Měřič světla - Light meter

Použití měřiče světla pro portrétní kinematografii v turecké hudební video sadě

Metr světlo je zařízení sloužící k měření množství světla. Ve fotografii se ke stanovení správné expozice pro fotografii používá měřič světla (přesněji expozimetr) . Měřič bude obsahovat buď digitální nebo analogovou kalkulačku, která zobrazuje správnou rychlost závěrky a číslo f pro optimální expozici při dané světelné situaci a rychlosti filmu . Podobně se expozimetry používají také v oblasti kinematografie a scénického designu , aby se určila optimální úroveň světla pro scénu.

Světelné měřiče se používají v obecné oblasti architektonického návrhu osvětlení k ověření správné instalace a výkonu osvětlovacího systému budovy a při posuzování úrovní světla pro rostoucí rostliny.

Použití ve fotografii

Sekonic
L-358 Flash Master
Ruční digitální měřič světla ukazující expozici 1/200 při cloně f/11 při ISO 100. Světelný senzor je nahoře, pod bílou difuzní polokoulí.

Leudiho metr na zánik

METROPHOT

Měřič VOIGTLANDER VC

SEKONIC TWINMATE L208

KODALUX

MĚŘIČ TESSINA

LEICA IIIC S VOIGTLANDER VC METER II

Nejstarší typ měřičů světla se nazýval extinkční měřiče a obsahoval očíslovanou nebo písmenou řadu filtrů s neutrální hustotou se vzrůstající hustotou. Fotograf by umístil měřič před svůj předmět a zaznamenal filtr s největší hustotou, která stále umožňovala procházet dopadajícím světlem. Písmeno nebo číslo odpovídající filtru bylo použito jako index do grafu vhodné kombinace clony a rychlosti závěrky pro danou rychlost filmu .

Měřiče zániku trpěly problémem, který závisel na světelné citlivosti lidského oka (která se může lišit od člověka k člověku) a subjektivní interpretaci.

Později metry odstranily lidský prvek a spoléhaly na technologie zahrnující selen , CdS a křemíkové fotodetektory .

Analogový ruční měřič světla - Gossen Lunasix 3 (v USA: Luna Pro S); k dispozici od roku 1961 do roku 1977

Automatická světelná měřicí/expoziční jednotka z 8mm filmové kamery , založená na mechanismu galvanometru (uprostřed) a CdS fotorezistoru , s otevíráním vlevo.

Měřiče selenu a křemíku používají senzory, které jsou fotovoltaické : generují napětí úměrné expozici světla. Seleniové senzory generují dostatečné napětí pro přímé připojení k měřiči; ke svému provozu nepotřebují žádnou baterii, a proto byly velmi praktické ve zcela mechanických kamerách. Seleniové senzory však nedokážou přesně měřit slabé světlo (běžné žárovky je mohou přiblížit svým limitům) a nejsou schopny měřit velmi slabé světlo, například světlo svíček, měsíční světlo, hvězdné světlo atd. Silikonové senzory potřebují zesilovací obvod a vyžadují napájecí zdroj, jako je jako baterie k provozu. Měřiče světla CdS používají snímač fotoodporu, jehož elektrický odpor se mění úměrně k expozici světla. K provozu také vyžadují baterii. Většina moderních měřičů světla používá křemíkové nebo CdS senzory. Indikují expozici buď jehlovým galvanometrem, nebo na LCD obrazovce.

Mnoho moderních spotřebitelských fotoaparátů a videokamer obsahuje vestavěný měřič, který měří úroveň osvětlení v celé scéně a na základě toho je schopen provést přibližné měření vhodné expozice. Fotografové pracující s řízeným osvětlením a kameramani používají ruční měřiče světla k přesnému měření světla dopadajícího na různé části jejich objektů a pomocí vhodného osvětlení vytvářejí požadované úrovně expozice.

Existují dva obecné typy měřičů světla: odražené světlo a dopadající světlo. Měřiče odraženého světla měří světlo odražené fotografovanou scénou . Všechny měřiče ve fotoaparátu jsou měřiče odraženého světla. Měřiče odraženého světla jsou kalibrovány tak, aby zobrazovaly vhodnou expozici pro „průměrné“ scény. Neobvyklá scéna s převahou světlých barev nebo zrcadlových světel by měla vyšší odrazivost; měřič odraženého světla provádějící odečet by nesprávně kompenzoval rozdíl v odrazivosti a vedl by k podexponování. Špatně podexponované fotografie západu slunce jsou běžné právě kvůli tomuto efektu: jas zapadajícího slunce oklamá měřič světla fotoaparátu, a pokud se logika ve fotoaparátu nebo fotograf nestará o kompenzaci, bude snímek hrubě podexponovaný a matný.

Tomuto úskalí (ale ne v případě zapadajícího slunce) se vyhnou měřiče dopadajícího světla, které měří množství světla dopadajícího na předmět pomocí integrační koule (k jejímu přiblížení se obvykle používá průsvitná polokulová plastová kupole) světelného senzoru. Protože čtení dopadajícího světla je nezávislé na odrazivosti objektu, je méně pravděpodobné, že by to vedlo k nesprávným expozicím u subjektů s neobvyklou průměrnou odrazivostí. Měření dopadajícího světla vyžaduje umístění měřiče na místo subjektu a jeho namíření na obecný směr fotoaparátu, což není v praxi vždy možné, např. Při fotografování krajiny, kde se vzdálenost objektu blíží nekonečnu.

Dalším způsobem, jak se vyhnout podexponování nebo přeexponování u subjektů s neobvyklou odrazivostí, je použít bodový měřič : měřič odraženého světla, který měří světlo ve velmi těsném kuželu , obvykle s kruhovým úhlem pohledu jeden stupeň . Zkušený fotograf může provést několik měření stínů, středních rozsahů a světel scény a určit optimální expozici pomocí systémů, jako je zónový systém .

Mnoho moderních fotoaparátů obsahuje sofistikované vícesegmentové měřicí systémy, které měří jas různých částí scény a určují optimální expozici. Při použití filmu, jehož spektrální citlivost neodpovídá světelnému měřiči, například ortochromatickému černobílému nebo infračervenému filmu, může měřič vyžadovat speciální filtry a rekalibraci, aby odpovídal citlivosti filmu.

Existují i ​​jiné typy specializovaných fotografických měřičů světla. Bleskoměry se používají při fotografování s bleskem k ověření správné expozice. Měřiče barev se používají tam, kde je vyžadována vysoká věrnost reprodukce barev. Při fotografické reprodukci se používají denzitometry .

Kalibrace expozimetru

Ve většině případů měřič dopadajícího světla způsobí, že střední tón bude zaznamenán jako střední tón, a měřič odraženého světla způsobí, že vše, co je měřeno , bude zaznamenáno jako střední tón. To, co představuje „střední tón“, závisí na kalibraci měřiče a několika dalších faktorech, včetně zpracování filmu nebo převodu digitálního obrazu.

Kalibrace měřiče určuje vztah mezi osvětlením objektu a doporučeným nastavením fotoaparátu. Kalibrace fotografických měřičů světla je pokryta normou ISO 2720: 1974 .

Expoziční rovnice

U měřičů odraženého světla souvisí nastavení fotoaparátu s citlivostí ISO a jasem subjektu podle rovnice expozice odraženého světla:

${\ displaystyle {\ frac {N^{2}} {t}} = {\ frac {LS} {K}}}$

kde

• ${\ displaystyle N}$je relativní clona ( číslo f )
• ${\ displaystyle t}$je doba expozice („ rychlost závěrky “) v sekundách
• ${\ displaystyle L}$je průměrná svítivost scény
• ${\ displaystyle S}$je aritmetická rychlost ISO
• ${\ displaystyle K}$ je kalibrační konstanta měřiče odraženého světla

U měřičů dopadajícího světla souvisí nastavení fotoaparátu s citlivostí ISO a osvětlením objektu podle rovnice expozice dopadajícího světla:

${\ displaystyle {\ frac {N^{2}} {t}} = {\ frac {ES} {C}}}$

kde

• ${\ displaystyle E}$je osvětlenost
• ${\ displaystyle C}$ je kalibrační konstanta měřiče dopadajícího světla

Kalibrační konstanty

Stanovení kalibračních konstant bylo do značné míry subjektivní; ISO 2720: 1974 to uvádí

Konstanty a bude vybrán statistické analýzy výsledků velkého počtu testů provedených pro stanovení přijatelnosti na velký počet pozorovatelů, z řady snímků, pro které byla expozice známé, získané za různých podmínek předmětu způsobem a v rozsahu jasů. ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle C}$

V praxi jsou odchylky kalibračních konstant mezi výrobci podstatně menší, než by toto tvrzení mohlo naznačovat, a hodnoty se od počátku 70. let 20. století změnily jen málo.

ISO 2720: 1974 doporučuje rozsah od 10,6 do 13,4 se svítivostí v cd/m ² . Běžně se používají dvě hodnoty pro : 12,5 ( Canon , Nikon a Sekonic ) a 14 ( Minolta , Kenko a Pentax ); rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami je přibližně 1/6 EV . ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle K}$

Nejstarší kalibrační standardy byly vyvinuty pro použití s ​​širokoúhlými zprůměrovanými měřiči odraženého světla ( Jones a Condit 1941 ). Přestože širokoúhlé průměrné měření z velké části ustoupilo jiným vzorcům citlivosti měření (např. Bodovým, středovým a vícesegmentovým), hodnoty stanovené pro širokoúhlé průměrovací měřiče zůstaly. ${\ displaystyle K}$

Kalibrační konstanta dopadajícího světla závisí na typu světelného receptoru. Jsou běžné dva typy receptorů: plochý ( odpovídá kosinu ) a polokulovitý ( odpovídá kardioidům ). S plochým receptorem ISO 2720: 1974 doporučuje rozsah 240 až 400 s osvětlením v luxech ; běžně se používá hodnota 250. Plochý receptor se obvykle používá pro měření poměrů osvětlení, pro měření osvětlení a příležitostně pro stanovení expozice pro plochý předmět. ${\ displaystyle C}$

Pro stanovení praktické fotografické expozice se ukázal účinnější hemisférický receptor. Don Norwood , vynálezce expozimetru dopadajícího světla s polokulovým receptorem, si myslel, že koule je rozumnou reprezentací fotografického předmětu. Podle jeho patentu ( Norwood 1938 ) byl cíl

poskytnout expozimetr, který v podstatě rovnoměrně reaguje na světlo dopadající na fotografický objekt prakticky ze všech směrů, což by mělo za následek odraz světla do fotoaparátu nebo jiného fotografického registru.

a měřič poskytoval „měření efektivního osvětlení získaného v poloze subjektu“.

S polokulovým receptorem ISO 2720: 1974 doporučuje rozsah 320 až 540 s osvětlením v luxech; v praxi se hodnoty obvykle pohybují mezi 320 (Minolta) a 340 (Sekonic). Relativní reakce plochých a polokulovitých receptorů závisí na počtu a typu světelných zdrojů; když je každý receptor namířen na malý světelný zdroj, polokulovitý receptor s = 330 bude indikovat expozici přibližně o 0,40 o krok větší, než je uvedeno u plochého receptoru s = 250. S mírně revidovanou definicí osvětlenosti indikují měření s polokulovým receptorem „efektivní osvětlení scény“. ${\ displaystyle C}$${\ displaystyle C}$${\ displaystyle C}$

Kalibrovaná odrazivost

Běžně se uvádí, že měřiče odraženého světla jsou kalibrovány na 18% odrazivost, ale kalibrace nemá s odrazivostí nic společného, ​​jak by mělo být zřejmé z expozičních vzorců. Určitá představa o odrazivosti je však implikována porovnáním kalibrace měřiče dopadajícího a odraženého světla.

Kombinace rovnic expozice odraženého světla a dopadajícího světla a přeskupení dává

${\ displaystyle {\ frac {L} {E}} = {\ frac {K} {C}}}$

Odrazivost je definována jako ${\ displaystyle R}$

${\ Displaystyle R = {\ frac {\ mbox {tok vyzařovaný z povrchu}} {\ mbox {tok dopadající na povrch}}}}$

Rovnoměrný dokonalý difuzor (podle Lambertova kosinova zákona ) jasu vyzařuje hustotu toku ; odrazivost pak je ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle L}$

${\ displaystyle R = {\ frac {\ pi L} {E}} = {\ frac {\ pi K} {C}}}$

Osvětlení se měří plochým receptorem. Je snadné porovnat měření dopadajícího světla pomocí plochého receptoru s měřením odraženého světla na rovnoměrně osvětleném plochém povrchu s konstantní odrazivostí. Použití hodnot 12,5 pro a 250 pro dává ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle C}$

${\ displaystyle R = {\ frac {\ pi \ times 12,5} {250}} \ cca 15,7 \%}$

Při hodnotě 14 by byla odrazivost 17,6%, což je blízkost standardní 18% neutrální testovací kartě. Měření dopadajícího světla by teoreticky mělo souhlasit s měřením odraženého světla na testovací kartě vhodné odrazivosti, která je kolmá na směr k měřiči. Testovací karta však zřídka je jednotný difuzor, takže měření dopadajícího a odraženého světla se může mírně lišit. ${\ displaystyle K}$

V typické scéně mnoho prvků není plochých a je v různých orientacích vůči fotoaparátu, takže pro praktické fotografování se obvykle ukázalo, že pro stanovení expozice je účinnější polokulový receptor. Použití hodnot 12,5 pro a 330 pro dává ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle C}$

${\ displaystyle R = {\ frac {\ pi \ times 12,5} {330}} \ cca 11,9 \%}$

S mírně revidovanou definicí odrazivosti lze tento výsledek brát jako indikaci, že průměrná odrazivost scény je přibližně 12%. Typická scéna zahrnuje zastíněné oblasti i oblasti, které přijímají přímé osvětlení, a na tyto rozdíly v osvětlení reaguje stejně jako na různé odrazy různých prvků scény širokoúhlý průměrný měřič odraženého světla. Průměrná odrazivost scény by pak byla

${\ displaystyle {\ mbox {průměrná odrazivost scény}} = {\ frac {\ mbox {průměrná svítivost scény}} {\ mbox {efektivní osvětlení scény}}}}}$

kde „efektivní osvětlení scény“ je měření měřené metrem s polokulovým receptorem.

ISO 2720: 1974 požaduje, aby byla kalibrace odraženého světla měřena zaměřením receptoru na transiluminovaný difúzní povrch a aby kalibrace dopadajícího světla byla naměřena zaměřením receptoru na bodový zdroj v zatemněné místnosti. Pro dokonale rozptylující testovací kartu a dokonale rozptylující plochý receptor platí srovnání mezi měřením odraženého světla a měřením dopadajícího světla pro jakoukoli polohu světelného zdroje. Odezva hemisférického receptoru na světelný zdroj mimo osu je však přibližně stejná jako u kardioidu než kosinu , takže 12% „odrazivost“ určená pro měřič dopadajícího světla s hemisférickým receptorem platí pouze tehdy, když světlo zdroj je na ose receptoru.

Kamery s interními měřiči

Kalibrace kamer s interními měřiči je pokryta normou ISO 2721: 1982 ; nicméně mnoho výrobců uvádí (i když jen zřídka uvádí) kalibraci expozice ve smyslu a mnoho kalibračních nástrojů (např. multifunkční kamerové testery Kyoritsu-Arrowin) používá k nastavení testovacích parametrů uvedené. ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle K}$

Stanovení expozice pomocí neutrální testovací karty

Pokud se scéna výrazně liší od statisticky průměrné scény, nemusí širokoúhlé měření průměrného odraženého světla indikovat správnou expozici. Pro simulaci průměrné scény je někdy náhradní měření provedeno z neutrální testovací karty nebo šedé karty .

V nejlepším případě je plochá karta aproximací trojrozměrné scény a měření testovací karty může vést k podexpozici, pokud není provedena úprava. Pokyny pro neutrální testovací kartu Kodak doporučují, aby byla indikovaná expozice zvýšena o ½ kroku pro scénu s předním osvětlením na slunci. Pokyny také doporučují, aby byla testovací karta držena svisle a otočená ve směru uprostřed mezi Sluncem a kamerou; podobné pokyny jsou také uvedeny v Kodak Professional Photoguide . Kombinace zvýšení expozice a orientace karty poskytuje doporučené expozice, které jsou přiměřeně blízké expozicím měřeným dopadajícím světlem s polokulovým receptorem při měření mimoosým světelným zdrojem.

V praxi mohou nastat další komplikace. Mnoho neutrálních testovacích karet má daleko k dokonale rozptýleným reflektorům a zrcadlové odlesky mohou způsobit zvýšené hodnoty měřiče odraženého světla, které by v případě dodržení vedly k podexponování. Je možné, že pokyny pro neutrální testovací kartu obsahují opravu zrcadlových odrazů.

Použití při osvětlení

Při osvětlení se také používají měřiče světla nebo detektory světla . Jejich účelem je měřit úroveň osvětlení v interiéru a vypínat nebo snižovat výstupní úroveň svítidel . To může výrazně snížit energetickou zátěž budovy výrazným zvýšením účinnosti jejího osvětlovacího systému. Proto se doporučuje používat světelné měřiče v osvětlovacích systémech, zejména v místnostech, kde nelze očekávat, že uživatelé budou věnovat pozornost ručnímu vypínání světel. Mezi příklady patří chodby, schody a velké haly.

Existují však značné překážky, které je třeba překonat, aby se dosáhlo úspěšné implementace měřičů světla v osvětlovacích systémech, přičemž přijetí uživatele je zdaleka nejpůsobivější. Neočekávané nebo příliš časté přepínání a příliš světlé nebo příliš tmavé místnosti jsou pro uživatele místností velmi otravné a rušivé. Proto byly vyvinuty různé přepínací algoritmy:

• Algoritmus rozdílu, kde se světla zapínají při nižší úrovni osvětlení, než se vypínají, čímž se zajistí, že rozdíl mezi úrovní světla ve stavu „zapnuto“ a „vypnuto“ není příliš velký
• algoritmy časového zpoždění:
  • od posledního přepnutí musí uplynout určitý čas
  • musí projít určitý čas na dostatečné úrovni osvětlení.

Jiné použití

Ve vědeckém výzkumu a vývoji se světelný měřič skládá z radiometru (elektronika/odečet), fotodiody nebo senzoru (generuje výstup, když je vystaven elektromagnetickému záření/světlu) a filtru (slouží k úpravě příchozího světla požadovaná část přicházejícího záření dosáhne senzoru) a vstupní optika korigující kosinus (zajišťuje, že senzor dokáže přesně vidět světlo přicházející ze všech směrů).

Když se místo radiometru nebo optometru použije slovo světelný měřič nebo fotometr, nebo se často předpokládá, že systém byl nakonfigurován tak, aby viděl pouze viditelné světlo. Senzory viditelného světla se často nazývají osvětlovací nebo fotometrické senzory, protože byly filtrovány tak, aby byly citlivé pouze na 400-700 nanometrů (nm) napodobujících citlivost lidských očí na světlo. Jak přesně měřič měří, často závisí na tom, jak dobře filtrace odpovídá reakci lidského oka.

Senzor pošle signál do měřiče, který je úměrný množství světla, které dosáhne senzoru poté, co je zachyceno optikou a prochází filtrem. Měřič poté převádí příchozí signál (obvykle proud nebo napětí) ze snímače na odečet kalibrovaných jednotek, jako jsou Foot-Candles (fc) nebo Lux (lm/m^2). Kalibrace ve fc nebo luxech je druhou nejdůležitější funkcí měřiče světla. Nepřevádí pouze signál z V nebo mA, ale také poskytuje přesnost a opakovatelnost jednotky na jednotku. Sledovatelnost Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) a akreditace ISO/IEC 17025 jsou dva dobře známé termíny, které ověřují, že systém obsahuje platnou kalibraci.

Část měřiče/radiometru/fotometru může mít mnoho funkcí, včetně:

Nula: odečte úroveň okolního světla/pozadí nebo stabilizuje měřič v pracovním prostředí

Hold: zmrazí hodnotu na displeji.

Rozsah: u systémů, které nejsou lineární a s automatickým rozsahem, tato funkce umožňuje uživateli vybrat část elektroniky měřiče, která nejlépe zvládá používanou úroveň signálu.

Jednotky: Pro osvětlení jsou jednotky typicky pouze lux a foot-candles, ale mnoho světelných měřičů lze použít také pro UV, VIS a IR aplikace, takže odečet se může změnit na W/cm^2, candela, Watts atd.

Integrovat: shrne hodnoty do dávky nebo úrovně expozice, tj. Lux*s nebo J/cm^2.

Spektrální měřič HortiPower pro měření hustoty toku fotonů (světlo pro rostliny)

Spolu s řadou funkcí může být světelný měřič použitelný také pro různé aplikace. Ty mohou zahrnovat měření dalších pásem světla, jako je UVA, UVB, UVC a Near IR. Například světelné měřiče UVA a UVB se používají k fototerapii nebo léčbě kožních onemocnění, germicidní radiometry se používají k měření hladiny UVC z lamp používaných k dezinfekci a sterilizaci, měřiče jasu se používají k měření jasu nápisu, displeje nebo východu znaménko, kvantové senzory PAR se používají k měření toho, kolik emise daného zdroje světla pomůže rostlinám růst, a radiometry vytvrzující ultrafialovým zářením testují, kolik emise světla je účinné pro vytvrzení lepidla, plastu nebo ochranného povlaku.

Některé měřiče světla mají také schopnost poskytovat odečet v mnoha různých jednotkách. Lux a footcandles jsou běžnými jednotkami pro viditelné světlo, ale také Candelas, Lumens a Candela na metr čtvereční. V oblasti dezinfekce se UVC obvykle měří ve wattech na čtvereční centimetr nebo ve wattech pro danou jednotlivou sestavu lampy, zatímco systémy používané v kontextu vytvrzování povlaků často poskytují odečty v Joulech na čtvereční centimetr. Pravidelná měření intenzity UVC světla tak mohou sloužit k zajištění řádné dezinfekce povrchů vody a pokrmů nebo spolehlivé tvrdosti povlaku u lakovaných výrobků.

Přestože může mít měřič světla podobu velmi jednoduchého ručního nástroje s ovládáním jedním tlačítkem, existuje také mnoho pokročilých systémů pro měření světla, které lze použít v mnoha různých aplikacích. Ty mohou být začleněny do automatizovaných systémů, které mohou například stírat žárovky, když je detekováno určité snížení výkonu, nebo které mohou spustit alarm, když dojde k poruše lampy.

Viz také

• Měřič selenu
• Fotometr | Fotodetektor
• Kolorimetrie | Fotometrie | Radiometrie
• Hodnota světla
• Fotonásobiče pro detekci světla na velmi nízkých úrovních.
• Polovodičová polovodičová elektronická zařízení pro detekci dopadajícího světla.

Poznámky

Reference

• Ctein. 1997. Post Exposure: Advanced Techniques for the Photographic Printer . Boston: Focal Press . ISBN  0-240-80299-3 .
• Společnost Eastman Kodak. Pokyny pro testovací kartu Kodak Neutral, 453-1-78-ABX. Rochester: Eastman Kodak Company.
• Společnost Eastman Kodak. 1992. Kodak Professional Photoguide . Publikace Kodak č. R-28. Rochester: Eastman Kodak Company.
• ISO 2720: 1974 . Fotografické expozimetry pro všeobecné použití (fotoelektrický typ) - průvodce specifikací produktu . Mezinárodní organizace pro normalizaci .
• ISO 2721: 2013 . Fotografie-Filmové fotoaparáty-Automatické ovládání expozice . Mezinárodní organizace pro normalizaci .
• Jones, Loyd A. a HR Condit. 1941. Míra jasu vnějších scén a správné počítání fotografické expozice. Journal of the Optical Society of America . 31: 651–678 .
• Norwood, Donald W. 1938. Měřič expozice. US patent 2 214 283, podaný 14. listopadu 1938 a vydaný 10. září 1940 .

externí odkazy

• Problém s Lux metry Článek naznačující, že Lux metr může nesprávně číst při měření světla, které nepochází z wolframového zdroje (tj. Fluorescenční, halogenidový, sodíkový, LED a další).
• Exposure Metering: Relation Subject Lighting to Film Exposure ( PDF ) Diskuse o kalibraci měřiče a jeho praktických účincích.
• Odhad jasu a osvětlení ( PDF ) Kodak průvodce používáním expozimetru fotoaparátu.
• Základní principy měření světla Článek od International Light Technologies o základních principech