánh sáng , Viện Vật lý kỹ thuật, trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội, chính ở nơi đây tôi đã có điều kiện tiếp cận với một lĩnh vực mới, đó là Kỹ thuật ánh sáng, một lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong phát triển kinh tế và đời sống Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong bộ môn Quang học và quang lƣợng tử thuộc khoa Vật lý và Phòng đào tạo sau đại học , Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên- ĐHQG Hà Nội đã tạo những điều kiện tốt nhất có thể cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn Cuối cùng, xin vô cùng cảm ơn gia đình và những ngƣời thân đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vƣợt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn. Hà nội, ngày 04 tháng 12 năm 2013 Nguyễn Xuân Hoàng 4
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 9 2. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 11 3. Bố cục của luận án ......................................................................................... 11 Chƣơng 1: QUANG THÔNG TRONG HỆ THỐNG CÁC ĐẠI LƢỢNG TRẮC QUANG ................................................................................................... 12 1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƢƠNG PHÁP ĐO ÁNH SÁNG ................................ 12 1.1.1. Trắc quang chủ quan .......................................................................... 12 1.1.2. Trắc quang khách quan ...................................................................... 13 1.2. NĂNG LƢỢNG BỨC XẠ, HÀM SỐ THỊ KIẾN, QUANG THÔNG ......... 13 1.2.1. Năng lƣợng bức xạ ............................................................................ 13 1.2.2. Hàm số thị kiến ................................................................................. 14 1.2.3. Quang thông ...................................................................................... 18 1.2.4. Cƣờng độ sáng .................................................................................. 19 1.2.5. Độ rọi ................................................................................................ 22 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP ĐO QUANG THÔNG CỦA NGUỒN SÁNG BẰNG CẦU TÍCH PHÂN (HAY ĐO QUANG THÔNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỘ RỌI) ................................................................................................... 25 2.1. QUẢ CẦU TÍCH PHÂN ............................................................................. 25 2.2. TÍNH TOÁN QUANG THÔNG ................................................................. 27 2.3. THỰC NGHIỆM ĐO QUANG THÔNG CỦA MỘT VÀI LOẠI BÓNG ĐÈN... 31 2.3.1. Đo quang thông của đèn sợi đốt của Công ty Điện Quang ................. 31 2.3.2. Đo quang thông của đèn compact của công ty Rạng Đông ................. 31 2.4. SỰ BẤT LỰC CỦA QUẢ CÂU TÍCH PHÂN TRONG VIỆC ĐO QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG KÍCH THƢỚC LỚN VÀ CÓ PHÂN BỐ SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG. .................................................................................. 32 2.4.1 Đo quang thông của đèn LED Panel: .................................................. 32 2.4.2. Đo quang thông của bộ đèn chiếu sáng đƣờng RAINBOW: ............... 33 Chƣơng 3: ĐO QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỐN SÁNG CÓ TRƢỜNG SÁNG BẤT ĐÓI XỨNG ................................................................... 35 3.1. CÁC BIỂU ĐỒ CƢỜNG ĐỘ SÁNG .......................................................... 35 3.1.1. Hệ tọa độ Đề các................................................................................ 35 5
3.1.2. Hệ tọa độ cực ..................................................................................... 36 3.1.2.1. Ba cách biểu diễn ...................................................................... 36 3.1.2.2. Quan hệ giữa các tọa độ trong ba cách biểu diễn bắng tọa độ cực .. 37 3.2. ĐO VÀ VẼ CÁC BIỂU ĐỒ CƢỜNG ĐỘ SÁNG ....................................... 39 3.2.1.Góc kế quang học ............................................................................. 39 3.2.2. Nguyên tắc hoạt động ....................................................................... 40 3.3. ĐO VÀ TÍNH QUANG THÔNG CỦA BỘ ĐÈN DỰA VÀO BIỂU ĐỒ CHIẾU SÁNG CỦA NÓ ................................................................................... 40 3.4. ĐO QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUANG THÔNG VÙNG. ......................................... 43 3.4.1.Vùng và hệ số vùng ........................................................................... 43 3.4.2. Quang thông vùng ............................................................................. 44 3.4.3. Mô tả phép đo ................................................................................... 46 3.4.4. Các kết quả đo ................................................................................... 46 3.4.4.1. Bộ đèn 1 .................................................................................... 47 3.4.4.2. Bộ đèn LED panel .................................................................... 65 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 78 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 81 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 82 6
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Vùng bƣớc sóng và màu sắc tƣơng ứng trong quang phổ của ánh sáng trắng ................................................................................ 14 Bảng 1.2. Độ nhạy của mắt trung bình ứng với các bƣớc sóng khác nhau trong vùng nhìn thấy ...................................................................................... 16 Bảng 1.3. Cƣờng độ sáng của một số nguồn sáng điển hình .................................. 21 Bảng 1.4. Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng .................................. 22 Bảng 1.5. Một vài giá trị độ rọi điển hình. ............................................................. 24 Bảng 2.1. Kết quả đo quang thông một số đèn sợi đốt của công ty Điện quang ..... 31 Bảng 2.2. Kết quả đo quang thông một số đèn compact của công ty Rạng Đông .. 31 Bảng 2.3. Giá trị quang thông của bộ đèn LED panel ở các vị trí khác nhau .......... 33 Bảng 2.4. Giá trị quang thông của bộ đèn RAINBOW ở các vị trí khác nhau ....... 34 Bảng 3.1. Quy tắc chuyển đổi tọa độ giữa các cách biểu diễn trong tọa độ cực. .... 37 Bảng 3.2 Tính quang thông của bộ đèn theo công thức (5) .................................... 42 Bảng 3.3. Mô tả vùng và hệ số vùng cho các góc 20, 50, 100 .................................. 44 Bảng 3.4. Cƣờng độ sáng theo từng góc của đèn RAINBOW 250W ...................... 47 Bảng 3.5. Quang thông của các vùng (00 → 50) và (50 → 100) ............................... 51 Bảng 3.6. Quang thông của các vùng (100 → 150) và (150 → 200) ......................... 52 Bảng 3.7. Quang thông của các vùng (200 → 250) và (250 → 300) ......................... 54 Bảng 3.8. Quang thông của các vùng (300 → 350) và (350 → 400) ......................... 55 Bảng 3.9. Quang thông của các vùng (400 → 450) và (450 → 500) ......................... 56 Bảng 3.10. Quang thông của các vùng (500 → 550) và (550 → 600) ....................... 58 Bảng 3.11. Quang thông của các vùng (600 → 650) và (650 → 700) ....................... 59 Bảng 3.12. Quang thông của các vùng (700 → 750) và (750 → 800) ....................... 60 Bảng 3.13. Quang thông của các vùng (800 → 850) và (850 → 900) ....................... 62 Bảng 3.14. Quang thông của các vùng (900 → 950) và (950 → 1000) ..................... 63 Bảng 3.15 Tính tổng quang thông vùng ................................................................. 64 Bảng 3.16. Quang thông cho từng vùng của bộ đèn theo quy định của CIE: ......... 65 Bảng 3.17. Cƣờng độ sáng theo từng góc của đèn LED panel 52W ....................... 66 Bảng 3.18. Quang thông của các vùng (00 → 100) và (100 → 200) ......................... 69 Bảng 3.19. Quang thông của các vùng (200 → 300) và (300 → 400) ....................... 71 Bảng 3.20. Quang thông của các vùng (400 → 500) và (500 → 600) ....................... 72 Bảng 3.21. Quang thông của các vùng (600 → 700) và (700 → 800) ....................... 74 Bảng 3.22. Quang thông của các vùng (800 → 900) và (900 → 1000) ..................... 75 Bảng 3.23. Tính tổng quang thông vùng ................................................................ 77 Bảng 3.24 Quang thông cho từng vùng của bộ đèn theo quy định của CIE ........... 77 7
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Quang phổ của ánh sáng trắng................................................................ 14 Hình 1.2. Đƣờng cong thị kiến đối với mắt ngƣời .................................................. 18 Hình 1.3. Góc khối ................................................................................................ 19 Hình1.4. Để định nghĩa cƣờng độ sáng .................................................................. 20 Hình 1.5. Để định nghĩa độ rọi .............................................................................. 22 Hình 1.6. Độ rọi trong trƣờng hợp phƣơng của chùm sáng nghiêng một góc với mặt đƣợc chiếu sáng............................................................................... 23 Hình 2.1 Quả cầu tích phân: .................................................................................. 25 Hình 2.2. Phổ tán xạ của BaSO4 ............................................................................ 25 Hình 2.3. Cầu tích phân đƣờng kính 2m do hãng Science Lighting (Hoa Kỳ) chế tạo, đặt tại PTN Vật lý và KTAS, ĐHBK Hà Nội ........................... 26 Hình 2.4. Quang phổ (a) và tọa độ mầu của một loại đèn LED (b) ......................... 26 Hình 2.5. Bộ đèn chuẩn đƣợc chế tạo tại hãng Lighting Sciences (Arizona U.S.A), đặt tại PTN Vật lý và KTAS, ĐHBK Hà Nội ............. 29 Hình 2.6: Chứng chỉ kiểm định của các bóng đèn chuẩn đặt tại PTN Vật lý và KTAS, ĐHBK Hà Nội ...................................................................... 30 Hình 2.7. Ba vị trí đặt LED panel trong cầu tích phân để đo quang thông .............. 32 Hình 3.1. Bộ đèn pha và biểu đồ chiếu sáng trong hệ tọa độ Đề các ...................... 35 Hình 3.2. Ba cách biểu diễn trong hệ tọa độ cực .................................................... 36 Hình 3.3. Quy ƣớc các mặt phẳng (C, ) của bộ đèn trong tọa độ cực. ................... 37 Hình 3.4. Đƣờng cong phân bố cƣờng độ sáng của một bộ đèn theo hệ (C-) (CIE 43-1979 Guide). (Nguồn: PTN Vật lý và KTAS, ĐHBK HN) ....... 39 Hình 3.5. Phân bố cƣờng độ sáng của một bộ đèn hệ tọa độ Đề các (a), hệ toạn độ cực (b) .................................................................................. 39 Hình 3.6. Nguyên lý cấu tạo của goniophotometer dùng gƣơng quay ................... 39 Hình 3.7. Góc kế quang học do hãng Lighting Science (Hoa Kỳ) chế tạo, đặt tại PTN Vật lý và KTAS, ĐHBK Hà Nội ........................................ 40 Hình 3.8. Phân bố cƣờng độ sáng của một loại đèn có trục đối xứng ..................... 41 Hình 3.9. Mô tả một vùng ...................................................................................... 43 Hình 3.10. Tập dữ liệu trắc quang của bộ đèn huỳnh quang trong máng parabol.... 45 Hình 3.11. Bộ đèn Natri RAINBOW High Pressure Sodium (HPS) 250W do công ty Hapulico Việt Nam sản xuất ............................................... 47 Hình 3.12. Biểu đồ cƣờng độ sáng của bộ đèn RAINBOW HPS – 250W .............. 50 Hình 3.13. LED panel và một công trình đƣợc chiếu sáng bằng LED panel ........... 65 Hình 3.14. Biểu đồ cƣờng độ sáng của bộ đèn LED panel 600 x 600 ..................... 69 8
LỜI NÓI ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Về phƣơng diện vật lý, quang thông của nguồn sáng đƣợc hiểu là phần năng lƣợng của sóng điện từ truyền vào không gian mà con ngƣời cảm thụ đƣợc bằng mắt. Suy cho cùng, quang thông của nguồn sáng chính là số photon có tần số nằm trong khoảng (7,89 ÷ 3,94)1014Hz, hay bƣớc sóng nằm trong khoảng (0,38 ÷ 0,76)10 -6 m do nguồn bức xạ vào không gian nằm trong vùng nhìn thấy của mắt (Visible: Vis) Trong lĩnh vực kỹ thuật ánh sáng, quang thông chính là đại lƣợng đắc trƣng cho khả năng bức xạ (công suất bức xạ) ra ánh sáng nhìn thấy của nguồn sáng. Các giá trị quang thông liên quan đến một bộ đèn, đó là: - Quang thông do bóng đèn phát ra: Φ0 - Quang thông của bộ đèn là quang thông sau khi đã lắp chóa phản xạ vào nguồn sáng phát ra: Φ  - Hiệu suất chiếu sáng của bộ đèn là tỷ số .100% 0 Trong thực tế, quang thông của bộ đèn bao giờ cũng nhỏ hơn quang thông của nguồn vì một phần quang thông của nguồn đã bị hấp thụ trong bộ đèn và hệ số phản xạ của chóa đèn luôn nhỏ hơn đơn vị. Một bộ đèn tốt là bộ đèn có hiệu suất chiếu sáng cao. Thông thƣờng, sau khi sản xuất, quang thông Φ0 của mỗi loại bóng đèn đã đƣợc xác định và công bố bởi nhà sản xuất với một cấp chính xác nào đó. Tuy nhiên, sau khi lắp thành bộ đèn, cái mà ngƣời ta quan tâm đôi khi không phải là Φ0 của bóng mà là giá trị quang thông hữu ích Φ nó phát ra là bao nhiêu. Trong quy định giao dịch thƣơng mại quốc tế về thiết bị chiếu sáng, một sản phẩm chiếu sáng hoàn chỉnh nhất thiết phải bao gồm hiện vật là bộ đèn (gồm nguồn sáng và các linh kiện đi kèm), tệp dữ liệu trắc quang (Photometric Data), trong đó các trị số quang thông và phân bố quang thông bắt buộc phải đƣợc thông tin. Các thông tin về quang thông không những là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng bộ đèn mà còn đóng vai trò là các thông số đầu vào để thiết kế 9
một công trình chiếu sáng cụ thể với mục tiêu “sử dụng năng lƣợng tiết kiệm và hiệu quả” [3] Đo quang thông của bóng đèn (Φ0) là một việc khá đơn giản đƣợc thực hiện bằng quả cầu tích phân (Integrating Sphere) và đã đƣợc Nhà nƣớc tiêu chuẩn hóa bằng bộ Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7541-2 : 2005, (Phụ lục). Hiện nay, ở nƣớc ta, các cơ sở sản xuất nguồn sáng nhƣ Công ty Rạng Đông (Hà Nội), công ty Điện Quang (TP Hà Chí Minh) và một số Phòng thí nghiệm chuyên ngành đã thực hiện đƣợc phép đo này. Tuy nhiên việc đo giá trị quang thông hữu ích của bộ đèn cho đến nay vẫn là một công việc rất khó khăn của các nhà sản xuất và cơ quan đo lƣờng trong nƣớc vì lý do là các chóa đèn thƣờng có kích thƣớc rất khác nhau và có cấu trúc bất đối xứng nên trƣờng sáng của bộ đèn cũng bất đối xứng. Vì vậy không thể xác định quang thông của chúng bằng cầu tích phân đƣợc hoặc nếu đo bằng quả cầu tích phân thì kết quả đo có sai số rất lớn. Cũng chính vì thế, cho đến thời điểm này, một số sản phẩm chiếu sáng sản xuất tại Việt Nam, trong những trƣờng hợp cần thiết vẫn phải gửi đo tại các phòng thí nghiệm của nƣớc ngoài. Theo lý thuyết trắc quang, phép đo quang thông hữu ích của bộ đèn có trƣờng sáng bất kỳ phải đƣợc thực hiện qua phép đo tổng quang thông mà bộ đèn phát ra trong tất cả các vùng không gian đƣợc chiếu sáng hay quang thông vùng. Phép đo phải đƣợc tiến hành trong phòng tối có kích thƣớc đủ lớn với thiết bị đo cơ bản là góc kế quang học (Goniophotometer).[6] Là phòng thí nghiệm duy nhất tại Việt Nam đƣợc trang bị góc kế quang học, trong thời gian gần đây, phòng thí nghiệm Vật lý và Kỹ thuật ánh sáng, viện Vật lý kỹ thuật, trƣờng đại học bách khoa Hà Nội đã tiến hành nhiều phép đo quang thông hữu ích của một số bộ đèn bất đối xứng và đã có kết quả công bố trên tạp chí chuyên ngành [4]. Tự nhận thấy đây là một vấn đề có tính thời sự cao và đƣợc sự gợi ý của Thầy hƣớng dẫn, tôi đã chọn đề tài của luận văn là: “Phương pháp thực nghiệm để xác định quang thông của các nguồn sáng bất đối xứng”. 10
Trong luận văn này, nguồn sáng bất đối xứng đƣợc hiểu là các bộ đèn có trƣờng sáng phân bố bất đối xứng trong không gian. 2. Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện luận văn, ngoài việc tìm đọc những tài liệu chuyên ngành về trắc quang, công việc chủ yếu của chúng tôi là tiến hành đo quang thông của một số loại bộ đèn mà trƣờng sáng có cấu trúc bất đối xứng và tìm các phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy của các kết quả đo. 3. Bố cục của luận văn Luận văn đƣợc chia làm ba chƣơng; Chƣơng I. Quang thông trong hệ thồng các đại lƣợng trắc quang. Chƣơng II. Phƣơng pháp đo quang thông của nguồn sáng bằng cầu tích phân (hay đo quang thông bằng phƣơng pháp độ rọi). Chƣơng III. Đo quang thông của các nguồn sáng có trƣờng sáng bất đối xứng Kết luận, kiến nghị và phụ lục. Toàn bộ kết quả của luận văn đều đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm vật lý và kỹ thuật ánh sáng, viện vật lý kỹ thuật, trƣờng đại học Bách khoa Hà Nội. Đối với bản thân tác giả luận văn, đề tài này là một vấn đề mới chƣa đƣợc tiếp xúc trong quá trình đào tạo. Vì vậy, khi trình bày không thể tránh đƣợc các thiếu sót trên cả hai mặt nội dung và hình thức. Tác giả kính mong nhận đƣợc sự góp ý và chia sẻ của các Thầy và các bạn. 11
Chƣơng 1 QUANG THÔNG TRONG HỆ THỐNG CÁC ĐẠI LƢỢNG TRẮC QUANG 1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƢƠNG PHÁP ĐO ÁNH SÁNG Nhƣ đã biết, ánh sáng là một bức xạ điện từ mà mắt ngƣời nhận biết đƣợc, còn đƣợc gọi là bức xạ nhìn thấy (Visible: Vis). Ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng nằm trong một dải rất hẹp trong toàn phổ bức xạ điện từ (λ = 380 ÷ 760 nm). Nhƣ vậy, về mặt vật lý ánh sáng có bản chất và tính chất cơ bản của sóng điện từ nói chung, nhƣng về mặt sinh lý ánh sáng có ảnh hƣởng trực tiếp đến cơ quan cảm giác quan trọng là mắt ngƣời và tiếp đến là ảnh hƣởng tới khả năng quan sát của con ngƣời đó trong học tập, làm việc, trong các hoạt động thƣờng ngày. Để nghiên cứu và phản ánh đúng đầy đủ về các đặc điểm, tác dụng của ánh sáng trên cả hai phƣơng diện vật lý và tâm sinh lý, các đại lƣợng đo lƣờng ánh sáng đƣợc thiết lập thành một nhóm riêng biệt trong hệ thống các đại lƣợng đo lƣờng vật lý, gồm 2 bộ phận [2]: - Trắc quang chủ quan. - Trắc quang khách quan. 1.1.1. Trắc quang chủ quan Trắc quang chủ quan là phép đo các đại lƣợng ánh sáng dựa trên tác dụng sinh lý đối với mắt ngƣời. Phép trắc quang chủ quan đã trực tiếp khẳng định các đại lƣợng trắc quang không chỉ thuần túy là các đại lƣợng vật lý mà còn còn phụ thuộc vào tâm sinh lý của con ngƣời. Trong miền bức xạ điện từ khả kiến, các bức xạ có bƣớc sóng khác nhau gây cho mắt những cảm giác khác nhau về cƣờng độ và màu sắc. Cảm giác sáng còn thay đổi từ mắt ngƣời này sang mắt ngƣời khác. Vì vậy, định nghĩa các đại lƣợng và đơn vị trắc quang phải thiết lập đối với mắt trung bình, trên toàn bộ vùng bức xạ điện từ có khả năng kích thích thần kinh thị giác của mắt trung bình. Mắt trung bình hay còn đƣợc gọi là mắt chuẩn, đƣợc hội nghị trắc quang thế giới tiêu chuẩn hóa tại Hội nghị của Ủy ban chiếu sáng quốc tế C.I.E ( Commission Internationale de I’E’clairege) công bố năm 1924. 12
1.1.2. Trắc quang khách quan Trắc quang khách quan là phép đo các đại lƣợng ánh sáng thuần túy vật lý cũng nhƣ phép đo các đại lƣợng vật lý khác, nhƣ năng lƣợng, nhiệt độ, dòng điện v v... Trắc quang khách quan chứa những yếu tố khách quan, tức là không phụ thuộc vào cảm giác chủ quan của con ngƣời. Trong kỹ thuật đo lƣờng hiện đại, muốn đo ánh sáng ngƣời ta thƣờng dùng cảm biến quang điện (chân không hoặc bán dẫn) để biến ánh sáng thành dòng điện hoặc điện áp. Nhƣ vậy, theo ngôn ngữ đo lƣờng thì phép đo ánh sáng là phép đo điện các đại lƣợng không điện. 1.2. NĂNG LƢỢNG BỨC XẠ, HÀM SỐ THỊ KIẾN, QUANG THÔNG 1.2.1. Năng lƣợng bức xạ [1] Nhƣ đã biết, bất kỳ một vật nào có nhiệt độ tuyệt đối lớn hơn không đều liên tục bức xạ vào môi trƣờng những sóng điện từ. Bất kỳ chùm bức xạ nào cũng mang năng lƣợng, chẳng hạn phơi một miếng kim loại dƣới nắng, sau một lúc miếng kim loại nóng lên. Nhƣ vậy, miếng kim loại hấp thụ năng lƣợng bức xạ mặt trời chiếu tới nó và biến thành nhiệt năng. Để xây dựng biểu thức năng lƣợng bức xạ, ta cần phân biệt hai khái niệm năng lƣợng bức xạ đơn sắc và năng lƣợng bức xạ toàn phần với cách hiểu đơn giản là: - Năng lƣợng bức xạ đơn sắc là phần năng lƣợng do nguồn phát ra ứng với một bƣớc sóng nào đó. Ta ký hiệu năng lƣợng này là Wλ - Năng lƣợng bức xạ toàn phần là tổng tất cả các phần năng lƣợng đơn sắc mà nguồn có thể phát ra. Ta ký hiệu năng lƣợng toàn phần là W. Dễ dàng thấy rằng, năng lƣợng bức xạ toàn phần của nguồn sẽ bằng tổng các thông lƣợng bức xạ đơn sắc mà nó có thể phát ra:  W   W   W .d  (1.1) 0 Với 1 = 380 nm; 2 = 760 nm, là trị số hai đầu mút của vùng quang phổ nhìn thấy Trong ánh sáng trắng ban ngày (ánh sáng mặt trời), phổ của miền bức xạ khả kiến là tập hợp của vô số màu sắc khác nhau, biến thiên liên tục từ đỏ đến tím (hình 1.1). 13
Hình 1.1. Quang phổ của ánh sáng trắng Tuy nhiên, theo quy định quốc tế, ngƣời ta chia quang phổ của ánh sáng trắng thành bảy màu đặc trƣng với màu sắc tƣơng ứng trong bảng 1.1 Bảng 1.1. Vùng bƣớc sóng và màu sắc tƣơng ứng trong quang phổ của ánh sáng trắng [1] Vùng bƣớc sóng Màu sắc λ= 380 ÷ 450 nm Bức xạ màu tím λ = 450 ÷ 480 nm Bức xạ màu chàm λ = 480 ÷ 510 nm Bức xạ màu lam λ = 510 ÷ 550 nm Bức xạ màu lục λ = 550 ÷ 585 nm Bức xạ màu vàng λ = 585 ÷ 620 nm Bức xạ màu da cam λ = 620 ÷ 760 nm Bức xạ màu đỏ 1.2.2. Hàm số thị kiến [1,2] Trên thực tế, năng lƣợng bức xạ toàn phần W hoặc năng lƣợng bức xạ đơn sắc Wλ chỉ đặc trƣng thuần túy về phƣơng diện năng lƣợng chứ không đặc trƣng cho cảm giác về mức độ sáng mà chùm bức xạ gây ra trên mắt ngƣời. Các chùm bức xạ đơn sắc có cùng một năng lƣợng nhƣng với các bƣớc sóng λ khác nhau, luôn gây cho mắt những cảm giác khác nhau về cƣờng độ sáng và màu sắc. Điều này có nghĩa rằng, độ nhạy của mắt ngƣời không giống nhau đối với những bức xạ có bƣớc sóng khác nhau. 14
Thí dụ, với chùm bức xạ tử ngoại hoặc hồng ngoại, dù năng lƣợng của nó rất lớn cũng không gây cho mắt cảm giác sáng. Nhƣng bức xạ màu vàng lục (λ=555nm) thì chỉ cần một thông lƣợng khá nhỏ cũng đủ kích thích thần kinh thị giác và gây một cảm giác sáng. Cho nên, muốn đặc trƣng khả năng kích thích thần kinh thị giác của các chùm bức xạ, phải xét độ nhạy của mắt đối với từng bức xạ đơn sắc có bƣớc sóng khác nhau. Ta tiến hành một thực nghiệm nhƣ sau: Rọi sáng một vật lần lƣợt từng chùm bức xạ đơn sắc có bƣớc sóng khác nhau. Khi rọi chùm bức xạ đơn sắc nào, ta thay đổi thông lƣợng (năng lƣợng) của nó tăng dần từ thấp đến cao, cho tới lúc thị giác nhận thấy vật bị rọi. Giả sử với một năng lƣợng đơn sắc có giá trị Wλ đủ gây cho mắt một cảm giác sáng trên vật bị rọi, ngƣời ta gọi Wλ ngưỡng thấy Nghịch đảo giá trị của ngƣỡng thấy Wλ đƣợc gọi là độ nhạy  của mắt đối với bức xạ đơn sắc đó: 1   (1.2) W Nhƣ vậy, giá trị Wλ ở ngƣỡng thấy là giá trị nhỏ nhất của bức xạ đơn sắc có bƣớc sóng λ đủ gây cho mắt một cảm giác sáng xác định. Bức xạ đơn sắc có bƣớc sóng λ khác nhau, giá trị Wλ của ngƣỡng thấy khác nhau, độ nhạy  cũng khác nhau. Thực nghiệm trên mắt chuẩn, thị giác con ngƣời nhạy nhất với bức xạ đơn sắc màu vàng lục có λ= 555nm. Hội nghị chiếu sáng quốc tế quy ƣớc lấy độ nhạy của mắt đối với ánh sáng màu vàng lục bằng đơn vị :  555  1 Nhƣ vậy, so với bức xạ có bƣớc sóng λ= 555nm, những bức xạ đơn sắc khác, mắt kém nhạy hơn, độ nhạy  đều nhỏ hơn 1. Độ nhạy  = 0 đối với các bức xạ không nằm trong vùng khả kiến. 15
Ta có thể hiểu một cách đơn giản về độ nhạy trong hàm số thị kiến nhƣ sau: Nếu lấy một đơn vị thông lƣợng bức xạ đơn sắc “màu vàng lục” bƣớc sóng λ= 560 nm với độ nhậy  =0,995 làm chuẩn, thì bức xạ đơn sắc “màu lam”, bƣớc sóng 480nm với  = 0,139 phải có thông lƣợng lớn gấp 7,15 lần, còn bức xạ “màu đỏ” bƣớc sóng 700nm với  = 0,0041 phải có thông lƣợng lớn gấp 242,6 lần mới cho một cảm giác sáng tƣơng đƣơng với màu vàng lục. Bảng 1.2 trình bày giá trị độ nhạy của mắt trung bình ứng với các bƣớc sóng khác nhau trong vùng nhìn thấy. Bảng 1.2. Độ nhạy của mắt trung bình ứng với các bƣớc sóng khác nhau trong vùng nhìn thấy λ (nm)  (λ)  ' (λ) 380 0,000039 0,000589 390 0,00012 0,002209 400 0,000396 0,00929 410 0,00121 0,03484 420 0,004 0,0966 430 0,0116 0,1998 440 0,023 0,3281 450 0,038 0,455 460 0,06 0,567 470 0,09098 0,676 480 0,13902 0,793 490 0,20802 0,904 500 0,323 0,982 507 0,44431 1 510 0,503 0,997 520 0,71 0,935 530 0,862 0,811 540 0,954 0,65 550 0,99495 0,481 16
λ (nm)  (λ)  ' (λ) 555 1 0,402 560 0,995 0,3288 570 0,952 0,2076 580 0,87 0,1212 590 0,757 0,0655 600 0,631 0,03315 610 0,503 0,01593 620 0,381 0,00737 630 0,265 0,003335 640 0,175 0,001497 650 0,107 0,000677 660 0,061 0,000313 670 0,032 0,000148 680 0,017 0,000072 690 0,00821 0,000035 700 0,004102 0,000018 710 0,002091 0,000009 720 0,001047 0,000005 730 0,00052 0,000003 740 0,000249 0,000001 750 0,00012 0,000001 760 0,00006 0,000000 770 0,00003 0,000000 Từ các số liệu của bảng 1.2 ngƣời ta vẽ đƣợc các đồ thị gọi là đƣờng cong thị kiến (hình 1.2), trong đó đƣờng cong  là đƣờng cong thị kiến trong trƣờng hợp nhìn ban ngày (Photopic Vision), ' là đƣờng cong thị kiến trong trƣờng hợp nhìn ban đêm (Scotopic Vision). 17
'  Hình 1.2. Đƣờng cong thị kiến đối với mắt ngƣời Về phƣơng diện toán học, có thể coi “đƣờng cong thị kiến” biểu Hình 1.2. là đƣờng cong thị kiến của mắt ngƣời. Hình 1.2 cho thấy, trong ánh sáng ban ngày ứng với thị giác ban ngày (Photopic Vision ), độ nhạy υ của mắt chuẩn có giá trị bằng 1,000 tại bức xạ màu vàng lục có λ= 555 nm và bằng 0,000 tại bức xạ tử ngoại gần có λ= 380 nm và bức xạ hồng ngoại có λ = 760 nm. Trong ánh sáng ban đêm, ứng với thị giác ban đêm (Scotopic Vision), mắt chuẩn nhạy nhất đối với bức xạ màu xanh thẫm, bƣớc sóng λ = 510 nm, và bằng không tại bức xạ có λ = 380nm, và λ = 610nm. 1.2.3. Quang thông Thông lƣợng bức xạ trong miền bức xạ khả kiến gọi là quang thông, ký hiệu là Φ. Nhƣ vậy, trong miền bức xạ khả kiến, thông lƣợng bức xạ đơn sắc tƣơng ứng, quang thông đơn sắc là Φλ    .W (1.3) Với bức xạ đơn sắc màu vàng lục, λ= 555nm, vì rằng   1 cho nên:   W (1.4) 18
Quang thông Φ của một ánh sáng phức tạp: 2 2         k    d   k  W d  (1.5) 1 1 Với λ1= 380 nm; λ2= 760 nm; k= 683 lm/W Đơn vị đo quang thông đƣợc gọi là lumen, viết tắt là lm. Độ lớn của một lumen sẽ đƣợc định nghĩa ở mục 1.3 1.2.4. Cƣờng độ sáng Trong kỹ thuật chiếu sáng, chúng ta thƣờng gặp 4 loại nguồn sáng là nguồn điểm, nguồn mặt, nguồn đƣờng và nguồn khối. Tuy nhiên, ngƣời ta dùng khái niệm nguồn điểm để đƣa ra khái niệm cƣờng độ sáng. Nguồn điểm là nguồn sáng có kích thƣớc rất nhỏ so với khoảng cách rọi sáng hay không gian của trƣờng sáng mà nó tạo ra. Ngƣời ta định nghĩa cƣờng độ sáng I của một nguồn sáng điểm là đại lƣợng đặc trƣng khả năng phát sáng của nó theo một phƣơng. Để định nghĩa cƣờng độ sáng, trƣớc tiên ta đƣa ra khái niệm góc khối  , góc khối là góc không gian thƣờng sử dụng trong kỹ thuật chiếu sáng. Trên hình 1.3 có một nguồn điểm O đặt tại tâm hình cầu rỗng bán kính R và chắn diện tích S trên mặt cầu. R S O Hình 1.3. Góc khối Hình khối đỉnh O cắt mặt S trên hình cầu biểu diễn góc khối  đƣợc định nghĩa bằng tỷ số diện tích S và bình phƣơng bán kính: S  (1.6) R2 Giá trị cực đại của  , khi từ O chắn cả không gian, tức là toàn bộ mặt cầu: S 4. .R 2    4. steradian  sr  (1.7) R2 R2 19
Cƣờng độ sáng theo một phƣơng (hình 1.4) bằng giới hạn của tỷ số của quang thông d  trên một đơn vị góc khối d  . d I  lim (1.8) d 0 d   OA d O A d Hình1.4. Để định nghĩa cƣờng độ sáng Nếu trong góc khối Ω đủ lớn và cƣờng độ sáng có đủ mọi giá trị thì quang thông của nguồn chứa trong góc khối ấy sẽ đƣợc tính theo biểu thức    Id  (1.9) Trƣờng hợp trong cƣờng độ sáng I phân bố đều trong toàn không gian thì nguồn sáng đƣợc gọi là nguồn điểm và quang thông của nó đƣợc tính bằng biểu thức:    Id   4 I (1.10) Đơn vị của cƣờng độ sáng là cadela, viết tắt là cd, là một trong bẩy đơn vị đo lƣờng cơ bản trong hệ SI (System International) Trƣớc kia, candela đƣợc định ghĩa là cƣờng độ sáng, đo theo phƣơng vuông góc của nguồn sáng có diện tích bằng 1/600.000m2, bức xạ nhƣ một vật bức xạ toàn phần ở nhiệt độ đông đặc của platin (T = 2046oK), dƣới áp suất 101.325N/m2. Để phù hợp với sự nhìn photopic, đến tháng 10-1979, C.I.E đƣa ra định nghĩa mới của candela nhƣ sau: Candela là cƣờng độ sáng theo một phƣơng của nguồn sáng đơn sắc có tần số 540.1012 Hz (bƣớc sóng  =555 nm) có cƣờng độ năng lƣợng theo phƣơng này là 1/683 W trong góc khối một steradian. Bảng 1.3 đƣa ra một số trƣờng hợp nguồn sáng có cƣờng độ sáng điển hình. 20