ก่อนจะพูดถึงการวัดค่าของแสงนั้น เรามาทำความรู้จักและทำความเข้าใจเกี่ยวกับแสงหรือเรียกอีกอย่างว่าภาษาของแสง
แสง (Light) คืออะไร ?
- สิ่งที่ให้เราสมารถมองเห็นได้
- (ประสาท/การสัมผัส)การรับรู้ได้ด้วยการกระตุ้นตัวรับภาพ(แสง)
- รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกความยาวคลื่นใดๆที่เคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยความเร็ว 299,792,458 เมตร (ประมาณ 186,000 ไมล์) ต่อวินาที โดยเฉพาะช่วงที่มองเห็นได้ด้วยสายตามนุษย์
นอกจากคำจำกัดความข้างต้นเรายังสามารถอธิบายปริมาณและคุณภาพของแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งในช่วงที่ตามองเห็นและมองไม่เห็นให้แม่นยำได้อย่างไร? การแผ่รังสีของแสงเกิดขึ้นจากอนุภาคในอะตอมที่เรียกว่า photons ซึ่งเราสามารถอธิบายความหมายของมันได้ด้วยค่าของพลังงานตามช่วงความยาวคลื่น ความเป็นจริงก็คือ แสงไม่เหมือนส่วนประกอบของอะตอมอื่น (ส่วนประกอบของอะตอม คือ อิเล็กตรอน, นิวตรอน และโฟตรอน) โฟตรอนมีมวลเป็นศูนย์และเป็นเพียงตัวนำของรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น
เมื่อเราพิจารณาสเปกตรัมของรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในลักษณะของความยาวคลื่น เราพบว่ามีพลังงานของรังสีแกมม่าในช่วงที่มีความยาวคลื่นสั้นมีพลังงานสูง และในช่วงความยาวคลื่นยาวมีพลังงานต่ำคือคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ โดยจะมีสเปกตรัมของแสงเพียงแคบๆช่วงหนึ่งที่อยู่ระหว่างกลางเป็นช่วงที่สายตามนุษย์สามารถมองเห็นได้ แสงช่วงที่มองเห็นได้นี้มีความยาวคลื่นประมาณ 380 นาโนเมตร ถึง 830 นาโนเมตร โดยอยู่ระหว่างรังสีอัตราไวโอเลต (UV) ที่ความยาวคลื่นต่ำ และรังสีอินฟราเรด (IR) ที่ความยาวคลื่นสูง
แถบด้านบนแสดงสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทุกช่วงความยาวคลื่น ตั้งแต่ช่วงคลื่นที่ตามองไม่เห็น เช่น รังสีเอ็กซเรย์, ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ เรียงลำดัจากความยาวคลื่นสั้นไปจนถึงความยาวคลื่นยาว
แถบด้านล่างขยายสเปกตรัมแสงในช่วงคลื่นที่มองเห็น จะเห็นว่าเป็นเพียงช่วงแคบๆในช่วงของสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด
อีกหนึ่งวิธีที่สามารถใช้บอกลักษณะของแสงแต่ละแหล่งกำเนิดแสง (แสงจากหลอดไส้, แสงจากดวงอาทิตย์ เป็นต้น) โดยการใช้ค่าการกระจายตัวของพลังงานสเปกตรัมแสง (Spectral Power Distribution: SPD) SPD คือการวัดค่าพลังงานในหน่วยวัตต์ (Watt) ของแสงที่เปล่งออกมาในแต่ละช่วงความยาวคลื่น ตัวอย่าง SPD ของแหล่งกำเนิดแสงบางชนิดสามารถพล็อตได้ดังเช่นกราฟนี้:
กราฟแสดง SPD ของแหล่งกำเนิดแสงทั่วไป เช่น แหล่งงกำเนิดแสง A เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีพลังงานในทุกช่วงความยาวคลื่นแต่จะมีพลังงานเพิ่มมากขึ้นมากในช่วงของความยาวคลื่นยาว (ช่วงความยาวคลื่นแสงสีแดง) ซึ่ตรงกันข้ามกับแหล่งกำเนิดแสงแอลอีดีสีแดง มีค่าพลังงานที่แคบมากมีการเปล่งแสงออกมาเพียงในช่วงคลื่นหลักระหว่าง 600 นาโนเมตร ถึง 630 นาโนเมตรเท่านั้น
กราฟการตอบสนองแสงของสายยตา (Photopic Response Curve)
สายตาของมนุษย์ไม่สามารถมองเห็นการกระจายตัวของพลังงานสเปกตรัมแสง (SPD) ได้ทั้งหมของแหล่งกำเนิดแสง เราสามารถมองเห็นได้เพียงสีและความสว่างเท่านั้น ดังเช่นแหล่งกำเนิดแสง 2 ชนิดที่สายตาของเรามองเห็นสีและความสว่างที่เหมือนกันแต่ในความเป็นจริงแล้วนั้นมีค่า SPD mแตกตต่างกัน หากเรามีเป้าหมายที่ต้องการอธิบายว่ามุษย์สามารถเห็นแสงจากแต่ละแหล่งกำเนิดแสงได้อย่างไร เราสามารถใช้หลักการการรับรู้สี (Colorimetry) และการรับรู้แสง (Photometry) เนื้อหาต่อจากนี้จะเน้นอธิบายถึงการรับรู้แสง (photometric) ส่วนการรับรู้สี สามารถเข้าชมสัมมนาที่บรรยายเกี่ยวกับเรื่องการรับรู้สี คลิกที่นี้
โฟโตเมตรี ( Photometry )
คือ การศึกษาทางวิทยาศาสตร์การวัดแสงตามการรับรู้ของสายตามนุษย์ เช่น สเปกตรัมแสงที่ตามองเห็นได้ (Visible spectrum) ในช่วงสเปกตรัมแสงที่สายตามนุษย์สามารถมองเห็นได้สามารถรายงานเป็นลักษณะของสมการที่เรียกว่า ‘Photopic Response curve’
การกระจายตัวของพลังงานสเปกตรัม (SPD) ของแสงดวงอาทิตย์ (เป็นกราฟที่มีพื้นที่ครอบคลุมทุกช่วงความยาวคลื่นแสงสีเป็นลักษณะรุ้ง) จากช่วงความยาวคลื่น 390 – 700 นาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงที่ซ้อนทับกับสเปกตรัมความไวแสงของตามนุษย์ (กราฟสีเขียว) เรียกกราฟนี้ว่า photopic curve
กราฟด้านบนคือกราฟแสดงความไวแสงของสายตามนุษย์ (Photopic response curve) กราฟที่สูงที่สุดแสดงถึงความไวแสงของสายตามนุษย์มากที่สุดโดยอยู่ในช่วงคลื่นแสงสีเขียวและเหลือง ซึ่งสอดคล้องกับแสงของดวงอาทิตย์ สายตาของเราจะไวต่อการรับรังสีแสงในช่วงนี้มากที่สุด (ประสิทธิภาพแสงที่ส่องสว่างมากที่สุดอยู่ในช่วงประมาณ 555 นาโนเมตร)
การบอกปริมาณของแสง (Quantifying Light)
การบอกปริมาณในเชิงตัวเลขของความสว่างและสีของแสงที่เปลี่ยนแปลงไปตามการรับรู้ของสายตามนุษย์ทั่วไปเรียกว่า “มาตรฐานการมองเห็นของสายตามนุษย์: Standard Human Observer” ซึ่งมีหน่วยสำหรับวัดความสว่างของแสง (Photometric units) เฉพาะแค่ในช่วงความยาวคลื่นแสงที่ตามองเห็น และหน่วยสำหรับวัดพลังงานรังสี (Radiometric units) ซึ่งครอบคลุมในทุกช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารวมถึงช่วงแสงที่ตามองเห็นได้ โดยไม่ได้ให้น้ำหนักต่อการตอบสนองของสายตามนุษย์ การกำหนดความหมายและมาตรฐานของแสงทำให้เราสามารถวัดและสร้างแหล่งกำเนิดแสงได้ตรงตามมาตรฐานนั้นเอง
ลองจินตนาการหากคุณต้องการออกแบบโคมไฟ ที่มีหลอดไส้ที่ใช้กันอยู่ตามที่พักอาศัย สิ่งแรกที่เราต้องคำนึงถึงคือ แสงทั้งหมดที่เปล่งออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง เรียกว่า ฟลักซ์เปล่งแสง (Luminous Flux) มีหน่วยเป็น ลูเมน (lumens, lm)
ฟลักซ์เปล่งแสง คือ การวัดแสงทั้งหมดทุกมุมที่เปล่งออกจากแหล่งกำเนิดแสง โดยวัดในหน่วยของลูเมน (lumen, lm)
หากคุณต้องการทราบว่าโคมไฟของคุณมีการเปล่งแสงอย่างไรและมีการกระจายแสงอย่างไรภายในห้องของคุณ ยกตัวอย่าเช่น โคมไฟมีการกระจายของแสงได้กว้างและสว่างทั่วทั้งห้อง หรือมีเพียงแค่แสงสว่างจ้าไปในพื้นที่เดียว
ความเข้มเปล่งแสง (Luminous intensity) เป็นหน่วยแสงที่จะบอกคุณถึงแสงทั้งหมดที่เปล่งออกมาจากโคมไฟในทิศทางที่กำหนด Luminous intensity มีหน่วยในการวัดค่าคือ แคนเดลา (candela, cd) ซึ่งมีค่าเท่ากับ ลูเมนต่อสเตอเรเดียน (lumen per steradian (sr)) เป็นหน่วยที่วัดการเปล่งแสงในมุมสามมิติ
ความเข้มเปล่งแสง (Luminous intensity) คือ การวัดปริมาณแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงในมุมสามมิติ มีหน่วยการวัดคือ แคนเดลา (cd)
ความสว่าง (Illuminance) คืออีกปริมาณของแสงที่เราสามารถวัดค่าได้ ความสว่างคือปริมาณแสงสว่างทั้งหมดที่ส่องออกมาสู่พื้นผิวเป็นปริมาณต่อพื้นที่ เป็นการวัดค่าลูเมนต่อพื้นที่ (lm/m2) หรือเรียกหน่วยนี้ว่า ลักซ์ (lux)
ความสว่าง (Illuminance) คือปริมาณแสงสว่างทั้งหมดบนพื้นผิวต่อหน่วยพื้นที่ มีหน่วยการวัดคือ ลูเมนต่อตารางเมตร (lm/m2) หรือ lux
อีกหนึ่งตัวอย่างถ้าคุณกำลังจะออกแบบโคมไฟที่ติดตั้งบนเพดานของห้องผ่าตัดภายในโรงพยาบาล คุณควรจะต้องคำนึงถึง คือ ปริมาณความสว่างจากโคมไฟเท่าไหร่จึงจะส่องได้ถึงพื้นที่ผ่าตัด และปริมาณความสว่างเท่าไหร่ที่จะส่องลงบนพื้น
ในอุตสาหกรรมทางการแพทย์คุณสมบัติของแสงมีข้อกำหนดที่เข้มงวด คุณภาพของแสงจะต้องเพียงพอต่อการผ่าตัดของแพทย์ รวมไปจนถึงการเลือกใช้ชนิดของแหล่งกำเนิดแสงต้องมีประสิทธิภาพการทำงานที่ดี (แหล่งกำเนิดแสงบางชนิดอาจทำให้การแยกแยะสีของเนื้อเยื่อได้ยาก)
ปริมาณแสงการวัดแสงหน่วยสุดท้าย คือ ความส่องสว่าง (Luminance) เป็นปริมาณของแสงเพียงปริมาณเดียวที่รวมลักษณะการมองของสายตา ความส่องสว่างเป็นการวัดปริมาณแสงทั้งหมดที่ส่องออกมาในทิศทางหนึ่ง (ตัวอย่างเช่น การมองของผู้สังเกต) ซึ่งจะผลของจากการสะท้อนของพื้นผิว หรือการเปล่งแสงของหน้าจอแสดงผลด้วย เป็นการวัดปริมาณความเข้มเปล่งแสง (Luminous intensity) ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ (cd/m2)
ความส่องสว่าง (Luminance) ปริมาณแสงทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงหรือแสงสะท้อนจากพื้นผิวในทิศทางที่กำหนด มีหน่วยการวัดคือ แคนเดลา ต่อ ตร.ม. (cd/m2)
หากมองภาพรวมเราสามารถเห็นความสัมพันธืระหว่างปริมาณการวัดแสงที่แตกต่างกันทั้ง 4 หน่วยนี้ได้ดังภาพ
มีอีกหนึ่งหน่วยการวัดแสงที่คุณอาจเคยได้ยินในอุตสาหกรรมการผลิตจอแสดงผล หรือจากพนักงานขายโทรทัศน์ในร้านขายเครื่องใช้ไฟฟ้า คือ “nits” หน่วยการวัดแสงนี้จะใช้เพื่ออธิบายความส่องสว่างของหน้าจอแสดงผล (แสงที่ปล่อยออกมาจากจอ) โดยพื้นฐานแล้ว 1 nit = 1 cd/m2
การบอกปริมาณของการแผ่รังสี (Radiometric Measurement )
แล้วเราจะสามารถบอกปริมาณของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่นอกช่วงแสงที่ตามองเห็นได้อย่างไร?
คำตอบก็คือมีหน่วยมาตรฐานที่ใช้บอกลักษณะสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Radiometric measurements) ซึ่งมีลักษณะเป็นหน่วยคู่ขนานกับการบอกปริมาณของแสง (Photometric measurements) ดังนี้:
ฟลักซ์การแผ่รังสี (Radiant flux) – คือการวัดปริมาณพลังงานทั้งหมดของคื่นแม่หล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง ในหน่วย วัตต์ (Watts, W) ในบางครั้งอาจเรียก Radiant power
ความเข้มการแผ่รังสี (Radiant intensity) – คือปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาในทิศทางหนึ่งแบบมุมสามมิติ (เป็นการวัดผลรวมของฟลักซ์ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง) ในหน่วย วัตต์ ต่อ สเตอเรเดียน (Watt/Steradian, W/sr)
ความเข้มรังสี (Irradiance) – คือปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ตกกระทบบนพื้นผิว (เป็นการวัดปริมาณฟลักซ์การแผ่รังสี) ในหน่วย วัตต์ ต่อ ตร.ม. (W/m2)
การแผ่รังสี (Radiance) – คือปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ตกกระทบ, ที่ส่องผ่าน ต่อ 1 หน่วยพื้นที่ ในหน่วย วัตต์ ต่อ สเตอเรเดียน ต่อ ตร.ม. (W/sr.m2)
การแผ่รังสี (Radiance) และความส่องสว่าง (Luminance) ปริมาณทั้ง 2 นี้ในบางกรณีอาจเรียกว่า ความเข้ม (Intensity) ทำให้เกิดความสับสน (ตัวอย่างเช่น การวัดแสงที่ออกมาจากแหล่งกำเนิด เทียบกับ การวัดแสงจากจุดที่ผู้สัเกตสนใจ) ทั้ง 2 มีความหมายที่แตกต่างกัน ซึ่งเราต้องการให้เกิดความถูกต้องในการวัดค่า ดังนั้นเราจึงรวบรวมสรุปไว้ในตารางด้านล่างนี้
ประมาณที่วัด | การวัดแสง (Photometric) | การวัดรังสี (Radiometric) |
ปริมาณแสง (พลังงาน) ทั้งหมดที่ปล่อยออกมา | ฟลักซ์เปล่งแสง (Luminous flux) ในหน่วย lumens, lm | ฟลักซ์การแผ่รังสี (Radiant flux) ในหน่วย Watts, W |
ปริมาณแสงในทิศทางที่กำหนด | ความเข้มเปล่งแสง (Luminous intensity) ในหน่วย cd 1 cd = 1 lumen/steradian | ความเข้มการแผ่รังสี (Radiant intensity) ในหน่วย W/sr |
Light incident on a surface | ความสว่าง (Illuminance) ในหน่วย lux. 1 lux = 1 lumen/meter | ความเข้มรังสี (Irradiance) ในหน่วย Watts per square meter (W/m2) |
Brightness | ความส่องสว่าง (Luminance) ในหน่วย cd/m2 หรือ nits. 1 nit = 1 cd/m2 | การแผ่รังสี (Radiance) ใหน่วย W/sr·m2 |
การวัดแสงช่วงความยาวคลื่นที่ตามองเห็น ( Measuring Visible Light )
สำหรับผลิตภัณฑ์ให้แสงสว่างที่หลากหลายในรถยนต์ เช่น โคมไฟหน้ารถยนต์, จอแสดงผล การวัดค่าปริมาณแสงที่ถูกต้องแม่นยำนั้นมีความสำคัญต่อการควบคุมคุณภาพและส่งผลต่อความเชื่อมั่นของผู้บริโภค Radiant Vision Systems (RVS) ผู้ผลิตและจำหน่ายเครื่องมือและระบบทดสอบคุณสมบัติของแสงและสีด้วยเทคโนโลยีภาพ (Imaging) ที่สอดคล้องกับรับรู้ของสายตามนุษย์ ระบบการทดสอบนี้สามารถวัดค่าแสงจากจอแสดงผล, แสงไฟจากคีย์บอร์ด, แสงไฟด้านหลังจากบุ่มกด, หลอด LEDs/ LED arrays และแหล่งกำเนิดแสงรูปแบบอื่นๆ
เรียนรู้รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับแสง, สเปกตรัมของสี, และการวัดค่าที่สอดคล้องกับสายตามนุษย์โดยเข้าร่วมสัมมนาออนไลน์ (Webinar) ได้ที่นี้ โดยไม่เสียค่าใช้จ่ายใดๆทั้งสิ้น คลิก
หากคุณมีธุรกิจเกี่ยวข้องกับการวัดแสงหรือกำลังมองหาเทคโนโลยีสำหรับการวัดแสง เราขอแนะนำเครื่อง
ProMetric Y เครื่องวัดแสงด้วยหลักการทางภาพ (Imaging photometers) สามารถใช้งานกับอุตสาหกรรมที่หลากหลายและสามารถวัดค่าปริมาณแสงของแหล่งกำเนิดแสงได้หลายหน่วย อาทิ
- ความส่องสว่าง (luminance)
- ความสว่าง (illuminance)
- ความเข้มเปล่งแสง (luminous intensity)
- ฟลักซ์เปล่งแสง (total luminous flux)
- สามารถให้ผลการวัดค่าในรูปแบบไฟล์ IES ซึ่งเป็นมาตรฐานได้
และ ProMetric I เครื่องวัดแสงและสีด้วยหลักการทางภาพ (Imaging colorimeters) สามารถวัดค่าสีในหน่วยของ CIE chromaticity, อุณหภูมิสีสัมพันธ์ (correlated color temperature, CCT), ความสม่ำเสมอของแสงและสี (light and color uniformity) และความคมชัด (contrast) ปริมาณของแสงเหล่านี้มีความสำคัญต่อผลิตภัณฑ์ทั้งในส่วนของการออกแบบและการควบคุมคุณภาพในกระบวนการผลิต
หากสนใจรายละเอียดสามารถติดต่อเพื่อขอคำปรึกษาฟรีเกี่ยวกับเทคนิคและวิธีการวัดสีและการวัดแสง
ได้ที่อีเมล [email protected]
เบอร์ 02-361-3730 หรือ 092-384-4664
Line : https://lin.ee/6cpcTtD หรือสแกน QR code ด้านข้างนี้คะ
