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
W

(1.2)

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

18

(1.4)


Quang thông Φ của một ánh sáng phức tạp:
2

2

1

1

        k    d   k  W d 

(1.5)

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
O

S

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
R2

(1.6)

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 
R2
R2

19

(1.7)


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  .

I



d
d 0 d 

 lim

OA

d

O

(1.8)

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


Bảng 1.3. Cƣờng độ sáng của một số nguồn sáng điển hình [1,2]
Nguồn sáng

Cƣờng độ sáng ( candela )

Ngọn nến

0,8 theo mọi phƣơng

Đèn sợi đốt 40W

35 theo mọi phƣơng

Đèn sợi đốt 300W có bộ phản xạ

1500 ở tâm chùm tia

Đèn Halogen kim loại 2 kW có bộ phản xạ

14.800 theo mọi phƣơng
250.000 ở tâm chùm tia

Với tƣ cách là đơn vị cơ bản, xuất phát từ đơn vị của cƣờng độ sáng I, ta có
thể định nghĩa đƣợc tất cả các đơn vị dẫn xuất khác của phép đo ánh sáng. Trƣớc
hết là đơn vị của quang thông gọi là lumen (lm)
dΦ = dI.dΩ = >candela. steradiant = lumen (lm)

(1.11)

Nhƣ vậy, lumen (lm) là quang thông của nguồn sáng điểm có cƣờng độ sáng
1cd bức xạ đều trong góc khối Ω = 1 sr.
Về quang thông, cần phân biệt 2 khái niệm:
- Quang thông toàn phần do nguồn bức xạ ra chung quanh.
- Quang thông do nguồn rọi tới một diện tích nào đó trên phƣơng nào đó.
Quang thông toàn phần của một nguồn sáng là một đại lƣợng vật lý, về giá trị
bằng toàn bộ năng lƣợng ánh sáng bức xạ trên mọi phƣơng trong đơn vị thời gian.
Quang thông do nguồn rọi tới mặt dS, đại lƣợng vật lý về giá trị bằng năng
lƣợng ánh sáng do nguồn rọi tới mặt dS trong đơn vị thời gian.
Trên đây, trong khái niệm quang thông Φ ta đã định nghĩa đơn vị của nó là
lumen, mà thực chất đó là Watt ánh sáng trong đơn vị năng lƣợng.
Nhƣ vậy, với bƣớc sóng  = 555nm, giữa lm và Watt ánh sáng có quan hệ nhƣ sau:
1Watt ánh sáng = 683 lumen
Hay là:

1 lumen = 0,00146 Watt ánh sáng.

Với ánh sáng đơn sắc khác, do   < 1 nên:
1 Watt ánh sáng = 683   lumen
Chẳng hạn, với bức xạ màu lam, λ = 460 nm và hệ số độ nhậy   = 0,06 thì:

21

1 Watt ánh sáng = 683



= 683.0,06 = 40,98 lm

Tổng quát, ta có biểu thức của quang thông là
2

  683  W d 

(1.12)

1

Bảng 1.4. Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng [1]:
Nguồn sáng

Quang thông (lumen )

Đèn sợi đốt 60W

685

Đèn compact 11W

560

Đèn huỳnh quang 40W

2700

Đèn Na cao áp 400W

47.000

Đèn Halogen kim loại 2 kW

180.000

1.2.5. Độ rọi
Độ rọi E là đại lƣợng đặc trƣng mức độ đƣợc rọi sáng trên mặt dS, do nguồn
sáng từ ngoài rọi tới (hình 1.5)
dΦ

dΦ

Hình 1.5. Để định nghĩa độ rọi
Giả sử nguyên tố diện tích dS của mặt S (hình 1.5), nhận đƣợc quang thông dΦ
từ bên ngoài rọi tới, theo phƣơng trùng với pháp tuyến của dS bằng, đại lƣợng dE:

dE 

d
dS

đƣợc gọi là độ rọi trên bề mặt dS.
Nếu quang thông tới Φ phân bố đều trên mặt S thì:

22

(1.13)


E


S

(1.14)

Nhƣ vậy, độ rọi E trên một bề mặt nào đó là đại lƣợng vật lý có giá trị bằng
quang thông Φ rọi trên đơn vị diện tích của mặt đó.
Trƣờng hợp mặt bị rọi nghiêng với phƣơng của chùm sáng một góc β bất kỳ
(hình 1.6).

d

Hình 1.6. Độ rọi trong trƣờng hợp phƣơng của chùm sáng nghiêng một góc với mặt
đƣợc chiếu sáng

dE 

dI .dS .cos  dI .cos 

dS .r 2
r2

(1.15)

Vậy khi chiếu sáng bằng nguồn điểm, độ rọi E trên mặt bị rọi tỉ lệ nghịch với
bình phƣơng khoảng cách từ nguồn tới mặt bị rọi.
Độ rọi E còn phụ thuộc vào góc tới β. Do vậy, tia sáng càng nghiêng (góc β
càng lớn) thì độ rọi E càng nhỏ.
Đơn vị của E : Từ biểu thức định nghĩa độ rọi (1.14)
E


=
S

(

Đơn vị của E gọi là lux (lx). Nhƣ vậy, 1lux = 1lumen/1m2.

23

)


Ta có thể định nghĩa: Lux là độ rọi của một điểm trên một bề mặt sao cho có
quang thông một lumen chiếu vuông góc với bề mặt đó. Bảng 1.5 dẫn ra một vài
trƣờng hợp chiếu sáng có độ rọi điển hình.
Bảng 1.5. Một vài giá trị độ rọi điển hình [1].
Điều kiện chiếu sáng

Độ rọi (lux)

Nắng giữa trời mƣa

100.000

Trời nhiều mây

1000

Tối thiểu để đọc sách

50

Phòng học

300 – 500

Phòng mổ y tế

750 - 1000

Đủ để làm việc tinh vi

500

Đủ để lái xe

0,5

Đêm trăng tròn

0,25

Kết luận cho chƣơng I
Trong chƣơng I chúng tôi đã xây dựng và đƣa ra biểu thức của ba trong số
nhiều đại lƣợng trắc quang , đó là quang thông Φ, cƣờng độ sáng I và độ rọi E. Các
đại lƣợng này đều có liên quan trực tiếp đến các quá trình tính toán, xây dựng phép
đo quang thông cho các chƣơng tiếp theo. Về đại lƣợng quang thông, chúng tôi đã
đƣa ra hai biểu thức:
Thứ nhất: Biểu thức quang thông theo quan điểm bức xạ:
2

      683    d 
1

Thứ hai: Biểu thức quang thông theo quan điểm cƣờng độ sáng:

   Id 

24


Chƣơng 2
PHƢƠNG PHÁP ĐO QUANG THÔNG CỦA NGUỒN SÁNG
BẰNG CẦU TÍCH PHÂN (HAY ĐO QUANG THÔNG
BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỘ RỌI)
2.1. QUẢ CẦU TÍCH PHÂN
Quả cầu tích phân là một hình cầu bán kính R (hình 2.1.a,b.), phía trong
đƣợc phủ một lớp khuếch tán không chọn lọc trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Lớp
chất khuếch tán này thƣờng đƣợc làm bằng Sunfat Bari (BaSO 4). Phổ tán xạ của
chất này phải có dạng nhƣ hình 2.2.

Với cấu trúc hình cầu nhƣ trên, bất kỳ tia sáng nào từ nguồn S trong quả cầu
tích phân Q sau khi phản xạ một số lần trên lớp phủ khuếch tán đều trở về detector
quang điện D (hình 2.1.a). Năng lƣợng sáng đƣợc detector quang điện D biến đổi
thành dòng điện, dòng điện này tỷ lệ với quang thông do nguồn sáng phát ra và
đƣợc đo bằng đồng hồ I
Q

S
D

I

(a)

(b)
Hình 2.1. Quả cầu tích phân:

(a) Sự truyền của tia sáng (b) Cầu tích phân hiện đại

Hình 2.2. Phổ tán xạ của BaSO4

25