مقياس الإضاءة

كانت أجهزة قياس التعريض الضوئي الأولى تُسمى أجهزة قياس الإشعاع (لا ينبغي الخلط بينها وبين الجهاز العلمي الذي يحمل الاسم نفسه )، وقد وُصفت في وقت مبكر من عام 1840 ^{[ 3 ] : 415،} ولكن تم تطويرها في أواخر القرن التاسع عشر بعد أن أصبحت الألواح الفوتوغرافية التجارية متوفرة بحساسية ثابتة. استخدمت هذه الأجهزة ورقًا حساسًا للضوء؛ حيث كان المصور يقيس الوقت اللازم للورق حتى يصبح داكنًا إلى قيمة مرجعية، مما يوفر مدخلات لحساب ميكانيكي لسرعة الغالق وفتحة العدسة لرقم لوحة معين. ^{[ 4 ] : ​​69} وقد شاعت هذه الأجهزة بين عامي 1890 و1920 تقريبًا. ^{[ 5 ]}

طُوِّرت مقاييس التعريض التالية في نفس الفترة تقريبًا ^{[ 3 ] : 415} ، ولكنها لم تُزيح مقاييس الأكتينومترات من حيث الشعبية حتى عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، وتُعرف باسم مقاييس الانطفاء ، حيث تُقيِّم إعدادات التعريض الصحيحة عن طريق التوهين المتغير. ^{[ 5 ]} احتوى أحد أنواع مقاييس الانطفاء على صف مرقم أو مُصنَّف من مرشحات الكثافة المحايدة ذات الكثافة المتزايدة. كان المصور يضع المقياس أمام موضوعه ويُلاحظ المرشح ذو الكثافة الأكبر الذي لا يزال يسمح بمرور الضوء الساقط. في مثال آخر، تم بيعه باسم مقياس هايدي أكتينو-فوتومتر بدءًا من أوائل القرن العشرين، ينظر المصور إلى المشهد من خلال عدسة عينية ويُدير المقياس لتغيير الكثافة الفعالة حتى لا يعود المشهد مرئيًا. ^{[ 7 ]} استُخدم الحرف أو الرقم المُقابل لقوة المرشح التي تُسبب "انطفاء" المشهد كمؤشر في مخطط لمجموعات فتحة العدسة وسرعة الغالق المناسبة لسرعة فيلم مُعينة . ^{[ 4 ] : ​​72}

تميل أجهزة قياس الانقراض إلى تقديم نتائج غير متسقة لأنها تعتمد على التفسير الذاتي وحساسية العين البشرية للضوء ، والتي يمكن أن تختلف من شخص لآخر. ^{[ 8 ]}

ابتداءً من عام 1932، ^{[ 9 ] : 20} استغنت أجهزة قياس الضوء الإلكترونية عن العنصر البشري، واعتمدت على تقنيات تتضمن (بالترتيب الزمني) كاشفات ضوئية من السيلينيوم ، وكبريتيد الكادميوم (في ستينيات القرن العشرين)، والسيليكون ( أشباه الموصلات ، في سبعينيات القرن العشرين) . ^{[ 10 ]} تستخدم معظم أجهزة قياس الضوء الحديثة مستشعرات السيليكون. ^{[ 11 ] : 91} وتشير هذه الأجهزة إلى التعريض إما بواسطة مقياس غلفاني إبري أو على شاشة LCD .

تستخدم مقاييس الضوء السيلينيومية مستشعرات كهروضوئية : فهي تولد جهدًا يتناسب مع شدة الإضاءة. تولد مستشعرات السيلينيوم جهدًا كافيًا للتوصيل المباشر بالمقياس؛ فهي لا تحتاج إلى بطارية للتشغيل، مما جعلها ملائمة جدًا للكاميرات الميكانيكية بالكامل. ^{[ 3 ] : 416 [ 10 ] : 87-88.} مع ذلك، لا تستطيع مستشعرات السيلينيوم قياس الإضاءة المنخفضة بدقة (إذ يمكن للمصابيح العادية أن تجعلها قريبة من حدود قدرتها)، وهي عاجزة تمامًا عن قياس الإضاءة المنخفضة جدًا، مثل ضوء الشموع، وضوء القمر، وضوء النجوم، إلخ. ^{[ 12 ] : 56}

تستخدم مقاييس الضوء المصنوعة من كبريتيد الكادميوم (CdS) مستشعرًا ضوئيًا مقاومًا ، حيث تنخفض مقاومته الكهربائية تناسبًا مع شدة التعرض للضوء. تتطلب هذه المقاييس بطارية للتشغيل، ^{[ 10 ] : 89-90} ، لكنها أكثر حساسية بشكل ملحوظ للضوء الخافت، إذ تستطيع رصد مستويات إضاءة تُقارب 1/100 من الحد الأدنى لحساسية خلايا السيلينيوم. ^{[ 3 ] : 417.} مع ذلك، تراجعت شعبية مستشعرات كبريتيد الكادميوم (CdS) بسبب استجابتها البطيئة وحساسيتها الممتدة للأطوال الموجية الحمراء والأشعة تحت الحمراء. ^{[ 3 ] : 417 [ 12 ] : 58}

تُعدّ مستشعرات أشباه الموصلات أيضًا من نوع الخلايا الكهروضوئية، لكن الجهد المُوَلَّد فيها أضعف بكثير من خلايا السيلينيوم، كما أن مقاييس الضوء القائمة على أشباه الموصلات تحتاج إلى دائرة تضخيم، وبالتالي تتطلب مصدر طاقة مثل البطاريات للتشغيل. وعادةً ما تُسمى هذه المستشعرات نسبةً إلى المواد والترشيح المُستخدمين لضمان استجابة طيفية مشابهة للعين البشرية أو الفيلم الفوتوغرافي ، مثل " خلية السيليكون الزرقاء" (SBC) أو "زرنيخيد الغاليوم" ( GaAs ). ^{[ 12 ] : 59}

تتضمن العديد من كاميرات التصوير الفوتوغرافي والفيديو الحديثة المخصصة للمستهلكين مقياسًا مدمجًا يقيس مستوى الإضاءة في المشهد بأكمله، ويستطيع بناءً على ذلك تحديد التعريض الضوئي المناسب تقريبًا. يستخدم المصورون الفوتوغرافيون الذين يعملون بإضاءة مضبوطة، ومصورو السينما، مقاييس إضاءة يدوية لقياس الضوء الساقط بدقة على أجزاء مختلفة من موضوعاتهم، ويستخدمون إضاءة مناسبة لتحقيق مستويات التعريض الضوئي المطلوبة.

تُصنف أجهزة قياس التعريض الضوئي عمومًا إلى أنواع تعتمد على الضوء المنعكس أو الضوء الساقط، وذلك حسب الطريقة المستخدمة لقياس المشهد.

تقيس مقاييس الضوء المنعكس الضوء المنعكس من المشهد المراد تصويره. ^{[ 10 ]} جميع مقاييس الضوء المدمجة في الكاميرات هي مقاييس ضوء منعكس. تتم معايرة مقاييس الضوء المنعكس لعرض التعريض الضوئي المناسب للمشاهد "العادية". ^{[ 12 ] : 74} المشهد غير المألوف الذي يغلب عليه ألوان الضوء أو اللمعان اللامع يتميز بانعكاس أعلى؛ لذا فإن قراءة مقياس الضوء المنعكس ستعوض بشكل خاطئ عن الفرق في الانعكاس ، مما يؤدي إلى نقص التعريض. تُعد صور غروب الشمس ذات التعريض المنخفض شائعة تحديدًا بسبب هذا التأثير: فسطوع الشمس عند الغروب يخدع مقياس الضوء في الكاميرا، وما لم يقم نظام الكاميرا أو المصور بتعويض ذلك، ستكون الصورة باهتة وذات تعريض منخفض للغاية.

يُتجنب هذا المأزق (باستثناء حالة غروب الشمس) باستخدام مقاييس الضوء الساقط التي تقيس كمية الضوء الساقط على الهدف باستخدام مُشتِّت ضوء ذي مجال رؤية مسطح أو (في أغلب الأحيان) نصف كروي، موضوع فوق مستشعر الضوء. ^{[ 13 ]} ولأن قراءة الضوء الساقط مستقلة عن انعكاسية الهدف، فمن غير المرجح أن تؤدي إلى تعريضات ضوئية غير صحيحة للأهداف ذات متوسط ​​انعكاسية غير عادي. يتطلب أخذ قراءة الضوء الساقط وضع المقياس عند موضع الهدف وتوجيهه في الاتجاه العام للكاميرا، وهو أمر ليس ممكنًا دائمًا في الواقع، كما هو الحال في تصوير المناظر الطبيعية حيث تقترب مسافة الهدف من اللانهاية.

هناك طريقة أخرى لتجنب نقص أو زيادة التعريض الضوئي للأجسام ذات الانعكاس غير المعتاد، وهي استخدام مقياس موضعي : وهو مقياس متخصص للضوء المنعكس يقيس الضوء في مخروط ضيق جدًا، عادةً بزاوية رؤية دائرية تبلغ درجة واحدة . ^{[ 14 ]} يستطيع المصور الخبير أخذ قراءات متعددة على مناطق الظلال، والنطاق المتوسط، والإضاءة العالية في المشهد لتحديد التعريض الأمثل، باستخدام أنظمة مثل نظام المناطق . ^{[ 11 ] : 102، 126}

تتضمن العديد من الكاميرات الحديثة أنظمة قياس ضوئي متطورة متعددة الأجزاء ، تقيس إضاءة أجزاء مختلفة من المشهد لتحديد التعريض الأمثل. ^{[ 11 ] : 102} عند استخدام فيلم لا تتوافق حساسيته الطيفية مع حساسية مقياس الضوء، مثل الأفلام الأورثوكروماتية بالأبيض والأسود أو أفلام الأشعة تحت الحمراء، قد يتطلب المقياس مرشحات خاصة وإعادة معايرة لمطابقة حساسية الفيلم. ^{[ 11 ] : 89-92}

توجد أنواع أخرى من مقاييس الضوء الفوتوغرافية المتخصصة. تُستخدم مقاييس الفلاش في التصوير الفوتوغرافي باستخدام الفلاش للتحقق من التعريض الضوئي الصحيح. وتُستخدم مقاييس الألوان عندما تكون دقة الألوان العالية مطلوبة. أما مقاييس الكثافة الضوئية فتُستخدم في إعادة إنتاج الصور الفوتوغرافية.

بالنسبة لمقاييس الضوء المنعكس، ترتبط إعدادات الكاميرا بسرعة ISO وإضاءة الهدف من خلال معادلة التعريض للضوء المنعكس:

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

أين

• ${\displaystyle N}$هي الفتحة النسبية ( الرقم البؤري )
• ${\displaystyle t}$زمن التعريض (" سرعة الغالق ") بالثواني
• ${\displaystyle L}$متوسط ​​إضاءة المشهد
• ${\displaystyle S}$هي سرعة الحساب وفقًا لمعيار ISO
• ${\displaystyle K}$ثابت معايرة مقياس الضوء المنعكس

بالنسبة لمقاييس الضوء الساقط، ترتبط إعدادات الكاميرا بسرعة ISO وإضاءة الهدف من خلال معادلة التعريض للضوء الساقط:

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

أين

• ${\displaystyle E}$الإضاءة​
• ${\displaystyle C}$ثابت معايرة مقياس الضوء الساقط

كان تحديد ثوابت المعايرة أمراً شخصياً إلى حد كبير؛ تنص المواصفة القياسية ISO 2720:1974 على ذلك.

الثوابت${\displaystyle K}$و${\displaystyle C}$يتم اختيارها عن طريق التحليل الإحصائي لنتائج عدد كبير من الاختبارات التي أجريت لتحديد مدى قبول عدد كبير من المراقبين لعدد من الصور الفوتوغرافية، والتي تم الحصول عليها في ظل ظروف مختلفة لطريقة التصوير وعلى نطاق واسع من مستويات الإضاءة.

في الواقع العملي، يكون تباين ثوابت المعايرة بين الشركات المصنعة أقل بكثير مما قد يوحي به هذا البيان، ولم تتغير القيم إلا قليلاً منذ أوائل السبعينيات.

توصي المواصفة القياسية ISO 2720:1974 بنطاق لـ${\displaystyle K}$من 10.6 إلى 13.4 مع سطوع بوحدة cd/m² ^. قيمتان لـ${\displaystyle K}$وهي شائعة الاستخدام: 12.5 ( ^Canon و Nikon و Sekonic [ ^{15 ] )} و14 ( Minolta [ ^{16 ] و} Kenko [ ^{16 ]} و Pentax ) ؛ والفرق بين القيمتين هو حوالي 1/6 EV .

طُوِّرت معايير المعايرة الأولى لاستخدامها مع مقاييس الضوء المنعكس ذات الزاوية الواسعة ( جونز وكوندت، 1941 ). وعلى الرغم من أن قياس متوسط ​​الزاوية الواسعة قد أفسح المجال إلى حد كبير لأنماط حساسية قياس أخرى (مثل القياس الموضعي، والقياس الموزون مركزيًا، والقياس متعدد الأجزاء)، فإن قيم${\displaystyle K}$تم تحديدها لعدادات قياس المتوسطات ذات الزاوية الواسعة، وقد بقيت.

يعتمد ثابت معايرة الضوء الساقط على نوع مستقبل الضوء. يوجد نوعان شائعان من المستقبلات: مسطح ( يستجيب لدالة جيب التمام ) ونصف كروي ( يستجيب لدالة القلب ). مع المستقبل المسطح، توصي المواصفة القياسية ISO 2720:1974 بنطاق لـ${\displaystyle C}$تتراوح قيم الإضاءة من 240 إلى 400 لوكس ، وتُستخدم قيمة 250 عادةً. يُستخدم مستقبل الإضاءة المسطح عادةً لقياس نسب الإضاءة، وقياس شدة الإضاءة، وأحيانًا لتحديد التعريض الضوئي لجسم مسطح.

لتحديد التعريض الضوئي العملي، أثبت المستقبل نصف الكروي فعاليته. اعتقد دون نوروود ، مخترع مقياس التعريض الضوئي للضوء الساقط المزود بمستقبل نصف كروي، أن الكرة تمثل تمثيلاً معقولاً للموضوع المراد تصويره. ووفقًا لبراءة اختراعه ( نوروود 1938 )، كان الهدف هو

لتوفير مقياس تعريض ضوئي يستجيب بشكل موحد تقريبًا للضوء الساقط على موضوع التصوير من جميع الاتجاهات تقريبًا والتي من شأنها أن تؤدي إلى انعكاس الضوء إلى الكاميرا أو أي سجل تصويري آخر.

وتم توفير جهاز القياس من أجل "قياس الإضاءة الفعالة التي يتم الحصول عليها في موضع الموضوع".

مع مستقبل نصف كروي، توصي المواصفة القياسية ISO 2720:1974 بنطاق لـ${\displaystyle C}$تتراوح قيم الاستجابة بين 320 و540 لوكس؛ عمليًا، تتراوح القيم عادةً بين 320 (مينولتا) و340 (سيكونيك). وتعتمد الاستجابات النسبية للمستقبلات المسطحة ونصف الكروية على عدد ونوع مصادر الضوء؛ فعندما يُوجَّه كل مستقبل نحو مصدر ضوء صغير، يكون أداء المستقبل نصف الكروي مع${\displaystyle C}$يشير الرقم = 330 إلى تعرض أكبر بمقدار 0.40 خطوة تقريبًا من ذلك الذي يشير إليه مستقبل مسطح مع${\displaystyle C}$= 250. مع تعريف منقح قليلاً للإضاءة، تشير القياسات باستخدام مستقبل نصف كروي إلى "إضاءة المشهد الفعالة".

يُذكر عادةً أن مقاييس الضوء المنعكس تُعاير بنسبة انعكاس تبلغ 18%، ^{[ 17 ]} إلا أن هذه المعايرة لا علاقة لها بالانعكاس، كما يتضح من معادلات التعريض. ومع ذلك، يُستدل على مفهوم ما للانعكاس من خلال مقارنة معايرة مقاييس الضوء الساقط والمنعكس.

بدمج معادلات التعرض للضوء المنعكس والضوء الساقط وإعادة ترتيبها نحصل على

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

الانعكاس${\displaystyle R}$يُعرَّف بأنه

${\displaystyle R={\frac {\mbox{التدفق المنبعث من السطح}}{\mbox{التدفق الساقط على السطح}}}}$

ناشر مثالي موحد (يتبع قانون جيب التمام لامبرت ) للإضاءة${\displaystyle L}$ينبعث منه كثافة تدفق تبلغ${\displaystyle \pi }$${\displaystyle L}$إذن، الانعكاس هو

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

يُقاس مستوى الإضاءة باستخدام مستقبل مسطح. من السهل مقارنة قياس الضوء الساقط باستخدام مستقبل مسطح مع قياس الضوء المنعكس من سطح مستوٍ مضاء بشكل منتظم وذو انعكاسية ثابتة. باستخدام قيم 12.5 لـ${\displaystyle K}$و250 لـ${\displaystyle C}$أعطِ

${\displaystyle R={\frac {\pi \times 12.5}{250}}\approx 15.7\%}$

مع${\displaystyle K}$إذا كانت قيمة معامل الانعكاس 14، فستكون 17.6%، وهي قريبة من معامل الانعكاس لبطاقة اختبار محايدة قياسية بنسبة 18%. نظريًا، يجب أن تتطابق قياسات الضوء الساقط مع قياسات الضوء المنعكس لبطاقة اختبار ذات معامل انعكاس مناسب، وتكون عمودية على اتجاه جهاز القياس. مع ذلك، نادرًا ما تكون بطاقة الاختبار موزعًا منتظمًا للضوء، لذا قد تختلف قياسات الضوء الساقط والمنعكس اختلافًا طفيفًا.

في المشهد النموذجي، لا تكون العديد من العناصر مسطحة وتوجد في اتجاهات مختلفة بالنسبة للكاميرا، ولذلك، في التصوير العملي، أثبت مستقبل نصف كروي فعاليته في تحديد التعريض الضوئي. باستخدام قيم 12.5 لـ${\displaystyle K}$و330 لـ${\displaystyle C}$أعطِ

${\displaystyle R={\frac {\pi \times 12.5}{330}}\approx 11.9\%}$

مع تعريف مُعدَّل قليلاً للانعكاسية، يمكن اعتبار هذه النتيجة مؤشراً على أن متوسط ​​انعكاسية المشهد يبلغ حوالي 12%. يتضمن المشهد النموذجي مناطق مظللة بالإضافة إلى مناطق تتلقى إضاءة مباشرة، ويستجيب مقياس الضوء المنعكس ذو الزاوية الواسعة لهذه الاختلافات في الإضاءة، فضلاً عن اختلاف انعكاسية عناصر المشهد المختلفة. وبالتالي، فإن متوسط ​​انعكاسية المشهد سيكون

${\displaystyle {\mbox{متوسط ​​انعكاس المشهد}}={\frac {\mbox{متوسط ​​إضاءة المشهد}}{\mbox{إضاءة المشهد الفعالة}}}}$

حيث أن "إضاءة المشهد الفعالة" هي تلك التي يتم قياسها بواسطة مقياس مزود بمستقبل نصف كروي.

تنص المواصفة القياسية ISO 2720:1974 على قياس معايرة الضوء المنعكس بتوجيه المستقبل نحو سطح منتشر مضاء من خلاله، ومعايرة الضوء الساقط بتوجيه المستقبل نحو مصدر نقطي في غرفة مظلمة. بالنسبة لبطاقة اختبار مثالية التشتيت ومستقبل مسطح مثالي التشتيت، تكون المقارنة بين قياس الضوء المنعكس وقياس الضوء الساقط صالحة لأي موضع لمصدر الضوء. مع ذلك، فإن استجابة المستقبل نصف الكروي لمصدر ضوء خارج المحور تكون أقرب إلى شكل القلب منها إلى شكل جيب التمام ، لذا فإن نسبة "الانعكاس" البالغة 12% المحددة لمقياس الضوء الساقط ذي المستقبل نصف الكروي لا تكون صالحة إلا عندما يكون مصدر الضوء على محور المستقبل.

تُغطى معايرة الكاميرات المزودة بمقاييس داخلية بموجب معيار ISO 2721:1982 ؛ ومع ذلك، يُحدد العديد من المصنّعين (وإن كان نادرًا ما يُصرّحون بذلك) معايرة التعريض الضوئي من حيث${\displaystyle K}$وتستخدم العديد من أدوات المعايرة (مثل أجهزة اختبار الكاميرا متعددة الوظائف من كيوريتسو-أروين ^{[ 18 ]} ) المواصفات المحددة${\displaystyle K}$لضبط معلمات الاختبار.

• سيتين. 1997. ما بعد التعريض: تقنيات متقدمة لطابعة الصور الفوتوغرافية . بوسطن: فوكال برس . ISBN 0-240-80299-3.
• شركة إيستمان كوداك. تعليمات استخدام بطاقة اختبار كوداك المحايدة، 453-1-78-ABX. روتشستر: شركة إيستمان كوداك.
• شركة إيستمان كوداك. 1992. دليل كوداك الاحترافي للتصوير الفوتوغرافي . منشور كوداك رقم R-28. روتشستر: شركة إيستمان كوداك.
• ISO 2720:1974 . مقاييس التعريض الضوئي للأغراض العامة (النوع الكهروضوئي) - دليل مواصفات المنتج . المنظمة الدولية للتوحيد القياسي .
• ISO 2721:2013 . التصوير الفوتوغرافي  -  الكاميرات الفيلمية  -  التحكم التلقائي في التعريض . المنظمة الدولية للتوحيد القياسي .
• جونز، لويد أ.، و إتش آر كوندت. 1941. مقياس سطوع المشاهد الخارجية والحساب الصحيح للتعريض الضوئي. مجلة الجمعية البصرية الأمريكية . 31: 651-678 .
• براءة الاختراع الأمريكية رقم 2214283 ، دونالد دبليو نوروود، "مقياس التعريض"، نُشرت في 10 سبتمبر 1940  .