Fotometrie nieuwe stijl: fotonmetrie

Straling
Met straling is steeds elektromagnetische straling bedoeld.
Van de zon en sterren komt namelijk ook deeltjesstraling.

We bekijken de straling achtereenvolgens
bij de stralingbron,
onderweg en
als zij een oppervlak treft.

De gangbare fotometrie
De traditionele fotometrie bevat een aantal rare eenheden.
De candéla is basiseenheid van lichtsterkte.
Deze is echter volstrekt overbodig,
omdat hij een lichtbron van een berekenbaar vermogen is.

Laten we ons nu eens voorstellen,
dat we de candéla door de watt zouden vervangen,
dan moet de lumen, de eenheid van lichtstroom,
worden vervangen door de W/m2.
Daar is niets op tegen.
De eenheid van verlichtingssterkte , de lux = lumen/m2
zouden we dan moeten vervangen door W/m4;
een bizarre eenheid; dat zit niet goed!

Ik ga een volledig nieuwe fotometrie definiëren,
de fotonmetrie, waarbij alle fotometrische eenheden en
grootheden in een nieuw jasje worden gestoken.
Ik verzoek u alle oude fotometrische definities te negeren.

De stralingbron

Vermogen
Elke stralingbron zendt elke seconde een hoeveelheid straling uit, een aantal fotonen.
Dat is zijn bron-stralingvermogen, P = {P} watt. De {P} stelt een getal voor, het aantal watt.

Intensiteit
Het uitgestraalde vermogen per oppervlakte heet de bronstralingintensiteit = I = {I} W/m2.

De bronfotonactiviteit is het aantal fotonen dat een stralingbron per tijdsduur uitzendt.
f = {f} Bq (Bq = becquerel).

De bronfotonintensiteit is het aantal fotonen dat per tijdsduur en per oppervlak wordt uitgezonden.
i = {i} Bq/m2.

Zichtbaarheid
Niet voor iedereen zijn de grenzen van het zichtbare gebied hetzelfde:
er zijn individuele verschillen door verschillende gevoeligheden van het netvlies.
Bij dieren kunnen de verschillen aanzienlijk zijn. Voor sensoren zijn allerlei varianten.
Om deze redenen wordt een stralinggebied gedefinieerd.

Ter herinnering:
het golfgetal van een golf is het aantal golflengtes per meter.

We definiëren het zichtbare gebied met een golfgetalinterval
van (uiterste rood) 1,40 × 10⁶ m^-1
tot (uiterste violet) 2,50 × 10⁶ m-1
De 'breedte' van dat gebied is dan 1,10 × 10⁶ m^-1

Alternatieve definitie
De randen van het zichtbare deel van het spectrum kunnen ook gedefinieerd worden met behulp van
golflengtes in vacuüm, frequenties, energieën of cirkelgolfgetallen.
Dat is een kwestie van smaak.

Het bronlichtvermogen is het door de bron uitgestraalde vermogen als licht.
P_licht ={P_licht} watt.

De bronlichtintensiteit is het bronlichtvermogen per bronoppervlakte. I_licht = {I_licht} W/m2.
De bronlichtfotonactiviteit is het aantal uitgestraalde zichtbare fotonen per tijdsduur.
f_licht = {f_licht} Bq.
De bronlichtfotonintensiteit is het aantal uitgestraalde zichtbare fotonen per tijdsduur en per
bronoppervlak. i_licht = {i_licht} Bq/m2.

Andere stralinggebieden
Op precies dezelfde manier kan met b.v. bron-UV- of IR-vermogen,
-intensiteit of (foton-)-activiteit definiëren.
Hier is men echter betrekkelijk vrij in het kiezen van een spectraal gebied,
bepaald door de te gebruiken meettechniek. De keus moet expliciet worden vermeld.
De index wordt b.v. UV of IR.

Onderweg

Als de straling de bron verlaten heeft, dan ontstaat er 'onderweg' een stralingstroom.
De stroomsnelheid is de lichtsnelheid c.

De stralingstroom heeft in een punt in de ruimte een bepaalde onderweg-stralingintensiteit,
kortweg een stralingintensiteit. I = {II} W/m2.

De bron-stralingintensiteit van de bron is een bijzonder geval van de onderweg-stralingintensiteit.
Als de straling later een oppervlak treft, dan gebeurt dat met een zekere tref-stralingintensiteit,
het tweede bijzondere geval. Die wordt in een volgend hoofdstuk besproken.

Selectieve absorptie, breking en verstrooiing
Onderweg treedt in een bepaalde richting altijd verzwakking op
door absorptie, breking en/of door verstrooiing en/of uitwaaieren. (1/d ²)
Media doen dat selectief met de (gegeneraliseerde) kleuren. Dat heet dispersie.
Dat leidt niet alleen tot absolute verzwakking maar ook tot verandering van de verhouding tussen
de aanwezige verschillende kleur-intensiteiten.

Een getroffen oppervlak

Tref-grootheden Een oppervlak wordt getroffen door 'trefstraling'.
Een oppervlak kan een deel van een bundel onderscheppen en 'vangt' het trefstralingvermogen.
Het trefstralingvermogen per getroffen oppervlak is de trefstralingintensiteit.

De trefstraling kan deels worden teruggekaatst (diffuus of spiegelend), deels geabsorbeerd en
deels gebroken. Absorptie en breking worden in de foto(n)metrie niet behandeld.

Als het om licht gaat, dan spreken we van treflichtvermogen of -intensiteit.

Helderheid
De helderheid van een lichtbron is per definitie de trefstralingintensiteit
zoals die door de waarnemer of sensor wordt geregistreerd. H = {H} W/m2.
De lichthelderheid mag natuurlijk ook de visuele helderheid genoemd worden.
Deze grootheid is altijd kleiner dan de bronstralingintensiteit, zelfs bij de laser.

Een secundaire stralingbron
Een voorwerp, dat geen stralingbron is, kan worden waargenomen, omdat het straling naar onze
zintuigen of sensoren terugkaatst. Zo wordt het bestraalde oppervlak een secundaire stralingbron.
Denk bijvoorbeeld aan de maan en planeten.

De teruggekaatste (gegeneraliseerde) kleurintensiteit in de richting van de waarnemer gedeeld door
de trefkleurintensiteit noemen we de terugkaatsfactor van het oppervlak voor die kleur in die richting.

Ook de secundaire lichtbron heeft een helderheid, op dezelfde manier gedefinieerd als bij de primaire bron.
In de sterrenkunde heet de fractionele teruggekaatste lichtintensiteit de albedo.

Fractionele grootheden
Het fractionele bronlichtvermogen is het bronlichtvermogen gedeeld
door het totale bronstralingvermogen.
Op dezelfde manier kunnen allerlei andere fractionele grootheden
gedefinieerd worden. Alle kunnen zij reële getallen zijn van nul tot één.

Fractionele grootheden geven we aan met het grootheidsymbool waaraan de / als index is toegevoegd.
Het fractionele bron-lichtvermogen b.v. is P_s/.

Zo bestaan:
fractionele bron-, onderweg- of tref-lichtvermogen, P_s/
fractionele bron-, onderweg- of tref-lichtintensiteit, I_s/
fractionele bron-, onderweg- of tref-lichtfotonactiviteit, f_s/
fractionele bron-, onderweg- of tref-lichtfotonintensiteit, i_s/
en fractionele lichthelderheid H_s/ Waar licht staat mag ook een andere stralingsoort of
gegeneraliseerde kleur staan met vermelding van de grenzen.

Het fractionele bronlichtvermogen van een lamp wordt ook
de lichtopbrengst genoemd. De kwaliteit van een kunstmatige
lichtbron wordt o.a. weergegeven met behulp van de
lichtopbrengst en zijn nuttig effect.

Eenheden
De oude fotometrie had de candéla, de lumen, de lux en de stilb nodig.
De nieuwe fotonmetrie doet het met slechts de watt en de W/m2.
Hieruit zien we overbodigheid van de basisdimensie lichtsterkte
met de basiseenheid de candéla.

Fysica

Wetenschappen