Eficiência luminosa espectral

A eficiência luminosa espectral é uma função que expressa, para um determinado comprimento de onda, a razão entre o fluxo de energia da radiação eletromagnética recebida e a percepção do fluxo luminoso que esse fluxo induz para a visão humana . Caracteriza a sensibilidade do sistema visual humano a diferentes comprimentos de onda. É expresso no Sistema Internacional de unidades em lúmens por watt (lm / W).

A eficiência luminosa espectral relaciona as grandezas fotométricas às grandezas radiométricas .

Várias funções tabuladas foram padronizadas pela Comissão Internacional de Iluminação  ; eles definem o observador de referência em diferentes condições: visão diurna ou noturna, ângulo de visão de 2 ° ou 10 °. O mais antigo deles, notado (CIE 1924), é o mais difundido na prática. Apesar de suas deficiências e, de forma mais geral, da impossibilidade de definir com precisão a percepção humana em toda a diversidade de condições de observação, a função é convencionalmente utilizada para cálculos e por aparelhos de medição fotométrica. V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}

Visão humana e magnitude fotométrica

Enquanto o objeto da radiometria é a medição da radiação sobre todo ou parte do espectro eletromagnético , a fotometria se preocupa apenas com a radiação visível e quantifica a impressão visual que ela causa. Fontes de potências irradiadas idênticas, mas cujas distribuições espectrais diferem, podem ser percebidas com brilhos muito diferentes. Em particular, as fontes infravermelhas ou ultravioleta não são visíveis, qualquer que seja sua potência. Além disso, a primeira avaliação da sensibilidade do sistema visual humano, comprimento de onda por comprimento de onda, ou seja, cor pura por cor pura, por meio da primeira função de eficiência luminosa, foi um ato fundador da fotometria. Desde então, três outras funções de eficiência luminosa espectral tabuladas foram padronizadas depois disso pelo CIE . Outros foram publicados, mas ainda não são padronizados.

No campo fotópico:

• V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}(CIE 1924) o primeiro deles, define o observador de referência em visão diurna para um campo visual de 2 °; é também a função colorimétrica do sistema CIE XYZ 1931 .y¯(λ){\ displaystyle {\ overline {y}} (\ lambda)}
• VM(λ){\ displaystyle V_ {M} (\ lambda)} (CIE 1988) faz uma correção ao anterior.
• V10(λ){\ displaystyle V_ {10} (\ lambda)}(CIE 1964) define o observador de referência na visão diurna para um ângulo de 10 °; é também a função colorimétrica do sistema CIE X 10 Y 10 Z 10 1964.y¯10(λ){\ displaystyle {\ overline {y}} _ {10} (\ lambda)}

Na área escotópica:

• V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}(CIE 1951) define o observador de referência em visão noturna .

A função de eficiência luminosa espectral permite calcular uma grandeza fotométrica (v para visual) - fluxo, intensidade, luminância, etc. -, a partir da densidade espectral de seu análogo radiométrico (e para energia). Como tal, a função é de longe a mais comumente usada, como na expressão a seguir. Xv{\ displaystyle X _ {\ mathrm {v}}} Xe,λ{\ displaystyle X _ {\ mathrm {e}, \ lambda}}V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}

Xv=∫0∞Xe,λ(λ)K(λ)dλ=Km∫0∞Xe,λ(λ)V(λ)dλ{\ displaystyle X _ {\ mathrm {v}} = \ int _ {0} ^ {\ infty} X _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) K (\ lambda) \, \ mathrm { d} \ lambda = K _ {\ mathrm {m}} \ int _ {0} ^ {\ infty} X _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) V (\ lambda) \, \ mathrm {d} \ lambda}.

ou

• K(λ){\ displaystyle K (\ lambda)}, é a eficiência luminosa espectral  ;

• V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}, é a eficiência luminosa espectral relativa  ;
• Km{\ displaystyle K _ {\ mathrm {m}}}é a máxima eficiência luminosa espectral , seu valor é próximo a 683  lm W −1 para as funções do domínio fotópico, e 1700  lm W −1 para a função do domínio escotópico.

Na prática, a medição da densidade espectral é realizada em intervalos regulares ao longo dos comprimentos de onda (nanômetro por nanômetro, por exemplo) e a integral deve ser interpretada como uma soma por etapas regulares . As funções de eficiência espectral relativa normalizadas são geralmente tabuladas em etapas de 5 nm. Δλ{\ displaystyle \ Delta \ lambda}

Xv=∑0∞Xe,λ(λ)K(λ)Δλ=Km∑0∞Xe,λ(λ)V(λ)Δλ{\ displaystyle X _ {\ mathrm {v}} = \ sum _ {0} ^ {\ infty} X _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) K (\ lambda) \, \ Delta \ lambda = K _ {\ mathrm {m}} \ sum _ {0} ^ {\ infty} X _ {\ mathrm {e}, \ lambda} (\ lambda) V (\ lambda) \, \ Delta \ lambda}.

Funções padronizadas

Na visão fotópica, mais frequentemente chamada de visão diurna na linguagem cotidiana, apenas os cones permitem a visão.

2 ° campo visual: eV(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}VM(λ){\ displaystyle V_ {M} (\ lambda)}

A função de eficiência espectral fotópica medida em um ângulo de campo visual de 2 ° foi normalizada em 1924 e observada . V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}

• Primeiro, a eficiência luminosa espectral máxima, relacionada à definição da candela, é de aproximadamente 683,002  lm / W , correspondendo a a um comprimento de onda de 555  nm no ar (amarelo - verde). Este valor é geralmente arredondado para 683  lm / W , levando em consideração que o limite de discriminação de luminância humana é, no máximo, 1%.
• A seguir, os valores tabelados da função de eficiência luminosa espectral relativa são dados na tabela a seguir. Eles fixam a sensibilidade máxima do observador de referência em um comprimento de onda de 555 nm. São definidos de 360 ​​nm a 830 nm em passos de 5 nm, mas os métodos de interpolação permitem obter valores em passos de 1 nm. Esses valores também são usados ​​para definir a função colorimétrica do sistema CIE XYZ 1931 .V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}y¯(λ){\ displaystyle {\ overline {y}} (\ lambda)}

Foi proposto por Gibson e Tyndall em 1923 a partir de medições feitas em diferentes condições, levando a resultados às vezes muito diferentes. É por isso que, seguindo o trabalho de DB Judd (1951) e depois de Vos (1978), foi feita uma modificação em 1988 na função de eficiência luminosa espectral relativa entre 380 e 460 nm: note-se  ; a eficiência máxima da luz espectral permanece a mesma. Apesar de suas vantagens, essa função ainda é pouco utilizada fora dos laboratórios de pesquisa. VM(λ){\ displaystyle V_ {M} (\ lambda)}

Valores tabulados das funções de eficiência luminosa espectral relativa eV(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}VM(λ){\ displaystyle V_ {M} (\ lambda)} Eficiência luminosa espectral relativa

λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}	VM(λ){\ displaystyle V_ {M} (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}	VM(λ){\ displaystyle V_ {M} (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V(λ){\ displaystyle V (\ lambda)}
			400	0,000 039	0,002.800	500	0,323 00	600	0,631 00	700	0,004 102	800	0,000 004
			405	0,000 640	0,004 656	505	0,407 30	605	0,566 80	705	0,002 929	805	0,000 003
			410	0,001 21	0,007 400	510	0,503 00	610	0,503 00	710	0,002.091	810	0,000 002
			415	0,002 18	0,011 779	515	0,608 20	615	0,441 20	715	0,001 484	815	0,000 001
			420	0,004 00	0,017 500	520	0,710 00	620	0,381 00	720	0,001 047	820	0,000 001
			425	0,007 30	0,022 678	525	0,793 20	625	0,321 00	725	0,000 740	825	0,000 001
			430	0,011 60	0,027 300	530	0,862 00	630	0,265 00	730	0,000 520	830	0,000,000
			435	0,016 80	0,032 584	535	0,914 90	635	0,217 00	735	0,000 361
			440	0,023 00	0,037 900	540	0,954 00	640	0,175 00	740	0,000 249
			445	0,029 80	0,042 391	545	0,980 30	645	0,138 20	745	0,000 172
			450	0,038 00	0,046 800	550	0,994 95	650	0,107 00	750	0,000 120
			455	0,048 00	0,052 122	555	1.000 00	655	0,081 60	755	0,000 085
360	0,000 004		460	0,060 00	0,060.000	560	0,995 00	660	0,061 00	760	0,000 060
365	0,000 007		465	0,073 90		565	0,978 60	665	0,044 60	765	0,000 042
370	0,000 012		470	0,090 98		570	0,952 00	670	0,032 00	770	0,000 030
375	0,000 022		475	0,112 60		575	0,915 40	675	0,023 20	775	0,000 021
380	0,000 039	0,000 200	480	0,139 02		580	0,870 00	680	0,017 00	780	0,000 015
385	0,000 064	0,000 396	485	0,169 30		585	0,816 30	685	0,011 90	785	0,000 011
390	0,000 120	0,000 800	490	0,208 02		590	0,757 00	690	0,008 21	790	0,000 007
395	0,000 217	0,001 550	495	0,258 60		595	0,694 90	695	0,005 723	795	0,000 005

As cores representadas são indicativas e obviamente não correspondem a luzes monocromáticas: foram calculadas de forma a apresentar um comprimento de onda dominante igual ao comprimento de onda a ser representado.

  Campo visual de 10 °: V10(λ){\ displaystyle V_ {10} (\ lambda)}

A função de eficiência espectral fotópica medida em um ângulo de campo visual de 10 °, notada , foi padronizada em 1964 ao mesmo tempo que o sistema colorimétrico CIE X 10 Y 10 Z 10 de 1964 , do qual também é a função colorimétrica. , baseado no trabalho de Stiles e Burch (1959). A eficácia luminosa relativa máxima é fixada em 683,6  lm / W , correspondendo a um comprimento de onda de 557  nm no ar.V10(λ){\ displaystyle V_ {10} (\ lambda)}y¯10(λ){\ displaystyle {\ overline {y}} _ {10} (\ lambda)}

Valores tabulados da função de eficiência luminosa espectral relativa V10(λ){\ displaystyle V_ {10} (\ lambda)}

λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V10(λ){\ displaystyle V_ {1} 0 (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V10(λ){\ displaystyle V_ {1} 0 (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V10(λ){\ displaystyle V_ {1} 0 (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V10(λ){\ displaystyle V_ {1} 0 (\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V10(λ){\ displaystyle V_ {1} 0 (\ lambda)}
		400	0,002.004	500	0,460 777	600	0,658 341	700	0,003 718
		405	0,004 509	505	0,531 360	605	0,593 878	705	0,002 565
		410	0,008 756	510	0,606 741	610	0,527 963	710	0,001 768
		415	0,014 456	515	0,685 660	615	0,461 834	715	0,001 222
		420	0,021 391	520	0,761 757	620	0,398 057	720	0,000 846
		425	0,029 497	525	0,823 330	625	0,339 554	725	0,000 586
		430	0,038 676	530	0,875 211	630	0,283 493	730	0,000 407
		435	0,049 602	535	0,923 810	635	0,228 254	735	0,000 284
		440	0,062 077	540	0,961 988	640	0,179 828	740	0,000 199
		445	0,074 704	545	0,982 200	645	0,140 211	745	0,000 140
		450	0,089 456	550	0,991 761	650	0,107 633	750	0,000 098
		455	0,106 256	555	0,999 110	655	0,081 187	755	0,000 070
		460	0,128 201	560	0,997 340	660	0,060 281	760	0,000 050
		465	0,152 761	565	0,982 380	665	0,044 096	765	0,000 036
		470	0,185 190	570	0,955 552	670	0,031 800	770	0,000 025
		475	0,219 940	575	0,915 175	675	0,022 602	775	0,000 018
380	0,000 017	480	0,253 589	580	0,868 934	680	0,015 905	780	0,000 013
385	0,000 072	485	0,297 665	585	0,825 623	685	0,011 130
390	0,000 253	490	0,339 133	590	0,777 405	690	0,007 749
395	0,000 769	495	0,395 379	595	0,720 353	695	0,005 375

 

A formulação é a mesma da visão fotópica, mas a sensibilidade do olho humano é diferente para a visão noturna, apenas os bastonetes permitem a visão. A eficácia luminosa relativa máxima é fixada em 1700  lm / W , correspondendo a um comprimento de onda de 507  nm no ar. A eficiência luminosa espectral relativa é anotada e seus valores são tabulados em etapas de 5 nm entre 380 e 780 nm. V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}

Valores tabulados da função de eficiência luminosa espectral relativa V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}

λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}	λ(nãom){\ displaystyle \ lambda (\ mathrm {nm})}	V′(λ){\ displaystyle V '(\ lambda)}
		400	0,009 29	500	0,982	600	0,033 15	700	0,000 017 8
		405	0,018 52	505	0,998	605	0,023 12	705	0,000 012 73
		410	0,034 84	510	0,997	610	0,015 93	710	0,000 009 14
		415	0,060 4	515	0,975	615	0,010 88	715	0,000 006 6
		420	0,096 6	520	0,935	620	0,007 37	720	0,000 004 78
		425	0,1436	525	0,880	625	0,004 97	725	0,000 003 482
		430	0,199 8	530	0,811	630	0,003 335	730	0,000 002 546
		435	0,262 5	535	0,733	635	0,002 235	735	0,000 001 87
		440	0,328 1	540	0,650	640	0,001 497	740	0,000 001 379
		445	0,393 1	545	0,564	645	0,001 005	745	0,000 001 022
		450	0,455	550	0,481	650	0,000 677	750	0,000 000 76
		455	0,513	555	0,402	655	0,000 459	755	0,000 000 567
		460	0,567	560	0,328 8	660	0,000 312 9	760	0,000 000 425
		465	0,620	565	0,263 9	665	0,000 214 6	765	0,000 000 320
		470	0,676	570	0,207 6	670	0,000 148	770	0,000 000 241
		475	0,734	575	0,160 2	675	0,000 102 6	775	0,000 000 183
380	0,000 589	480	0,793	580	0,121 2	680	0,000 071 5	780	0,000 000 139
385	0,001 108	485	0,851	585	0,089 9	685	0,000 050 1
390	0,002 209	490	0,904	590	0,065 5	690	0,000 035 33
395	0,004 53	495	0,949	595	0,046 9	695	0,000 0250 1

A luminância cinza da tabela é proporcional aos coeficientes.

 

Medição de eficiência de luz espectral

A medição é realizada comparando duas luzes monocromáticas de comprimentos de onda diferentes. A primeira servindo de referência, um observador modifica a luminância energética da segunda até que a sensação de luminosidade das duas cores seja igualada. No domínio escotópico, sem visão de cores, o estabelecimento de curvas de sensibilidade espectral é feito, após um longo retardo de adaptação visual às luzes fracas, ajustando a radiância de luzes monocromáticas de vários comprimentos de onda, de modo que seu brilho seja igual. Na visão fotópica, por outro lado, só podemos proceder passo a passo. Comparar o brilho de duas luzes monocromáticas com comprimentos de onda muito diferentes é realmente muito difícil, é impossível equalizar de forma precisa e repetida duas cores muito diferentes e dois testes consecutivos geralmente levam a resultados diferentes. A medição da eficiência luminosa espectral é complicada pelo fato de que os resultados diferem consideravelmente de acordo com os diferentes métodos, mas também de acordo com os diferentes indivíduos testados.

Existem ou existiram muitos métodos - comparação heterocrômica direta de brilho, comparação passo a passo de brilho, distinção mínima de bordas, comparação por cintilação heterocrômica, etc. - cujos princípios principais são especificados a seguir.

Comparação diretaDois intervalos são apresentados, o brilho do qual o assunto pode variar, geralmente variando a distância da fonte de luz, em um fundo uniformemente iluminado com brilho marcadamente diferente. Devido à lei do contraste simultâneo de cores , a diferença é mais perceptível e, portanto, o ajuste é mais preciso, se os intervalos forem contíguos.Comparação de cintilaçãoEvitamos o efeito de contraste simultâneo, que joga em todos os casos com o fundo, alternando rapidamente as duas luzes a serem comparadas. Procuramos a frequência de alternância que causa a maior impressão de cintilação ( (in) cintilação ) e, em seguida, procuramos a diferença de radiância entre os dois comprimentos de onda para os quais esta cintilação é menos visível.

Apêndices

Bibliografia

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Artigos relacionados

• Espectro de luz
• Efeito Purkinje
• Cor
• Eficiência luminosa de uma fonte

links externos

• Valores tabulados acessíveis nos formatos .csv ou .xml: (en) “  Eficiência luminosa  ” , em cvrl.org

Referências

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6. A definição das correções de candela a eficiência luminosa espectral em 683  lm / W que corresponde a um comprimento de onda de 555,016 nm. A eficiência luminosa máxima é, portanto, estabelecida de forma mais precisa por: K m =555.016/555683 = 683,002 lm / W , frequentemente arredondado ( DeCusatis et al. 2009 , p.  34.39).
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