Các định nghĩa về độ sáng
Độ sáng là một khái niệm quen thuộc trong đời sống hàng ngày, nhưng để hiểu sâu hơn, đặc biệt trong các lĩnh vực như thị giác máy hay chiếu sáng, chúng ta cần xem xét nó từ nhiều góc độ khác nhau. Bài viết này của VietMRO sẽ giải thích cách định nghĩa và đo lường độ sáng dựa trên các yếu tố quang phổ và hình học.
Khi nói về độ sáng, còn nhiều yếu tố khác cần được xem xét. Ví dụ, độ sáng cảm nhận khi làm việc tại bàn làm việc khác với độ sáng từ màn hình TV hoặc đèn giao thông. Do đó, chúng ta cần đo lường chúng theo cách khác nhau: trường hợp đầu tiên dựa trên độ rọi (illuminance), còn trường hợp sau dựa trên độ chói (luminance).
Đo lường độ sáng dưới các điều kiện hình học khác nhau
Độ rọi và độ chói không chỉ phụ thuộc vào quang phổ mà còn chịu ảnh hưởng của các điều kiện hình học như hướng, góc và diện tích.
Đầu tiên, độ sáng có thể được định nghĩa theo đặc tính quang phổ, bao gồm các đại lượng ánh sáng, đại lượng bức xạ và đại lượng cảm biến. Như đã đề cập, các đại lượng ánh sáng (như độ rọi, độ chói) có mối quan hệ chặt chẽ với cách mắt người cảm nhận ánh sáng. Trong khi đó, các đại lượng bức xạ (irradiance, radiance) và cảm biến cũng được đo lường khác nhau nhưng tuân theo cùng các quy tắc hình học.
Hình 1. Đo lường độ sáng dưới các điều kiện hình học khác nhau
Những điều kiện quang phổ và hình học này xác định các đại lượng ánh sáng và bức xạ khác nhau, bao gồm:
- Quang thông / Bức xạ thông
- Năng lượng ánh sáng / Năng lượng bức xạ
- Độ rọi / Độ chiếu sáng
- Độ thoát sáng / Độ thoát bức xạ
- Cường độ ánh sáng / Cường độ bức xạ
- Độ chói / Độ sáng
Trong thị giác máy, việc hiểu sự khác biệt giữa các điều kiện quang phổ và hình học là rất quan trọng khi lựa chọn nguồn sáng phù hợp cho vật thể cần phân tích, vì ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thông tin thu nhận từ hình ảnh.
Năng lượng ánh sáng (Luminous energy) và năng lượng bức xạ (Radiant energy)
Khi bạn bật đèn trong phòng, độ sáng mà bạn cảm nhận được chính là mức độ sáng hoặc tối, được gọi là năng lượng ánh sáng (luminous energy), hay còn gọi là lượng ánh sáng. Năng lượng ánh sáng được đo bằng tích của quang thông (lm) và thời gian (giây), đơn vị là (lm･giây).
Lấy ví dụ từ bài viết “Đại lượng bức xạ và đại lượng sáng” với vòi sen và xô nước: một vòi sen mạnh sẽ làm đầy xô trong thời gian ngắn, trong khi vòi yếu hơn cũng làm đầy xô nhưng cần nhiều thời gian hơn. Trong cả hai trường hợp, tổng lượng nước vẫn như nhau, tương ứng với một xô.
Trong thị giác máy, bạn có thể điều chỉnh “lượng nước chảy” này bằng cách thay đổi khẩu độ (F-number) của ống kính hoặc thời gian phơi sáng (tốc độ màn trập) của máy ảnh. Khi khẩu độ giữ nguyên, bạn có thể làm sáng vật thể bằng cách tăng thời gian phơi sáng (màn trập chậm) hoặc giảm độ sáng bằng cách giảm thời gian phơi sáng (màn trập nhanh). Bằng cách kết hợp khẩu độ và thời gian phơi sáng, bạn có thể đạt được hình ảnh với độ sáng mong muốn, ngay cả khi sử dụng các nguồn sáng có cường độ khác nhau.
Tương tự, mối quan hệ giữa thông lượng bức xạ (radiant flux) và năng lượng bức xạ cũng giống với quang thông và năng lượng ánh sáng. Tích của thông lượng bức xạ (W) và thời gian (giây) tạo thành năng lượng bức xạ, được đo bằng joule (J = W･giây).
Độ rọi (Illuminance) và độ chiếu sáng (Irradiance)
Độ rọi là lượng quang thông chiếu tới một bề mặt trên mỗi đơn vị diện tích (m²), đo lường mức độ ánh sáng chiếu sáng bề mặt đó. Ví dụ, ánh sáng trên bàn làm việc chính là độ rọi. Đơn vị đo là (lm/m²), nhưng lux (lx) thường được sử dụng như một đơn vị đo tương đương.
Độ rọi phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn sáng tới bề mặt nhận ánh sáng và hướng của ánh sáng tới. Hơn nữa, khi tăng số lượng nguồn sáng, độ rọi cũng sẽ tăng. Ví dụ về vòi sen và xô nước có thể minh họa: lượng nước chảy vào diện tích xô A (m²) chính là độ rọi. Khi mở vòi mạnh hơn, lượng nước tăng lên tương ứng với độ rọi cao hơn.
Tương tự, độ chiếu sáng là đại lượng đo thông lượng bức xạ (W) trên mỗi đơn vị diện tích (m²), đơn vị đo là (W/m²).
Độ thoát sáng (Luminous exitance) và độ thoát bức xạ (Radiant exitance)
Độ thoát sáng tương tự khái niệm với độ rọi, nhưng thay vì đo lượng ánh sáng chiếu tới bề mặt, nó đo tổng lượng ánh sáng phát ra từ một đơn vị diện tích (m²) của nguồn sáng. Đơn vị đo của độ thoát sáng là (lm/m²).
Ví dụ, độ thoát sáng tương ứng với lượng nước chảy ra từ một khu vực cụ thể của đầu vòi sen, tính cho mọi hướng. Độ thoát bức xạ cũng tương tự: thông lượng bức xạ (W) phát ra từ một đơn vị diện tích (m²) chính là độ thoát bức xạ (W/m²).
Hình 2. Ví dụ về độ thoát sáng/độ thoát bức xạ
Mối quan hệ giữa độ rọi và độ thoát sáng
Cả độ rọi và độ thoát sáng đều có chung một đơn vị đo trong hệ SI. Độ chiếu sáng và độ thoát bức xạ cũng có cùng đơn vị đo lường. Tuy nhiên, hai đại lượng này khác biệt ở hướng mà ánh sáng di chuyển.
- Độ rọi và độ chiếu sáng đo lượng ánh sáng hoặc bức xạ di chuyển về phía bề mặt nhận sáng.
- Độ thoát sáng và độ thoát bức xạ đo lượng ánh sáng hoặc bức xạ phát ra từ bề mặt nguồn sáng.
Sự khác biệt này rất quan trọng trong các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như thị giác máy, nơi hướng ánh sáng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng và tính chính xác của dữ liệu hình ảnh thu thập được.
