การวัดแสง (ทัศนศาสตร์)

ระวังสับสนกับ การวัดแสง (ดาราศาสตร์)

การวัดแสง หรือ โฟโตเมตรี (photometry) ในทางทัศนศาสตร์ คือการศึกษาความเข้มของแสงที่ตาของมนุษย์รับรู้^[1] การวัดแสงนั้นต่างจากการวัดรังสี โดยการวัดแสงจะถ่วงน้ำหนักพลังงานจากการแผ่รังสีที่ความยาวคลื่นต่าง ๆ ด้วยฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่าง

ตามนุษย์และการวัดแสง

เส้นโค้งสีดำคือฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่างในที่สว่าง และเส้นโค้งสีเขียวคือฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่างในที่มืด โดยเส้นทึบคือมาตรฐาน CIE 1931^[2] เส้นประคือข้อมูลที่แก้ไขในปี 1978^[3] เส้นจุดคือข้อมูลที่แก้ไขในปี 2005^[4] หน่วยของแกนนอนคือ nm

สายตาของมนุษย์สามารถตัดสินได้อย่างแม่นยำในระดับหนึ่งว่าการรับรู้แสงและความมืดของสองสีนั้นเหมือนกันหรือไม่ ดังนั้น เพื่อจะวัดค่าการตอบสนองเชิงสเปกตรัมของดวงตา จึงได้มีการทำการเปรียบเทียบฟลักซ์การแผ่รังสีที่จำเป็นเพื่อกระตุ้นการรับรู้ความมืดสว่างที่ความยาวคลื่นต่าง ๆ ของแสง ในสภาพแวดล้อมที่สว่าง การมองเห็นของมนุษย์จะไวต่อแสงสีเขียวซึ่งมีความยาวคลื่น 555.016 nm มากที่สุด ให้ ${\displaystyle \Psi _{\lambda }}$ เป็นฟลักซ์การแผ่รังสีที่จำเป็นในการสร้างความส่องสว่าง ที่ความยาวคลื่นใด ๆ ${\displaystyle \lambda }$ ที่เท่ากันกับฟลักซ์ของแสงที่มีความยาวคลื่น 555.016 nm ${\displaystyle \Psi _{555.016}}$ จะได้ค่าสัดส่วนเป็น

${\displaystyle V(\lambda )={\frac {\Psi _{\lambda }}{\Psi _{555.016}}}}$

ค่านี้เรียกว่าฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่าง ตัวอย่างเช่น การทดลองแสดงให้เห็นว่า 1 mW ของแสงสีเขียว 555.016 nm และ 2.5 W ของแสงสีม่วง 400.0 nm ทำให้เกิดความส่องสว่างเท่ากัน และค่าฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่าง 400.0 nm คือ

${\displaystyle V(400.0nm)={\frac {10^{-3}}{2.5}}=0.0004.}$

ในการวัดขนาดของฟลักซ์ส่องสว่าง จะต้องแปลงฟลักซ์การแผ่รังสี เป็นปริมาณที่มีประสิทธิภาพสำหรับสายตามนุษย์โดยมีฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่างเป็นตัวถ่วงน้ำหนัก สำหรับความยาวคลื่น ${\displaystyle \lambda }$ ถ้าแสงที่มีฟลักซ์การแผ่รังสีเท่ากับ ${\displaystyle \psi (\lambda )}$ ฟลักซ์ส่องสว่างเป็น ${\displaystyle \Phi _{v}}$ แล้วจะได้ว่า

${\displaystyle \Phi _{v}=K_{max}\int V(\lambda )\psi (\lambda )d\lambda }$

โดย ${\displaystyle K_{max}}$ เป็นค่าของแสงที่มีความยาวคลื่น 555.016 nm หรือที่เรียกว่าค่าประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงสุด มีค่าเท่ากับ 683 lm/W

ค่าต่าง ๆ ที่ใช้ในการวัดแสง

การวัดแสงทำโดยใช้ค่าต่าง ๆ ซึ่งมีหน่วยต่างกันไปดังต่อไปนี้

ค่าและหน่วยของการวัดแสงในระบบเอสไอ

ปริมาณ	ภาษาอังกฤษ	สัญลักษณ์	หน่วยวัด	สัญลักษณ์หน่วยวัด	หมายเหตุ
ฟลักซ์ส่องสว่าง	luminous flux	Φv	ลูเมน	lm（lm= cd·sr）	ฟลักซ์การแผ่รังสีที่ถ่วงน้ำหนักด้วยค่าประสิทธิภาพการส่องสว่าง
ความเข้มของการส่องสว่าง	luminous intensity	Iv	แคนเดลา	cd（cd= lm/sr）	ฟลักซ์ส่องสว่างต่อหน่วยมุมตัน
ความสว่าง	luminance	Lv	แคนเดลาต่อตารางเมตร	cd/m2	ฟลักซ์ส่องสว่างต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยมุมตัน หน่วยบางครั้งก็เรียกว่า nit
ความส่องสว่าง	illuminance	Ev	ลักซ์	lx（lx= lm/m2= cd·sr/m2）	ฟลักซ์ส่องสว่างต่อหน่วยพื้นที่
ประสิทธิภาพการส่องสว่าง	luminous efficacy	η	ลูเมนต่อวัตต์	lm/W= cd·sr/W	อัตราส่วนระหว่างฟลักซ์การส่องสว่างกับฟลักซ์การแผ่รังสี
พลังงานส่องสว่าง	luminous energy	Qv	ลูเมน·วินาที	lm·s	บางครั้งก็ใช้หน่วยที่เรียกว่า talbot