Fotometrický senzor — Komplexní slovníček a technický průvodce

Definice a funkce

Fotometrický senzor je přesné zařízení určené k detekci a kvantifikaci viditelného světla tak, jak ho vnímá lidské oko. Na rozdíl od radiometrických senzorů, které měří absolutní energii v celém elektromagnetickém spektru, fotometrické senzory využívají spektrální filtry a zpracování signálu přizpůsobené standardní funkci světelné účinnosti CIE V(λ) s maximem při 555 nm. Tím je zajištěno, že měření odpovídají vnímání jasu průměrným lidským okem.

Fotometrické senzory jsou nezbytné pro objektivní a reprodukovatelnou kvantifikaci světelných podmínek v různých odvětvích—umožňují bezpečnostní audity na pracovišti, splnění architektonických norem, kontrolu kvality světelných produktů i vědecký výzkum. Obvykle jsou konstruovány na bázi křemíkových fotodiod pro jejich linearitu a stabilitu, přičemž senzory obsahují optické filtry co nejpřesněji odpovídající křivce V(λ). Pokročilé konstrukce mohou zahrnovat difuzory pro kosinovou korekci, vstupní optiku pro směrová měření, integrační koule pro měření celkového toku a robustní elektroniku pro přesné zpracování signálu a kalibraci.

Lidská vizuální odezva a standardy CIE

Základem fotometrického měření je sladění s lidskou zrakovou citlivostí, definovanou Mezinárodní komisí pro osvětlování (CIE) pomocí modelů Standardního pozorovatele. CIE 2° Standardní pozorovatel z roku 1931, založený na rozsáhlých psychofyzikálních datech, matematicky popisuje průměrnou lidskou citlivost na světlo za jasných (fotopických) podmínek prostřednictvím křivky V(λ), která vrcholí při 555 nm (zelené světlo).

Rozlišují se tři režimy vidění:

• Fotopické vidění: Denní podmínky, dominují čípky, popisuje funkce V(λ).
• Skotopické vidění: Slabé světlo/noc, dominují tyčinky, popisuje funkce V’(λ) s maximem při 507 nm.
• Mezopické vidění: Přechodové osvětlení, přispívají čípky i tyčinky; norma CIE 191:2010 poskytuje metody pro výpočet mezopických veličin.

Fotometrické senzory využívají filtry a kalibraci pro sladění s V(λ), minimalizují spektrální nesoulad a zajišťují, že výsledky odpovídají vnímání jasu člověkem bez ohledu na spektrum světla. Pro specializované aplikace se používají i další modely pozorovatele (např. 10° pozorovatel, funkce pro sladění barev).

Fotometrie vs. radiometrie

Radiometrie měří elektromagnetické záření v absolutních jednotkách (watt, W/m²) v celém nebo vybraném spektru, bez ohledu na lidské vnímání. Fotometrie kvantifikuje viditelné světlo vážené podle citlivosti lidského oka (V(λ)), výsledky uvádí v jednotkách jako lux (lx), lumen (lm), kandela (cd) a kandela na metr čtvereční (cd/m²).

Například fotometrický senzor udává osvětlenost v luxech—kolik světla je vnímáno na jednotku plochy—zatímco radiometr měří ozáření ve W/m² bez ohledu na to, zda je záření viditelné. Tento rozdíl je zásadní v osvětlovací technice a bezpečnosti, kde je důležité vnímání, nejen energie.

Hlavní rozdíly:

• Fotometrické senzory používají V(λ) filtry a váží světlo podle lidského vnímání.
• Radiometrické senzory měří celkový optický výkon v pásmu bez vážení.
• Fotometrické jednotky (lux, lumen, kandela) souvisejí s vnímáním; radiometrické (W, W/m²) s energií.

Typy fotometrických přístrojů

Fotometrické senzory se dělí podle toho, co a jak měří:

• Luxmetry (osvětlenoměry): Měří dopadající světlo na povrch (lux, lm/m²), využívají difuzory s kosinovou korekcí.
• Jasoměry: Měří jas povrchu z určitého směru (cd/m²), využívají čočky a apertury.
• Měření světelného toku: Měří celkový výstup světelného zdroje (lumeny), často s integrační koulí.
• Měření svítivosti: Měří světelný výkon v daném směru (kandela), důležité pro směrové zdroje.

Moderní přístroje mohou integrovat více typů měření a spektrální analýzu.

Provoz přístrojů

• Osvětlenoměry: Fotodioda + difuzor s kosinovou korekcí; měří dopadající světlo ze všech úhlů, simulují reálné povrchy.
• Jasoměry: Čočka a apertury definují zorné pole; měří jas povrchu z daného směru.
• Měření světelného toku: Integrační koule zachycuje a rozptyluje veškeré vyzařované světlo pro měření celkového toku.
• Radiometry: Podobné osvětlenoměrům, ale bez vážení podle V(λ), měří energii ve zvolených pásmech.
• Spektrální světelné měřiče: Pole detektorů s mřížkami/prismy rozkládají spektrální rozložení výkonu pro analýzu barev a kvality.

Výběr senzoru a geometrie závisí na požadavcích na přesnost, opakovatelnost a konkrétní aplikaci.

Fotometrické a radiometrické veličiny

• Osvětlenost (E): Světelný tok na jednotku plochy (lux, lx). Hodnotí dostatečnost osvětlení v prostředí.
• Jas (L): Svítivost na plochu a prostorový úhel (cd/m²). Popisuje vnímaný jas.
• Světelný tok (Φ): Celkový viditelný výkon (lumen, lm). Klíčový pro lampy a svítidla.
• Svítivost (I): Světelný tok na jednotku prostorového úhlu (kandela, cd). Důležité pro směrové osvětlení.

Radiometrické analogy měří energii, nikoliv vnímání (ozáření, radianci, zářivý tok, zářivou intenzitu).

Konstrukce senzoru a technické parametry

• Fotosenzitivní prvek: Obvykle křemíková fotodioda, vybraná pro citlivost a stabilitu ve viditelném rozsahu.
• Optické filtry: Precizně navržené pro odpovídání křivce V(λ); chyba spektrální shody (f1’) udává odchylku.
• Difuzor/optika: Difuzory s kosinovou korekcí (PTFE, opálové sklo) zajišťují úhlovou přesnost.
• Integrační koule: Pro měření toku, s vysoce reflexním a rozptylným povrchem (BaSO₄ nebo PTFE).
• Zpracování signálu: Nízkohlukové zesilovače, ADC, teplotní kompenzace a digitální rozhraní.

Příklad: Gigahertz-Optik VL-3701 detektor osvětlenosti

• f1’ ≤ 3 %, f2 ≤ 1,5 %, rozsah 10 mlx až 330 klx

Kalibrace, sledovatelnost a normy

Kalibrace zajišťuje, že fotometrické senzory poskytují přesné a standardizované výsledky.

• Spektrální shoda (f1’): Vypočítává se jako vážený součet odchylek od V(λ). Nízké f1’ je klíčové pro přesnost.
• Kosinová korekce (f2): Udává přesnost měření pro dopadající světlo pod různými úhly.
• Postupy: Přístroje jsou kalibrovány pomocí sledovatelných standardních lamp a referenčních fotometrů v akreditovaných laboratořích, což zajišťuje srovnatelnost a shodu s mezinárodními normami (ISO/CIE).

Pravidelná rekalibrace je doporučena zejména v regulovaných prostředích nebo po stárnutí senzoru/vystavení náročným podmínkám.

Aplikace

Fotometrické senzory se široce využívají pro:

• Bezpečnost práce a kontrolu osvětlení: Zajištění splnění právních a ergonomických požadavků na osvětlení.
• Kontrola kvality světelných produktů: Měření celkového výkonu, jasu a rovnoměrnosti LED, lamp a svítidel.
• Kalibrace displejů: Standardizace jasu a kontrastu monitorů, televizorů a značek.
• Silniční a dopravní aplikace: Hodnocení viditelnosti a bezpečnosti značek, tunelů a vozidel.
• Výzkum a vývoj: Fotobiologie, testování materiálů a návrh moderních světelných systémů.

Výběr a používání fotometrického senzoru

Při výběru fotometrického senzoru zvažte:

• Požadovaný typ měření (osvětlenost, jas, tok, svítivost)
• Spektrální přesnost (chyba f1’) a kosinovou korekci
• Měřicí rozsah a linearitu
• Sledovatelnost kalibrace a shodu s normami
• Odolnost vůči prostředí a stabilitu při teplotních změnách
• Výstup dat (digitální/analogový, konektivita)

Pro správné použití je nutná pravidelná kalibrace, důraz na správnou měřicí geometrii a znalost omezení přístroje vzhledem k typu světelné technologie a aplikaci.

Shrnutí

Fotometrický senzor je klíčovou technologií všude tam, kde záleží na kvalitě světla, bezpečnosti a shodě s normami. Díky napodobení odezvy lidského oka a dodržování přísných mezinárodních standardů poskytují tyto senzory objektivní a reprodukovatelná měření nezbytná pro moderní světelnou techniku a hodnocení prostředí.

Pro více informací nebo pro výběr vhodného fotometrického senzoru pro vaši aplikaci nás kontaktujte nebo si domluvte ukázku .

Reference

• CIE (Mezinárodní komise pro osvětlování): www.cie.co.at
• NIST Fotometrie a radiometrie: www.nist.gov
• Gigahertz-Optik produktové datasheety: www.gigahertz-optik.com
• International Light Technologies: www.intl-lighttech.com