光束・光度・輝度の定義と計算方法【演習問題】

光束・光度・輝度・照度の定義と換算方法【演習問題】

 

太陽電池では光のエネルギーを電気的なエネルギーに変換することで、熱量を有効に活用しています。つまり、光と電気化学は関わりが深いのです。

 

そのため電気化学を学ぶ上で、光の性質や用語についてきちんと理解することも重要です。

 

ここでは、光に関する知識である「光束・光度・輝度」とその変換方法について解説していきます。

 

・光束(こうそく)と光量

 

・光度(光束の密度) 単位立方角とは

 

・輝度(光源における光度の密度)

 

・照度

 

 

というテーマで解説していきます。

 

光束(こうそく)と光量

 

光の量を表す用語として「光束」というものがあります。光の速さの光速とは別物ですので、注意しましょう。

 

光は光源から広がっていき、それを私達の感覚神経によって「光っている」と認識できます。これは光自体がエネルギーであることに由来します。

 

太陽を始めとした光のエネルギーは基本的には放射伝熱(輻射伝熱)とよばれる熱の伝わり方によって、私達に供給されています。

 

そして、私たちが感じる光のエネルギー(光の量)のことを光量とよびます。光量が大きいほど、私たちは明るいと感じます。

 

さらに、単位時間あたりに通過する光量のことを光束とよびます。この光束は別の言い方をすると、光源からでている光量とも言い換えることができます。

 

この光束の単位は珍しいものを使用し、ルーメン:lmというものになります。

 

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光度(光束の密度) 単位立方角とは

 

さらに、光は光源から発せられますが、方向によってその光の量は変化します。
ここで、ある一定の方向に照射される単位立方角あたりの光束のことを、「光度」と呼びます。

 

光度[cd]=(光束)/(単位立方角)という計算式が成り立ちます。

 

※※

 

光度は比較的イメージしやすく、光の強さに関する密度のようなものと理解しておくといいです。光度の単位亜はカンデラ:cdを使用します。このカンデラはあまりなじみがないですがSI単位の一つです。

 

先のものべた単位立方角はあまりなじみがないために解説します。単位立方角とよばれる考え方があり、ある点から広がっていく際の広がり度合を示したものといえます。

 

単位立方角では基本的に記号ωで表し、ω=4πのときにすべての球状の方向を表します。
ある半径rの球におけるある方向の面積Aとしたときに、単位立方角ω=A/r^2と定義されます。

 

つまり、表面積4πr^2のときすべての方向であるため、ω=4πr^2/r^2 = 4πのときに、全方向を表すといえます。

 

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輝度(光源における光度の密度)

 

光の強さを表す用語は非常にややこしので、一つ一つ定義を確認していきましょう。

 

次は、輝度という用語について解説します。輝度とは、ある方向からみた光源の単位面積あたりの光度のことを指します。

 

つまり、輝度=(光度)/(ある方向からみた光源の面積) といえます。

 

光度は光があてられる側の密度のようなイメージであるのに対し、輝度は光源側の光度の密度といえます。

 

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照度

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