القياسات الضوئية photometry ، فرع من الفيزياء التطبيقية يتعلق بقياس مقادير مثل الشدة الضوئية وتوزع الضوء من منبع ضوئي وسطوع سطح مضاء أومضيء ونسبة الضوء المنعكس عن سطح ما. والقياسات الضوئية هي من حيث الأساس قياسات إشعاع كهرمغناطيسي radiometry؛ إنما محصورة في المجال من الطيف الكهرومغناطيسي الذي تتحسس به عين الإنسان، وهوالمجال الذي يدعى الضوء المرئي الذي تقع أطواله الموجية بين 380و770نانومتر تقريباً، وتأخذ بالحسبان الحساسية الطيفية للعين (أي اختلاف تأثر العين بمختلف الأطوال الموجية).

تدعى الوسيلة التي تُجرى بوساطتها مثل هذه القياسات الضوئية مقياس الضوء photometer، ويعتمد مهندسوالإنارة على مقاييس الضوء لتصميم المنابع الضوئية واختيار أماكن تثبيتها وتوزيع الإنارة بغية زيادة الراحة والأمان وكفاءة الإضاءة في أماكن مختلفة مثل البيوت والمدارس والممحرر والمصانع والمستشفيات والملاعب الرياضية والشوارع. كما يستخدم المصورون مقاييس ضوء مستقلة أوموجودة داخل آلات التصوير لتحديد الشروط المناسبة لالتقاط الصور. وفي الفلك تستخدم مقاييس الضوء لقياس الشدة الضوئية للأجرام السماوية.

القياس الضوئي والعين

المقادير والواحدات الضوئية

تدعى قوة منبع ضوئي الشدة الضوئية luminous intensity. واصطلح منذ عام 1948 على حتى تكون واحدة الشدة الضوئية هي الكانديلا candela ويرمز لها بالحرفين cd. وتعرّف أنها الشدة الضوئية في الاتجاه الناظمي لجزء من 600000 من المتر المربع من تجويف مشعّ (جسم أسود مطلق) درجة حرارته 2045كلفن، وهي درجة حرارة انصهار البلاتين. إلا أنه عثر فيما بعد حتى هذا التعريف المعتمد على درجة حرارة انصهار البلاتين غير عملي لأسباب عدة، منها حتى هذه الدرجة غير محددة بدقة كافية وأنه توجد صعوبة عملية في خلق التجويف الذي درجة حرارته هذه الدرجة. ولذلك اتفق في عام 1979 على التعريف الآتي: «الكانديلا، هي الشدة الضوئية في اتجاه معين لمنبع ضوئي يصدر ضوءاً وحيد اللون تواتره 540× 1210هرتز، وله شدة إشعاعية في ذلك الاتجاه مساوية 1/638 من الواط في الستيراديان (الستيراديان sr، هوالزاوية المجسمة التي رأسها في مركز كرة وتقابل سطحاً من الكرة مساحته تساوي مربع نصف قطر الكرة، فتكون الزاوية المجسمة الكلية المحيطة بمركز الكرة هي s4π ستيراديان، كما هوالأمر بالنسبة للراديان الذي هوالزاوية المستوية بين نصفي قطر دائرة يحددان على محيطها قوساً طولها يساوي نصف قطر الدائرة، فتكون الزاوية الكلية المحيطة بمركز الدائرة هي s2π راديان).

تعد الكانديلا إحدى الواحدات الأساسية السبع في جملة الواحدات الدولية SI على الرغم من أنها ـ حسب تعريفها الجديد ـ مشتقة من واحدات أخرى، لكنها أُبقيت كذلك لاعتبارات تاريخية. وتشتق واحدات القياسات الضوئية الأخرى من الكانديلا.

إذا كان منبع ضوئي نقطي شدته الضوئية s1cd يشع بصورة متماثلة في جميع الاتجاهات دُعي التدفق الضوئي luminous flux الذي يصدره هذا المنبع في واحدة الزاوية المجسمة (1 ستيراديان) لومِن lumen ويرمز له بالحرفين lm. ولذلك فإن المنبع الضوئي النقطي الذي شدته s1cd يصدرs4 π lm من التدفق الضوئي. واللومن هوواحدة التدفق الضوئي في جملة الواحدات الدولية SI. وهوجداء الشدة الضوئية بالزاوية المجسمة cd.sr وهويماثل التدفق الإشعاعي (الذي يقدر بالواط) ولايختلف عنه إلا في أنه يأخذ في الحسبان حساسية العين. وإذا كان المنبع الضوئي متماثل المناحي isotropic كانت العلاقة بين اللومنات والكانديلات هي s1cd = 4πlm أي إذا منبعاً ضوئياً متماثل المناحي شدته s1cd يصدر s4πlm في الفضاء حوله. كما يمكن القول إذا s1cd = 1 lm/sr.

ويطلق على سقوط الطاقة الضوئية على سطح ما اسم الإضاءة illumination، أما مقدار الضوء الموزع على السطح فيدعى استضاءة illuminance، ويعبر عنه باللومن على واحدة السطح. ويدعى لومن واحد على متر مربع واحد، لوكس lux، ويرمز له بالحرفين Lx ومعظم مقاييس الضوء تقيس هذا المقدار فهوكبير الأهمية بالنسبة لهندسة الإضاءة. وتختلف قيم الاستضاءة في مجال كبير من 100000لوكس للاستضاءة بأشعة الشمس المباشرة إلى نحو25ـ50 لوكس لاستضاءة ممرات المستشفيات في الليل.

يعكس السطح المضاء جزءاً من الضوء الساقط عليه. وإصدارية emittance سطح ما هي الاستضاءة على هذا السطح مضروبة بعاكسيته، ويعبر عنها باللومن لكل متر مربع lm/m2. والعاكسية التي يعبر عنها كنسبة مئوية تراوح بين نحو2% لسطح أسود و100% تقريباً لبعض المواد البيضاء. وتتغير العاكسية مع زاوية الرؤية أوزاوية الإضاءة، فإذا كان السطح المضاء ينثر الضوء الساقط عليه بصورة منتظمة، ويدعى عندئذ سطحاً لمبرتياً، نسبة إلى العالم لمبرت Lambert، بدت إضاءة السطح واحدة من جميع الاتجاهات. وتكون الاستضاءة على السطح مضروبة بعاكسية السطح مساوية إلى مايسمى سطوع luminance هذا السطح. والسطوع المعرّف بهذه الطريقة هومقدار فيزيائي مستقل عن المراقب الذي يمكن حتى يشعر بسطوع مختلف تبعاً لتعوّد العين على الضوء ولعوامل أخرى. يُعبر عن سطوع سطح ما، أومنبع ضوئي، بالكانديلا على المتر المربع cd/m2 (أوlm/m2sr) وتدعى واحدة السطوع نيت nit ويكون سطوع شاشة الحاسوب عادة بين 50 و125 نيت، أما سطوع شاشة الحاسوب المحمول فهوبين 100و250 نيت.

يلخص الجدول التالي واحدات القياسات الضوئية والعلاقة بينها وما يقابلها من واحدات طاقية:

كميات الضوء وكميات الإشعاع كهرمغناطيسي

الواط لقاء اللومن

القياسات الضوئية المعتمدة على الرؤية

هي القياسات التي تعتمد على العين للحكم متىقد يكون لحقلي رؤية السطوع نفسه. ويستخدم عادة صندوق خاص لمقارنة منبعين ضوئيين. يتألف هذا الصندوق من مرآتين وموشورين وعدسة عينية فيوفر بذلك حقلي استضاءة تقارن العين بينهما. يُرى الحقلان على شكل دائرتين متمركزتين إحداهما ناشئة من منبع ضوئي معلوم الشدة والأخرى من منبع ضوئي يُرغب في تعيين شدته. يُوضع المنبعان الضوئيان والصندوق على عجلات تتحرك على قضبان بصورة يمكن معها تغيير المسافة الفاصلة بين المنبعين والصندوق وقياسها بسهولة. ومع حتى هذا النوع من القياسات الضوئية المعتمدة على الرؤية لم يعد يستخدم في الوقت الحاضر لأن القياسات الضوئية الفيزيائية حلت محله، إلا أنه يبقى مفيدا لتوضيح مبادئ القياسات الضوئية في المخابر التعليمية.

القياسات الضوئية الفيزيائية

وهي التي تعتمد على الأدوات والأجهزة عوضاً من العين. فالجهاز يستطيع حتى يقيس كمية الضوء مباشرة في حين لا تستطيع العين سوى الحكم إذا كان سطوعان ضوئيان متساويين. ومقياس الضوء الفيزيائي المثالي يجب حتى تكون له الاستجابة نفسها لمختلف الأطوال الموجية الضوئية كما لعين المراقب العياري، الذي يمثل متوسط أناس عاديين. لكن مقاييس الضوء الفيزيائية لا تتمتع عادة بالحساسية الطيفية ذاتها كما للمراقب العياري ولذلك تكون نتائج قياساتها مختلفة بعض الشيء عن إحساس الأشخاص العاديين بالضوء.

تستخدم في مقاييس الضوء الفيزيائية حساسات ضوئية مثل الصمامات الكهرضوئية والخلايا الضوئية والمكاشيف الحرارية. ويمكن حتى تستخدم مرشحات filters ضوئية خاصة للتقليل من انحراف الحساسية الطيفية لهذه المقاييس عن تلك التي للمراقب العياري، كما يمكن حتى تستخدم وسائل أخرى للتقليل من انحرافات أخرى عن الأداء المثالي. وفي الوقت الحالي تستخدم بصورة واسعة حساسات هي ديودات ضوئية مصنوعة من السيلسيوم.

قوانين القياسات الضوئية

وهي تفيد في تصميم المقاييس الضوئية وصنعها وفي حل المسائل التي تبرز لدى إجراء القياسات الضوئية. أحد هذه القوانين الأساسية هوقانون التربيع العكسي الذي ينص على حتى الاستضاءة من منبع ضوئي نقطي تتناسب عكساً مع مربع البعد عن المنبع. فإذا كانت شدة المنبع الضوئية، على سبيل المثال، s10 cd كانت الاستضاءة على سطح يبعد عنه s1m هي s10 lx وكانت s40 slx على سطح يبعد s0.5m.

وهناك قانون آخر يدعى قانون التجيب cosine law يطبق على الاستضاءة وعلى الشدة الضوئية، وينص على حتى الاستضاءة على سطح ما تتغير متناسبة مع تجيب الزاوية بين الناظم على هذا السطح ومنحى الضوء الساقط عليه. مثلاً، إذا كانت الاستضاءة الناظمية على سطح هي لوكس واحد (s1lx) وأُدير السطح زاوية 60درجة أصبحت الاستضاءة على السطح s1lx.cos 60 أي s1/s2lx.

وثمة مبدأ مفيد ينص على حتى سطوع سطح أومنبع ضوئي لا يتغير مع تغير المسافة التي يقاس منها السطوع، لكنه يمكن حتى يتغير تغيراً كبيراً مع المسافة التي يقاس منها إذا لم يكن المنبع لمبرتياً.

ومع حتى هذه القوانين مبنية على حالات مثالية، لكنها يمكن حتى تطبق في المسائل العملية في كثير من الأحيان. فقانون التربيع العكسي، على سبيل المثال، يطبق عادة إذا كانت المسافة بين المنبع الضوئي والسطح المضاء أكبر بنحوعشر مرات من قطر أكبرهما. أما إذا كانت المسافة أصغر من ذلك فلا تكون الأخطاء الناجمة عن استخدام القانون ج.

تقنيات القياس الضوئي

وحدات ضوئية غير دولية

استضواء

• Footlambert
• Millilambert
• Stilb

استضاءة

• شمعة-قدم
• الفت

انظر أيضاً

• انعكاسية
• قائمة مصادر الضوء
• قياس ضوئي (فلك)
• مطياف
• راديوميتر

هوامش

المصادر

وصلات خارجية

• Realization of the Candela, the Lumen, and Other Photometric Units (nist.gov)
• Radiometry and photometry FAQ Professor Jim Palmer's Radiometry FAQ page (University of Arizona).