Valovoima – määritelmä fotometriassa, valon intensiteetti ja candela
Valovoima fotometriassa — selkeä opas valon intensiteettiin, candela-yksikköön ja luminositeettifunktioon ihmissilmän herkkyyteen perustuen.
Fotometriassa valovoima on aallonpituuspainotetun tehon mitta, jonka valonlähde säteilee tiettyyn suuntaan kiinteää kulmayksikköä kohti ja joka perustuu luminositeettifunktioon, joka on standardoitu malli ihmissilmän herkkyydestä. Valovoiman SI-yksikkö on kandela (cd), SI-perusyksikkö.
Määritelmä ja kaava
Matemaattisesti valovoima I_v määritellään valovirran Φ_v muutoksena suhteessa avaruuskulmaan Ω:
I_v = dΦ_v / dΩ.
Tässä Φ_v on valovirta (lumen, lm) ja Ω on avaruuskulma (steradiaani, sr). Käytännössä valovoima kuvaa siis, kuinka paljon näkyvää valoa lähde lähettää tiettyyn suuntaan per yksikköavaruuuskulma. Yksiköiden välinen yhteys on 1 cd = 1 lm/sr.
Suhde säteilytehoon ja luminositeettifunktioon
Fotometriset suureet painottavat ihmissilmän herkkyyttä eri aallonpituuksille. Siksi valovoima liittyy radiometriseen säteilyintensiteettiin I_e(λ) integraalin kautta:
I_v = 683 lm/W · ∫ V(λ) · I_e(λ) dλ,
missä V(λ) on standardoitu luminositeettifunktio (ihmissilmän suhteellinen herkkyys aallonpituudelle λ) ja 683 lm/W on vakio, joka määrittää kandelan peruskurssin (vastaavuuskohtana monochromaattiselle säteilylle taajuudella 540·10^12 Hz, noin 555 nm, jossa V(λ)=1).
Suuntaperusteisuus ja esimerkit
- Suuntaperusteisuus: Valovoima on suuntaa kuvaava suure — sama lamppu voi antaa eri valovoiman eri suuntiin riippuen valonjakokuvasta.
- Isotrooppinen lähde: Jos pisteellinen lähde säteilee tasaisesti kaikkiin suuntiin, sen valovoima on Φ_v / (4π).
- Käytännön vertailu: Tyypillinen kynttilä on luokkaa 1 cd. Auton kaukovaloissa ja kirkkaissa LED-kohteissa valovoimat voivat olla sadoista tuhansiin candeloihin suuntaa kohden.
Mittaaminen ja käyttötarkoitukset
Valovoimaa mitataan fotometrisilla instrumenteilla, kuten fotometreillä ja goniofotometreillä (joilla mitataan valon suuntajakaumaa). Valovoimaa käytetään valaistussuunnittelussa, valonlähteiden ja optisten laitteiden spesifikaatioissa sekä standardeissa, joissa halutaan kuvata, kuinka tehokkaasti ja suuntaavasti valoa lähde tuottaa näkyvää valoa.
Eroja muihin fotometrisiin suureisiin
On hyvä erottaa valovoima muista läheisistä käsitteistä:
Valovirta (Φ_v) — kokonaismäärä näkyvää valoa (lumen, lm).
Valaistusvoimakkuus (E) — pinnalle saapuva valovirta pinta-alayksikköä kohti (lux, lx = lm/m²).
Luminanssi (L) — pinnan näkemä tai lähettämä valovoima pinta-alayksikköä ja suuntaa kohti (cd/m²), usein kutsutaan myös kirkkaudeksi.
Yhteenvetona: valovoima on perussuure fotometriassa, joka kvantifioi valonlähteen suuntaan annosteltua näkyvää valotehoa ottaen huomioon ihmisen näköjärjestelmän herkkyyden eri aallonpituuksille.
Etsiä