Люксметр - Light meter

Использование экспонометра для портретной кинематографии в турецком музыкальном видео

Люксметр это устройство , используемое для измерения количества света. В фотографии экспонометр (точнее, экспонометр) используется для определения правильной экспозиции фотографии. Измеритель будет включать в себя цифровой или аналоговый калькулятор, который отображает правильную выдержку и число f для оптимальной экспозиции с учетом определенных условий освещения и светочувствительности пленки . Точно так же экспонометры также используются в области кинематографии и сценического дизайна , чтобы определить оптимальный уровень освещенности для сцены.

Люксметры используются в общей области проектирования архитектурного освещения для проверки правильности установки и работы системы освещения здания, а также для оценки уровней освещенности для выращиваемых растений.

Использование в фотографии

Sekonic
L-358 Flash Master
Портативный цифровой экспонометр, показывающий экспозицию 1/200 при диафрагме f / 11 и ISO 100. Датчик освещенности находится сверху, под белой рассеивающей полусферой.

Измеритель вымирания леуди

МЕТРОФОТ

СЧЕТЧИК VOIGTLANDER VC

SEKONIC TWINMATE L208

KODALUX

ТЕССИНА МЕТР

LEICA IIIC С VOIGTLANDER VC METER II

Самый ранний тип люксметров назывался экстинкционными метрами и содержал пронумерованный или буквенный ряд фильтров нейтральной плотности с возрастающей плотностью. Фотограф помещал измеритель перед своим объектом и отмечал фильтр с максимальной плотностью, которая все еще позволяла проходить падающему свету. Буква или число, соответствующие фильтру, использовались в качестве индекса в таблице соответствующих комбинаций диафрагмы и выдержки для заданной светочувствительности пленки .

Измерители экстинкции страдали той проблемой, что они зависели от светочувствительности человеческого глаза (которая может варьироваться от человека к человеку) и субъективной интерпретации.

Более поздние приборы удалили человеческий фактор и стали полагаться на технологии, включающие в себя селен , CdS и кремниевые фотодетекторы .

Аналоговый портативный люксметр - Gossen Lunasix 3 (в США: Luna Pro S); Доступен с 1961 по 1977 гг.

Автоматический экспонометр / блок экспозиции от 8-миллиметровой кинокамеры на основе механизма гальванометра (в центре) и фоторезистора CdS , в отверстии слева.

В селеновых и кремниевых люксметрах используются фотоэлектрические датчики : они генерируют напряжение, пропорциональное освещенности. Датчики селена генерируют напряжение, достаточное для прямого подключения к счетчику; им не нужна батарея для работы, что делает их очень удобными в полностью механических камерах. Однако селеновые датчики не могут точно измерять слабую освещенность (обычные лампочки могут приближать их к предельным значениям) и в целом не могут измерять очень слабую освещенность, такую ​​как свет свечи, лунный свет, звездный свет и т. Д. Кремниевым датчикам требуется схема усиления и источник питания, такой как как батареи для работы. В экспонометрах CdS используется фоторезисторный датчик, электрическое сопротивление которого изменяется пропорционально освещенности. Для их работы также требуется аккумулятор. В большинстве современных люксметров используются кремниевые датчики или датчики CdS. Они показывают экспозицию либо с помощью игольчатого гальванометра, либо на ЖК- экране.

Многие современные потребительские фото- и видеокамеры имеют встроенный измеритель, который измеряет уровень освещенности в масштабе всей сцены и на основе этого может приблизительно измерить соответствующую экспозицию. Фотографы, работающие с контролируемым освещением, и кинематографисты используют портативные экспонометры, чтобы точно измерить свет, падающий на различные части их объектов, и использовать подходящее освещение для получения желаемых уровней экспозиции.

Есть два основных типа люксметров: отраженный свет и падающий свет. Измерители отраженного света измеряют свет, отраженный фотографируемой сценой . Все встроенные в камеру измерители являются измерителями отраженного света. Измерители отраженного света откалиброваны, чтобы показывать подходящую экспозицию для "средних" сцен. Необычная сцена с преобладанием светлых цветов или зеркальных бликов будет иметь более высокий коэффициент отражения; измеритель отраженного света, снимающий показания, неправильно компенсирует разницу в отражательной способности и приводит к недоэкспонированию. Плохо недоэкспонированные фотографии заката являются обычным явлением именно из-за этого эффекта: яркость заходящего солнца вводит в заблуждение экспонометр камеры, и, если логика камеры или фотограф не позаботятся о компенсации, изображение будет сильно недоэкспонированным и тусклым.

Эту ловушку (но не в случае заходящего солнца) можно избежать с помощью измерителей падающего света, которые измеряют количество света, падающего на объект, с помощью интегрирующей сферы (обычно для ее приближения используется полупрозрачный полусферический пластиковый купол), помещенный сверху. датчика освещенности. Поскольку показания падающего света не зависят от отражательной способности объекта, менее вероятно, что это приведет к неправильной экспозиции для объектов с необычным средним коэффициентом отражения. Для снятия показаний в падающем свете необходимо поместить измеритель в положение объекта и направить его в общем направлении камеры, что не всегда достижимо на практике, например, в пейзажной фотографии, где расстояние до объекта приближается к бесконечности.

Другой способ избежать недоэкспонирования или переэкспонирования объектов с необычной отражательной способностью - использовать точечный измеритель : измеритель отраженного света, который измеряет свет в очень узком конусе , обычно с круговым углом обзора в один градус . Опытный фотограф может сделать несколько снимков теней, средних и светлых участков сцены, чтобы определить оптимальную экспозицию, используя такие системы, как Zone System .

Многие современные камеры включают сложные многосегментные системы замера , которые измеряют яркость различных частей сцены для определения оптимальной экспозиции. При использовании пленки, спектральная чувствительность которой не соответствует спектральной чувствительности экспонометра, например, ортохроматической черно-белой или инфракрасной пленки, для измерителя могут потребоваться специальные фильтры и повторная калибровка для соответствия чувствительности пленки.

Существуют и другие типы специализированных фотографических люксметров. Экспонометры используются при съемке со вспышкой для проверки правильности экспозиции. Цветомеры используются там, где требуется высокая точность воспроизведения цвета. Денситометры используются в репродукции фотографий.

Калибровка экспонометра

В большинстве случаев измеритель падающего света будет вызывать запись среднего тона как средний тон, а измеритель отраженного света будет вызывать то, что измеренное значение будет записано как средний тон. Что представляет собой «средний тон», зависит от калибровки измерителя и ряда других факторов, включая обработку пленки или преобразование цифрового изображения.

Калибровка измерителя устанавливает взаимосвязь между освещением объекта и рекомендуемыми настройками камеры. Калибровка фотографических люксметров соответствует стандарту ISO 2720: 1974 .

Уравнения экспозиции

Для измерителей отраженного света настройки камеры связаны с чувствительностью ISO и яркостью объекта с помощью уравнения экспозиции в отраженном свете:

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

куда

• ${\ displaystyle N}$относительное отверстие ( число f )
• ${\ displaystyle t}$время экспозиции (« выдержка ») в секундах
• ${\ displaystyle L}$это средняя яркость сцены
• ${\ displaystyle S}$арифметическая скорость ISO
• ${\ displaystyle K}$ постоянная калибровки измерителя отраженного света

Для измерителей падающего света настройки камеры связаны с чувствительностью ISO и освещенностью объекта с помощью уравнения экспозиции падающего света:

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

куда

• ${\ displaystyle E}$это Освещенность
• ${\ displaystyle C}$ постоянная калибровки измерителя падающего света

Константы калибровки

Определение калибровочных констант было в значительной степени субъективным; ISO 2720: 1974 гласит, что

Константы и должны выбираться путем статистического анализа результатов большого количества испытаний, проведенных для определения приемлемости для большого числа наблюдателей ряда фотографий, для которых была известна экспозиция, полученных при различных условиях объекта. манеры и в диапазоне яркостей. ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle C}$

На практике разница в калибровочных постоянных между производителями значительно меньше, чем может предполагать это утверждение, и значения мало изменились с начала 1970-х годов.

ISO 2720: 1974 рекомендует диапазон от 10,6 до 13,4 с яркостью в кд / м ² . Обычно используются два значения для : 12,5 ( Canon , Nikon и Sekonic ) и 14 ( Minolta , Kenko и Pentax ); разница между двумя значениями составляет примерно 1/6 EV . ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle K}$

Самые ранние калибровочные стандарты были разработаны для использования с широкоугольными усредняющими измерителями отраженного света ( Джонс и Кондит, 1941 ). Хотя широкоугольный средний замер в значительной степени уступил место другим моделям чувствительности измерения (например, точечный, центрально-взвешенный и многосегментный), значения, определенные для широкоугольных усредняющих измерителей, остались. ${\ displaystyle K}$

Константа калибровки падающего света зависит от типа светоприемника. Распространены два типа рецепторов: плоский ( отвечающий косинусу ) и полусферический ( отвечающий кардиоиде ). Для плоского приемника ISO 2720: 1974 рекомендует диапазон от 240 до 400 с освещенностью в люксах ; обычно используется значение 250. Плоский приемник обычно используется для измерения отношений освещения, для измерения освещенности и иногда для определения экспозиции плоского объекта. ${\ displaystyle C}$

Для определения практической фотографической экспозиции полусферический рецептор оказался более эффективным. Дон Норвуд , изобретатель экспонометра падающего света с полусферическим рецептором, считал, что сфера является разумным представлением фотографического объекта. Согласно его патенту ( Норвуд, 1938 ), цель заключалась в

для обеспечения экспонометра, который по существу одинаково реагирует на свет, падающий на фотографируемый объект практически со всех направлений, который может привести к отражению света на камеру или другой фотографический привод.

а измеритель предназначен для «измерения эффективного освещения, получаемого в месте нахождения объекта».

Для полусферического рецептора ISO 2720: 1974 рекомендует диапазон от 320 до 540 с освещенностью в люксах; на практике значения обычно находятся в диапазоне от 320 (Minolta) до 340 (Sekonic). Относительные отклики плоских и полусферических рецепторов зависят от количества и типа источников света; когда каждый рецептор направлен на небольшой источник света, полусферический рецептор с = 330 будет указывать на экспозицию примерно на 0,40 ступени больше, чем указанная плоским рецептором с = 250. С немного измененным определением освещенности измерения с полусферическим рецептором показывают "эффективная освещенность сцены". ${\ displaystyle C}$${\ displaystyle C}$${\ displaystyle C}$

Калиброванная отражательная способность

Обычно утверждается, что измерители отраженного света калибруются с коэффициентом отражения 18%, но калибровка не имеет ничего общего с коэффициентом отражения, что должно быть очевидно из формул экспозиции. Тем не менее, некоторое понятие отражательной способности подразумевается при сравнении калибровки измерителя падающего и отраженного света.

Комбинирование уравнений экспозиции для отраженного и падающего света и перестановка дает

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

Отражение определяется как ${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle R = {\ frac {\ mbox {поток, испускаемый с поверхности}} {\ mbox {поток, падающий на поверхность}}}}$

Однородный идеальный диффузор (следующий по закону косинуса Ламберта ) яркости излучает плотность потока ; отражательная способность тогда ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle L}$

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

Освещенность измеряется плоским приемником. Несложно сравнить измерение падающего света с использованием плоского приемника с измерением отраженного света равномерно освещенной плоской поверхности с постоянным коэффициентом отражения. Использование значений 12,5 для и 250 для дает ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle C}$

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

При значении 14 коэффициент отражения будет 17,6%, что близко к показателю стандартной 18% нейтральной тестовой карты. Теоретически измерение падающего света должно согласовываться с измерением отраженного света испытательной картой с подходящей отражательной способностью, перпендикулярной направлению к измерителю. Однако тестовая карта редко представляет собой однородный рассеиватель, поэтому измерения падающего и отраженного света могут незначительно отличаться. ${\ displaystyle K}$

В типичной сцене многие элементы не являются плоскими и имеют разную ориентацию по отношению к камере, поэтому для практической фотографии полусферический рецептор обычно оказывается более эффективным для определения экспозиции. Использование значений 12,5 для и 330 для дает ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle C}$

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

С немного измененным определением отражательной способности этот результат можно принять как указывающий на то, что средний коэффициент отражения сцены составляет приблизительно 12%. Типичная сцена включает в себя затененные области, а также области, которые получают прямое освещение, и широкоугольный усредняющий измеритель отраженного света реагирует на эти различия в освещении, а также на различные коэффициенты отражения различных элементов сцены. Тогда средняя отражательная способность сцены будет

${\ displaystyle {\ mbox {средняя отражательная способность сцены}} = {\ frac {\ mbox {средняя яркость сцены}} {\ mbox {эффективная освещенность сцены}}}}$

где "эффективная освещенность сцены" - это яркость, измеренная метром с полусферическим приемником.

ISO 2720: 1974 призывает к измерению калибровки отраженного света путем наведения приемника на просвечиваемую диффузную поверхность, а к калибровке по падающему свету - путем наведения приемника на точечный источник в затемненной комнате. Для идеально рассеивающей испытательной карты и идеально рассеивающего плоского приемника сравнение между измерением отраженного света и измерением падающего света действительно для любого положения источника света. Однако реакция полусферического рецептора на внеосевой источник света примерно такая же, как у кардиоиды, а не косинуса , поэтому 12% «отражательная способность», определенная для измерителя падающего света с полусферическим рецептором, действительна только тогда, когда свет источник находится на оси рецептора.

Камеры с внутренними счетчиками

Калибровка камер с внутренними измерителями регулируется ISO 2721: 1982 ; Тем не менее, многие производители указывают (хотя и редко заявляют) калибровку экспозиции в терминах , и многие калибровочные инструменты (например, многофункциональные тестеры камеры Kyoritsu-Arrowin) используют указанные параметры для установки параметров тестирования. ${\ displaystyle K}$${\ displaystyle K}$

Определение экспозиции с помощью нейтральной тестовой карты

Если сцена значительно отличается от статистически усредненной сцены, широкоугольное усредненное измерение отраженного света может не указать правильную экспозицию. Чтобы смоделировать среднюю сцену, иногда выполняется заменяющее измерение нейтральной тестовой карты или серой карты .

В лучшем случае плоская карта представляет собой приближение к трехмерной сцене, и измерение тестовой карты может привести к недоэкспонированию, если не будет произведена регулировка. Инструкции для нейтральной тестовой карты Kodak рекомендуют увеличить указанную экспозицию на ½ шага для сцены, освещенной спереди при солнечном свете. В инструкциях также рекомендуется держать тестовую карту вертикально и смотреть в направлении посередине между Солнцем и камерой; аналогичные указания также даются в Профессиональном фотогиде Kodak . Комбинация увеличения экспозиции и ориентации карты дает рекомендуемые экспозиции, которые достаточно близки к тем, которые дает измеритель падающего света с полусферическим приемником при измерении с внеосевым источником света.

На практике могут возникнуть дополнительные сложности. Многие нейтральные тестовые карты далеки от идеально рассеивающих отражателей, а зеркальные отражения могут привести к увеличению показаний измерителя отраженного света, что, если следовать им, приведет к недоэкспонированию. Возможно, что инструкции нейтральной тестовой карты включают поправку на зеркальные отражения.

Использование в освещении

В освещении также используются люксметры или детекторы света . Их цель - измерить уровень освещенности в интерьере и выключить или уменьшить мощность светильников . Это может значительно снизить энергетическую нагрузку на здание за счет значительного повышения эффективности его системы освещения. Поэтому рекомендуется использовать люксметры в системах освещения, особенно в помещениях, где нельзя ожидать, что пользователи будут обращать внимание на ручное выключение света. Примеры включают коридоры, лестницы и большие холлы.

Однако существуют значительные препятствия, которые необходимо преодолеть, чтобы добиться успешного внедрения светомеров в системах освещения, из которых пользовательское признание является наиболее значительным. Неожиданное или слишком частое переключение, а также слишком светлые или слишком темные комнаты очень раздражают и беспокоят пользователей этих комнат. Поэтому были разработаны разные алгоритмы переключения:

• алгоритм разницы, при котором свет включается при более низком уровне освещенности, чем он выключается, таким образом гарантируя, что разница между уровнем освещенности в состоянии «включено» и «выключено» не слишком велика.
• алгоритмы выдержки времени:
  • должно пройти определенное время с момента последнего переключения
  • должно пройти определенное количество времени при достаточном уровне освещенности.

Другое использование

В научных исследованиях и разработках люксметр состоит из радиометра (электроника / считывающее устройство), фотодиода или датчика (генерирует выходной сигнал при воздействии электромагнитного излучения / света) фильтра (используется для изменения входящего света, чтобы только желаемая часть входящего излучения достигает датчика) и входной оптики с коррекцией косинуса (гарантирует, что датчик может точно видеть свет, входящий со всех направлений).

Когда слово люксметр или фотометр используется вместо радиометра или оптометра, или часто предполагается, что система была сконфигурирована так, чтобы видеть только видимый свет. Датчики видимого света часто называют датчиками освещенности или фотометрическими датчиками, потому что они были отфильтрованы так, чтобы иметь чувствительность только до 400-700 нанометров (нм), имитируя чувствительность человеческого глаза к свету. Насколько точно измеритель измеряет, часто зависит от того, насколько хорошо фильтрация соответствует реакции человеческого глаза.

Датчик отправит на измеритель сигнал, который пропорционален количеству света, который достигает датчика после сбора оптикой и прохождения через фильтр. Затем измеритель преобразует входящий сигнал (обычно ток или напряжение) от датчика в показания калиброванных единиц, таких как фут-свечи (fc) или люкс (лм / м ^ 2). Калибровка в fc или люксах - вторая по важности характеристика люксметра. Он не только преобразует сигнал из В или мА, но также обеспечивает точность и повторяемость единиц измерения. Прослеживаемость Национального института стандартов и технологий (NIST) и аккредитация ISO / IEC 17025 - два хорошо известных термина, которые подтверждают, что система включает действительную калибровку.

Часть измерителя / радиометра / фотометра может иметь множество функций, включая:

Ноль: вычитает уровни окружающего / фонового освещения или стабилизирует измеритель в соответствии с рабочей средой.

Удерживать: фиксирует значение на дисплее.

Диапазон: для нелинейных систем с автоматическим переключением диапазонов эта функция позволяет пользователю выбрать ту часть электроники измерителя, которая лучше всего обрабатывает используемый уровень сигнала.

Единицы: для освещенности единицами измерения обычно являются только люкс и фут-свечи, но многие люксметры также могут использоваться для приложений УФ, ВИД и ИК, поэтому показания могут измениться на Вт / см ^ 2, канделы, ватты и т. Д.

Интегрировать: суммирует значения в дозу или уровень воздействия, например люкс * сек или Дж / см ^ 2.

Спектрометр HortiPower для измерения плотности потока фотонов (свет для растений)

Наряду с множеством функций, экспонометр также может использоваться для множества приложений. Они могут включать измерение других полос света, таких как UVA, UVB, UVC и ближний ИК. Например, светомеры UVA и UVB используются для фототерапии или лечения кожных заболеваний, бактерицидные радиометры используются для измерения уровня УФС от ламп, используемых для дезинфекции и стерилизации, измерители яркости используются для измерения яркости вывески, дисплея или выхода. Знак, квантовые датчики PAR используются для измерения того, какая часть излучения данного источника света будет способствовать росту растений, а ультрафиолетовые радиометры проверяют, какая часть излучения света эффективно для затвердевания клея, пластика или защитного покрытия.

Некоторые экспонометры также могут отображать данные во многих различных единицах. Люкс и фут-кандела являются обычными единицами измерения видимого света, но также и канделы, люмены и канделы на квадратный метр. В области дезинфекции УФС обычно измеряется в ваттах на квадратный сантиметр или в ваттах для данной отдельной лампы в сборе, тогда как системы, используемые в контексте отверждения покрытий, часто дают показания в Джоулях на квадратный сантиметр. Таким образом, регулярные измерения интенсивности ультрафиолетового излучения C могут гарантировать надлежащую дезинфекцию воды и поверхностей для приготовления пищи или надежную твердость покрытия окрашенных продуктов.

Хотя люксметр может быть очень простым портативным инструментом с нажатием одной кнопки, существует также множество передовых систем измерения освещенности, доступных для использования в различных приложениях. Они могут быть включены в автоматизированные системы, которые могут, например, очищать лампы при обнаружении определенного снижения выходной мощности или запускать сигнал тревоги при выходе из строя лампы.

Смотрите также

• Селен метр
• Фотометр | Фотоприемник
• Колориметрия | Фотометрия | Радиометрия
• Световая ценность
• Фотоэлектронные умножители для обнаружения света на очень низких уровнях.
• ПИН-диодные твердотельные электронные устройства для обнаружения падающего света.

Примечания

использованная литература

• Ctein. 1997. Постэкспозиция: передовые методы для фотографического принтера . Бостон: Focal Press . ISBN  0-240-80299-3 .
• Компания Eastman Kodak. Инструкции для нейтральной тестовой карты Kodak, 453-1-78-ABX. Рочестер: компания Eastman Kodak.
• Компания Eastman Kodak. 1992. Профессиональный фотогид Kodak . Публикация Kodak № Р-28. Рочестер: компания Eastman Kodak.
• ISO 2720: 1974 . Фотографические экспонометры общего назначения (фотоэлектрические) - Руководство по техническим характеристикам продукта . Международная организация по стандартизации .
• ISO 2721: 2013 . Фотография - Пленочные камеры - Автоматический контроль выдержки . Международная организация по стандартизации .
• Джонс, Лойд А. и HR Condit. 1941. Шкала яркости внешних сцен и правильный расчет фотографической экспозиции. Журнал Оптического общества Америки . 31: 651–678 .
• Норвуд, Дональд В. 1938. Экспонометр. В патенте США 2214283, поданной 14 ноября 1938 года, и издал 10 сентября 1940 .

внешние ссылки

• Проблема с люксметрами. В статье говорится, что люксметр может показывать некорректно при измерении света не от вольфрамового источника (например, люминесцентных, металлогалогенных, натриевых, светодиодных и других типов).
• Замер экспозиции: Связь предметного освещения с экспозицией на пленке ( PDF ) Обсуждение калибровки измерителя и ее практических эффектов.
• Оценка яркости и освещенности ( PDF ) Руководство Kodak по использованию экспонометра камеры.
• Основные принципы измерения освещенности Статья из International Light Technologies об основных принципах