SLIDE BÀI GIẢNG_ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁNH SÁNG

Bài 2:

ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁNH SÁNG


I. Đặc điểm của phép đo ánh sáng
Bức xạ điện từ nhìn thấy được chỉ là một dãi rất hẹp từ 38.10-8 đến
76.10-8m gọi là bức xạ khả kiến, vì vậy ánh sáng liên hệ với sự thu
nhận ánh sáng của mắt, do đó đại lượng quang gồm 2 bộ phận:
Ø Trắc quang chủ quan
Ø Trắc quang khách quan
1. Trắc quang chủ quan
Là phép đo các đại lượng ánh
sáng chủ yếu dựa trên tác dụng
sinh lý của mắt người.
Trong miền bức xạ khả kiến,
bức xạ có bước sóng khác nhau
gây cho mắt cảm giác khác nhau
về cường độ, về màu sắc. Cảm
giác này cịn thay đổi từ mắt
người.

Vì vậy định nghĩa các đại lượng và đơn vị quang phải thiết lập với
mắt trung bình (mắt của nhiều người có thị giác bình thường) đồng
thời thiết lập với tồn bộ bức xạ khả kiến có khả năng kích thích
thần kinh thị giác của mắt trung bình.


2. Trắc quang khách quan
Là phép đo các đại lượng ánh
sáng bằng những máy thu ánh

sáng giống như phép đo các
đại lượng vật lý khác như
nhiệt độ năng lượng… hoàn
toàn chứa những yếu tố khách
quan.

Giữa các đại lượng cơ và đại lượng
Quang có mối quan hệ tương hỗ,
thường dùng đại lượng cơ làm trung
gian chuyển đổi:
• Watt(W): 1W = 1Jun/s = 0,86Kcal/h
• Jun (J) và erg (e):
1J = 107e = 0,239 cal
• 1 Watt/m2 = 0,86 Kcal/m2.h
• 1cal/cm2.phút=69,76. 10-6 Watt/cm2


II. Thông lượng bức xạ 𝛟:
Là năng lượng bức xạ W (Jun/s) đi qua một đơn vị diện tích đặt
vng góc với chùm bức xạ trong đơn vị thời gian (t).
VD: phơi 1 miếng kim loại dưới nắng sau một thời gian miếng kim loại nóng
lên, có nghĩa miếng kim loại hấp thu bức xạ mặt trời tới trên nó biến thành
nhiệt năng.
Nếu diện tích miếng kim loại là S m2 thời gian đặt trong chùm bức xạ là t
sec, năng lượng toàn phần mà mặt S nhận được là W watt thì năng lượng trung
bình mà mặt S nhận được trong đơn vị thời gian bằng:
•

ϕ=C

!
"

watt •
•

C: hệ số tỷ lệ, đặc trưng
lượng bức xạ của vật.
W: năng lượng bức xạ tồn
nhìn thấy và khơng nhìn
(J/s).
t: thời gian tác dụng, tính

khả năng hấp thu năng
phần, bao gồm bức xạ
thấy, tính bằng Watt
bằng séc.

Bất cứ chùm bức xạ nào cũng mang năng lượng
Nếu chùm bức xạ là đơn sắc (có bước sóng λ xác định thì gọi là
thơng lượng bức xạ đơn sắc 𝚽𝛌 .
Như vậy thông lượng bức xạ đo bằng lượng nhiệt do chùm bức xạ
truyền cho vật và vật hấp thu tồn bộ lượng nhiệt đó trong đơn vị
thời gian, cho nên đơn vị nó của 𝜙 là đơn vị cơng suất Watt (J/s).
Muốn biết tính chất của một chùm sáng phải biết cấu trúc quang
phổ, sự phân bố và tỷ lệ các bức xạ đơn sắc cấu trúc trong chùm
sáng đó


Nếu chùm bức xạ rọi tới mặt S là chùm bức xạ đơn sắc, ứng với

bước sóng λ xác định thì gọi là thơng lượng bức xạ đơn sắc, ký
hiệu là ϕλ
Thông lượng bức xạ của miền bức xạ khả kiến ϕ:
𝛟 = 𝚺 𝛟𝛌
Phổ của miền bức xạ khả kin (ỏnh sỏng trng ban ngy)
ã
ã
ã
ã
ã
ã
ã

Bc
Bc
Bc
Bc
Bc
Bc
Bc

x
x
x
x
x
x
x

mu

mu
mu
mu
mu
mu
mu

tớm:
chm:
lam:
lc:
vng:
da cam:
:









=
=
=
=
=
=
=

380
450
480
510
550
585
620

ữ
ữ
ữ
ữ
ữ
ữ
ữ

450
480
510
550
585
620
760

mà
mà
mà
mà
mà

mà
mà

Mun bit tớnh cht của một chùm sáng phải biết cấu trúc quang
phổ, sự phân bố, tỷ lệ các bức xạ đơn sắc cấu trúc trong chùm
sáng đó.
Để giải quyết các vấn đề này người ta đưa vào khái niệm “Cường độ
quang phổ” ký hiệu φλ


III. Cường độ quang phổ

(𝛗𝛌):

Thông lượng bức xạ phức tạp là tập hợp nhiều thơng lượng bức xạ
đơn sắc có bước sóng khác nhau, chồng chất lên nhau tạo thành.
Cường độ quang phổ 𝛗𝛌 là đại lượng đặc trưng sự phân bố quang
phổ của những bức xạ đơn sắc trong thơng lượng bức xạ tồn phần.
Đơn vị của 𝛗𝛌
là cơng
suất (W)/chiều dài bước
sóng 𝛌 (µ), tức là Watt/µ.
Như vậy cường độ quang phổ
𝛗𝛌 của thông lượng bức xạ
đơn sắc là cơng suất đo
bằng đại lượng Watt/chiều
dài bước sóng đo bằng µ .
Đại lượng 𝛗𝛌 là hàm số của
𝛌.

φ! =

" #!
"!

Watt/µ


IV.

Hàm số thị kiến và quang thơng:

•

Thơng lượng bức xạ tồn phần 𝚽 hoặc thơng lượng bức xạ
thành phần 𝚽𝛌 chỉ đặc trưng về phương diện năng lượng chứ
không đặc trưng cho cảm giác về cường độ sáng mà chùm bức
xạ gây ra trên mắt người.

•

Hai chùm bức xạ đơn sắc có cùng một thơng lượng bức xạ 𝚽𝛌
nhưng bước sóng 𝛌 khác nhau khơng gây cho mắt cùng một cảm
giác về cường độ sáng.

•

Mắt người có độ nhạy khác nhau đối với ánh sáng có màu sắc
khác nhau. Bức xạ hồng ngoại hay tử ngoại dù có thơng
lượng lớn mấy mắt cũng khơng nhận thấy được.

•

Mắt người nhạy nhất với bức xạ màu vàng lục 𝛌 = 550m𝛍.

•

Thơng lượng bức xạ 𝚽𝛌 nhỏ nhất đủ gây cho mắt một cảm giác
sáng gọi là ngưỡng thấy.

•

Muốn biết đặc trưng khả năng kích thích thần kinh thị giác
của các chùm búc xạ phải xét độ nhạy của mắt đối với từng
bức xạ đơn sắc khác nhau


•

•

Thực nghiệm như sau:
Rọi sáng một vật, lần lượt từng chùm bức xạ đơn sắc có bước
sóng khác nhau. Khi rọi chùm bức xạ đơn sắc nào thay đổi
thông lượng của nó từ thấp tới cao, cho tới lúc thị giác
nhận thấy vật bị rọi, giá trị 𝚽𝛌 đủ gây cho mắt một cảm giác
sáng trên vật bị rọi gọi là ngưỡng thấy
Thông lượng bức xạ 𝚽𝛌 lớn nhất đủ gây cho mắt một cảm giác
sáng gọi là ngưỡng chói.

Nghịch đảo giá trị 𝚽𝛌 ở ngưỡng thấy
gọi là độ nhạy 𝛝𝛌. của mắt đối với bức
xạ đơn sắc đó:

ϑλ =

#
$! "#ưỡ"# &'ấ)

Gọi là độ nhạy của mắt. Quy ước lấy 𝛝𝛌 =

550

= 1

Bằng thực nghiệm, với con mắt trung bình (gọi là mắt chuẩn)
người ta thành lập được đường cong quan hệ giữa 𝛝𝛌 và 𝛌.
Quan hệ này được gọi là hàm số thị kiến.
Với ánh sáng ban ngày, mắt chuẩn nhạy nhất với bức xạ 𝛌 = 550m𝛍
(màu vàng lục). 𝛝𝛌 = 550 = 1. 𝛝𝛌 = 0 với bức xạ tử ngoại và hồng
ngoại.


Với ánh sáng hồng hơn, mắt chuẩn nhạy nhất với bức xạ màu xanh
thẫm 𝛌 = 510m𝛍 𝛝𝛌 = 550 = 1. v 𝛌 = 0 với bức xạ tử ngoại và bức xạ màu
da cam 𝝀 = 610m𝛍
Thông lượng bức xạ trong miền bức xạ khả kiến được gọi là quang
thơng F
Bức xạ đơn sắc có bước sóng 𝛌 khác nhau, giá trị 𝛟𝛌 của ngưỡng thấy
khác nhau, độ nhạy 𝛝𝛌 khác nhau

Thực nghiệm trên mắt chuẩn thị giác con người nhạy nhất với bức xạ
đơn sắc màu vàng lục λ = 550mµ

𝛝𝛌550 =

𝟏
𝛟𝛌𝟓𝟓𝟎

= 1

Như vậy đối với những bức xạ đơn sắc khác, mắt kém nhạy hơn, độ
nhạy ϑλ<1
ϑλ = 0 với bức xạ tử ngoại và hồng ngoại.
Lấy bức xạ đơn sắc màu vàng lục làm chuẩn,
thì bức xạ đơn sắc màu xanh phải phóng đại
lên 16,6 lần, cịn bức xạ màu đỏ phóng đại
lên 9,35 lần mới cho một cảm giác sáng giống
như màu vàng lục
Từ kết quả thí nghiệm trên mắt chuẩn, thành
lập đường cong quan hệ giữa ϑλ và λ gọi là
“đường cong thị kiến”


a. Góc khối (góc khơng gian, góc đặc)𝜔

c. Steradiant

Từ điểm O ngồi diện tích khá nhỏ dS, dựng
những đường sinh tựa trên chu vi của mặt
dS, ta có góc khối d𝜔. Phần khơng gian giới

hạn trong hình nón đỉnh tại O, có các đường
sinh tựa trên chu vi mặt dS gọi là góc khối
nhìn từ O tới mặt dS

Mặt cầu tâm O, bán kính R
dS=R2 (Sr). Như vậy diện
tích mặt cầu S, góc gian
quanh tâm O bằng:
𝜔=

'
&!

=

(%&!
&!

= 4𝜋 Steradiant
(Rr)
Có nghĩa là góc khơng gian
quanh một điểm bằng 4𝜋 St.
d. Biểu thức của góc khối nhìn từ điểm O
tới mặt dS

b. Radiant
"
Đường trịn tâm O bán kính R: 𝐴𝐵=R
radiant. Như
vậy chu vi đường trịn L bằng:

L=

$%&
=2𝜋
&

rad

Để tìm biểu thức góc
khối nhìn từ O đến
mặt dS bất kỳ ta dựng
mặt cầu tâm O, bán
kính OM = r (OM là
đoạn thẳng trung bình
từ O đến dS. Dựng dS’
bán kính r và các
đường sinh tựa trên
chu vi của dS’. Pháp
tuyến của dS’ trùng
với phương r. Ta có
d𝜔=

)' "
*!

Sr

Pháp tuyển MN của dS nghiêng với phương r một
góc 𝛼, do đó dS’=dS.cos𝛼
)'.,-./

d𝜔= !
Sr
*


III. Cường độ sáng (I):
Trong đo lường quang học, quang thông
là đại lượng trắc quang cho biết công
suất bức xạ của chùm ánh sáng phát ra
từ một nguồn sáng, hoặc quang thông
là lượng ánh sáng phát ra từ một
nguồn sáng theo mọi hướng trong 1
giây.

Trong kiến trúc thường gặp 4 loại nguồn sáng:
Nguồn điểm: là 1 điểm phát sáng (khoảng cách tới vị trí quan
sát gấp 20 lần kích thước nguồn sáng), không phát sáng đều theo
các phương
Nguồn đường: là một nguồn không thực
Nguồn mặt: bề mặt phát sáng
Nguồn khối.


Ø Xét nguồn điểm:
Nguồn điểm là nguồn sáng có kích thước khá nhỏ so với khoảng
cách rọi sáng của nó. Khả năng phát sáng của nguồn điểm có thể
phân bố đều hoặc không đều theo mọi phương trong không gian
quanh nó.
Khả năng phát sáng của nguồn điểm có thể phân bố đều hoặc không
đều theo mọi phương trong không gian quanh nó.

Cường độ sáng I là đại lượng đặc trưng khả năng phát sáng của
nguồn điểm trên từng phương.
Nếu I của nguồn đều bằng nhau theo mọi phương gọi là nguồn đẳng
hướng, quang thơng của nó là quang thơng cầu. Khi đó ta có:

I=
I: Cường độ sáng

𝐅
𝟒𝛑
F: quang thơng

Trong thực tế thiết kế với nguồn sáng bất kỳ, I thay đổi theo
phương có thể thừa nhận gần đúng, cường độ sáng trung bình I̅ của
nó bằng cường độ sáng của một nguồn đẳng hướng có cùng quang
thơng tồn phần.


Trong hệ SI, đơn vị đo cường độ sáng là candela
Đơn vị của I là candela (Cd)
Candela là cường độ sáng đo theo phương vng góc của một nguồn
diện tích bằng 1/600 000m2, bức xạ như một vật bức xạ tồn phần ở
nhiệt độ đơng đặc của platin, dưới áp suất:

P = 101325 N/m2
F = I.ω, gọi là lumen (lm)
1 watt ánh sáng = 683 lumen
Vì v𝛌 =

550

= 1 cịn v𝛌 của các bức xạ đơn sắc khác < 1 do đó

F𝜆 = 638 v𝛌.ϕλ lm
Fλ = v𝛌.ϕλ watt ánh sáng
I và F của một vài nguồn sáng thường gặp:
§ Đèn dây tóc 60w ≈ 68 Cd – 850 lm
§ Đèn dây tóc 100w ≈ 128 Cd – 1600 lm


Xuất phát từ đơn vị của I có thể định nghĩa được tất cả các đơn vị
dẫn xuất khác của phép đo ánh sáng. Trước hết là đơn vị của quang
thông:

dF =

dI.d𝛚 = candela. Steradiant = lumen

Như vậy lumen (lm) là quang thơng của nguồn sáng điểm có cường độ
I =Icd bức xạ đều trong góc khối ω = 1Sr (Steradiant).
Về quang thơng phân biệt 2 khái niệm:
§ Quang thơng tồn phần do nguồn bức xạ ra xung quanh
§ Quang thơng do nguồn rọi tới một diện tích nào đó trên phương
nào đó
Quang thơng tồn phần của nguồn sáng là đại lượng vật lý, về giá
trị bằng toàn bộ năng lượng ánh sáng bức xạ trên mọi phương diện
trong đơn vị thời gian.
Trong định nghĩa quang thông F, đơn vị là watt ánh sáng.
Trong thực tế thường dùng đơn vị lumen (lm)
Giữa lumen và Watt ánh sáng có quan hệ như sau:

1watt ánh sáng =
638 lumen
1 lumen = 0,00146 watt ánh sáng


IV. Độ rọi E
Độ rọi là một đại lượng đặc trưng mức độ
được rọi sáng trên mặt dS do nguồn sáng từ
ngoài rọi tới.
O: là nguồn sáng điểm
I, dF là cường độ quang thông từ nguồn
O rọi tới mặt dS trên phương r
N pháp tuyến của ds
α góc giữa phương r và pháp tuyến

Mật độ quang thơng trên diện tích dS gọi là độ rọi dE trên mặt dS
bằng

𝐝𝐄 =

𝐝𝐅
𝐝𝐒


Nếu quang thơng tới F rọi đều trên
mặt S thì

' #$%&' ()ơ&' (ừ &',à. /ọ. (ớ. :$6;&
E= =
= 𝟐

2.ệ& (í5) 6ặ( 8ị /ọ.
6
(
Đơn vị của E là lm/m2. Đơn vị có tên
là lux (lx)
Như vậy độ rọi E trên một bề mặt nào đó là đại lượng vật lý, về giá
trị bằng quang thông F rọi trên đơn vị diện tích của mặt đó. Cịn gọi
E là mật độ bề mặt của quang thơng ở ngồi rọi tới mặt S
Một vài độ rọi thường gặp:
• Nắng giữa trưa
• Trời nhiều mây
• Đủ để đọc sách:
• Đủ để làm việc tinh vi:
• Đêm trăng trịn:

E
E
E
E
E

=
=
=
=
=

100000 lux
1000 lux
30 lux

500 lux
0,25 lux

Vậy khi chiếu sáng bằng nguồn điểm, độ rọi E trên mặt bị rọi tỷ lệ
nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn tới mặt bị rọi.
Độ rọi E còn phụ thuộc vào góc tới β, tia sáng càng nghiêng (góc β
càng lớn) thì độ rọi E càng nhỏ.


V. Độ trưng R
Độ trưng R là đại lượng đặc trưng độ sáng tồn phần của nguồn khối
hay nguồn mặt.
Khơng thể dùng quang thông F để đặc trưng khả năng phát sáng của
nguồn khối hay nguồn mặt, vì nguồn khối hay nguồn mặt phát sáng yếu
nhưng kích thước của nguồn lớn thì quang thơng tồn phần của nó có
thể lớn hơn quang thơng tồn phần của nguồn khối hay nguồn mặt phát
sáng mạnh nhưng kích thước nguồn nhỏ.
ds: mặt phát sáng
dF: quang thông do ds bức xạ trên phương r
Nếu quang thơng F bức xạ đều từ mặt S thì:
Trong hệ đo lường SI, đơn vị
là lumen/m2 (lm/m2)
Lưu ý:
o Độ rọi
E = F/S
lm/m2:
o Độ trưng R = F/S
lm/m2
E = F/S là độ rọi trên mặt S
thông của nguồn từ bên ngồi

R = F/S là độ trưng trong đó
F do mặt S bức xạ ra

của độ trưng
lux
do quang
rọi tới
quang thông

dR =
R=

𝐝𝐅
𝐝>

𝐅
𝐒

lm/m2


Độ trưng R của một nguồn tự nó bức xạ ra ánh sáng, nói chung khơng
liên hệ với độ rọi E. Nhưng độ trưng của một nguồn bức xạ (bức xạ
phản xạ ánh sáng từ bên ngồi tới thì phải xác định độ rọi trên nó:

R = K.E

K: hệ số phản xạ 𝛒 hay xun qua 𝛕
Có 2 trường hợp:
• Nguồn khối hay nguồn mặt bản thân

nó bức xạ ánh sáng thì R và E
khơng có quan hệ với nhau.
• Nguồn khối hay nguồn mặt bức xạ
ánh sáng nhờ phản xạ ánh sáng tử
ngoại rọi tới thì R với E có quan
hệ với nhau, như sau:
o Nếu là phản xạ ánh sáng từ
ngồi rọi tới thì:
R = 𝛒E
o

Nếu là xun qua ánh sáng từ ngồi rọi tới:

R = 𝛕.E

Trong đó 𝛒 và 𝛕 là hệ số phản xạ và xuyên qua ánh sáng của
mặt S.
Thông thường độ trưng R dùng để biểu thị độ sáng của bề mặt nào
đó.(vd: mặt nền nhà lát gạch bông trắng ρ = 0,7 sẽ sáng hơn nền
nhà lát gạch bông màu nâu ρ = 0,35 và sáng hơn gấp đôi nếu được
rọi sáng cùng 1 nguồn.
o


VI. Độ chói B

ds: nguồn mặt
α góc giữa pháp tuyến N và phương r
Độ chói là đại lượng đặc trưng khả năng phát
sáng theo từng phương của nguồn khối hay

nguồn mặt

B=

𝐅
𝛚., 𝐜𝐨𝐬𝛉

cd/m2

hay là

B =

*
(

I đo bằng cd, S đo bằng m2 và đặt trên phương
vng góc với phương truyền quang thông θ của
nguồn θ = 0, cos θ = 1 , đơn vị này là Nít
(Nt), có thể trực tiếp dùng cd/m2
Khi θ = 0 tức là pháp tuyến N của nguyên
tố phát sáng dS trùng với phương truyền
quang thông thì cos θ = 1 và độ chói B có
giá trị lớn nhất, có nghĩa là nếu nhìn mặt
phát sáng theo phương pháp tuyến của nó sẽ
là chói nhất.
Độ chói B là đại lượng vừa biểu thị mật độ
góc của quang thông theo phương cường độ
sáng I, lại vừa biểu thị mật độ bề mặt của
quang thông do mặt dS bức xạ ra.

Độ chói B là đại lượng do mắt người trực
tiếp cảm thụ.


Những mặt trang trí kiến trúc như mặt gạch khơng trát, mặt đá
thiên nhiên khơng trát, độ chói phân bố trên bề mặt có thể coi
như đẳng hướng:

B𝛉 =
o
o
o
o
o
o
o
o
o

𝐈𝛉
𝐒.𝐜𝐨𝐬 𝛉

≈

𝐈𝐦𝐚𝐱
𝐒

= conts

Độ chói nhỏ nhất mắt người nhận biết được ≅ 10-6

Mặt trời giữa trưa
(1,5 ~ 2) 10-9
Mặt trời mới mọc
5.10-6
Dây tóc bóng đèn
106
Bóng đèn mờ
20 000
Đèn neon
1000
Mặt trăng rằm nhìn qua khí quyển
2500
Mặt giấy trắng dưới nắng
30 000
Mặt giấy trắng dưới trăng
0,06

nt
nt
nt
nt
nt
nt
nt
nt
nt



Cường độ sáng I,

Đo trong đơn vị candela(cd). Đó là thơng lượng của một nguồn sáng
phát
ra
trong
một
đơn
vị
góc
khơng
gian
(steradian).
Candela là một đơn vị cơ bản dùng trong việc đo thông số nguồn
sáng và được tính như sau: 1 candela là cường độ mà một nguồn
sáng phát ra 1 lumen đẳng hướng trong một góc đặc. Một nguồn sáng
1 candela sẽ phát ra 1 lumen trên một diện tích 1 mét vng tại
một khoảng cách một mét kể từ tâm nguồn sáng. Có thể thấy cường
độ nguồn sáng giảm theo khoảng cách kể từ nguồn sáng. 1cd = 1lm/
1steradian.
Độ rọi E (Lux) là gì?
Độ rọi E(đơn vị lux) là đại lượng đặc trưng cho thơng lượng ánh
sáng trên một đơn vị diện tích. Một diện tích mặt cầu 1m2 có một
nguồn sáng cường độ 1 candela sẽ có độ rọi là 1 lux. 1lux = 1lm/
1m2
Độ chói(L) là gì?
Độ chói L là cường độ của một nguồn sáng phát ánh sáng khuếch tán
mở rộng hoặc của một vật phản xạ ánh sáng. Độ chói là đại lượng
đặc trưng cho mật độ phân bố cường độ sáng I trên một bề mặt diện
tích S theo một phương cho trước. 1nit = 1cd/ 1m2

VD: Quang thông F phân bố đều trên sàn nhà S = 20m2.
Nếu lát gạch cement màu trắng: ρ = 0,8. Nếu lát gạch
cement màu nâu ρ = 0,2. Độ trưng của sàn nhà trong 2
trường hợp bằng:
1. R =

"E
#

=

$,& .($$$
)$

= 40 lm/m2

2. R =

"E
#

=

$,) .($$$
)$

= 10 lm/m2


•Lumen là đơn vị đo tổng lượng ánh sáng ra. Lumen không phản ảnh

lên chất lượng của ánh sáng
Lumen (Lm) là một đơn vị đo lường ánh sáng, nó cho biết tổng
lượng ánh sáng phát ra từ một chiếc đèn. Có thể nói rằng càng
nhiều Lumen thì ánh sáng phát ra càng nhiều, đồng nghĩa với việc
càng sáng hơn.
•Lux là đơn vị đo cường độ ánh sáng
•Lux được sử dụng để đo lượng ánh sáng phát ra trong một khu vực
nhất định – một Lux tương đương với một Lumen trên mét vng. Nó
cho phép chúng ta đo được tổng lượng ánh sáng nhìn thấy và cường
độ chiếu sáng trên bề mặt.