Radiometr – přístroj pro měření zářivého toku ve fotometrii

Radiometr je vědecký přístroj navržený pro měření zářivého toku – celkového výkonu elektromagnetického záření vyzařovaného, přenášeného nebo odraženého zdrojem v definovaných vlnových délkách. Radiometry jsou ústředním nástrojem radiometrie, oboru, který kvantifikuje elektromagnetickou energii v objektivních, fyzikálních jednotkách (typicky wattech nebo wattech na metr čtvereční). Na rozdíl od fotometrů, které jsou omezeny na viditelné světlo a používají křivku citlivosti lidského oka, radiometry mohou pracovat v ultrafialovém (UV), viditelném (VIS) i infračerveném (IR) pásmu a v dalších částech spektra.

Principy fungování

Radiometry fungují tak, že zachycují elektromagnetické záření pomocí vstupní optiky (například čočky nebo apertury) a často ho filtrují pro výběr konkrétního spektrálního pásma. Filtrované záření pak detekuje senzor – například fotodioda pro viditelné/blízké IR, termopila pro střední IR nebo bolometr pro širokopásmová měření. Senzor převádí dopadající tok fotonů na úměrný elektrický signál, který je následně zesílen, upraven a zobrazen jako kalibrovaná hodnota v absolutních radiometrických jednotkách.

Kalibrace je nezbytná pro zajištění toho, že měření radiometru jsou přesná a trasovatelná na mezinárodní standardy (např. NIST nebo CIE). Přístroj může zahrnovat korekce na vlivy prostředí, jako je teplota, i na vlastnosti samotného detektoru včetně linearity a spektrální citlivosti.

Klíčové provozní pojmy:

• Zářivý tok (Φe): Tok elektromagnetické energie za jednotku času, měří se ve wattech (W).
• Spektrální rozsah: Konkrétní pásmo/pásma vlnových délek, které radiometr detekuje, určeno jeho optikou, filtry a typem detektoru.
• Zorné pole (FOV): Úhlová oblast, ze které je záření přijímáno, přizpůsobena konkrétní měřicí aplikaci.
• Emisivita: Zvlášť důležitý faktor v IR radiometrii, popisuje, jak účinně povrch vyzařuje energii ve srovnání s dokonalým černým tělesem.

Radiometrie vs. fotometrie

Radiometrie kvantifikuje celkovou energii elektromagnetického záření bez ohledu na lidské vnímání. Naproti tomu fotometrie je omezena na viditelné vlnové délky a používá váhovou funkci (křivku CIE V(λ)) odpovídající citlivosti lidského oka.

Radiometr změří veškerou dopadající elektromagnetickou energii ve svém rozsahu – ať už viditelnou, nebo neviditelnou – zatímco fotometr na neviditelné vlnové délky nereaguje.

Typy radiometrů a klíčové parametry

• UV radiometry: Pracují v rozsahu 100–400 nm, zásadní pro monitorování sterilizace, UV vytvrzování a posuzování bezpečnosti.
• IR radiometry: Pokrývají 780 nm–1 mm, využívají se pro měření teploty, dálkové snímání a řízení procesů.
• Širokopásmové/vícepásmové: Některé radiometry mají vyměnitelné filtry nebo více detektorů pro flexibilní měření na různých vlnových délkách.

Zorné pole (FOV): Určuje oblast či úhel, ze kterého se provádí měření. Úzké FOV se používá pro bodová měření, široké FOV zachycuje plošné průměry.

Emisivita: Klíčové nastavení v IR radiometrii – nesprávná hodnota emisivity může způsobit výrazné chyby v bezkontaktním měření teploty či energie.

Kalibrace: Radiometry je nutné pravidelně kalibrovat na standardy (černá tělesa pro IR, kalibrované lampy pro UV/viditelné), aby byla zajištěna přesnost a trasovatelnost.

Radiometr vs. fotometr vs. spektrometr vs. spektro-radiometr

• Radiometry: Pro měření celkové energie v určených pásmech.
• Fotometry: Pro měření ve vztahu k lidskému vidění.
• Spektrometry: Pro kvalitativní, spektrálně rozlišenou analýzu.
• Spektro-radiometry: Pro absolutní, spektrálně rozlišenou radiometrickou či fotometrickou analýzu.

Použití radiometrů

Průmysl

• UV vytvrzování: Zajišťuje správnou UV dávku pro lepidla, inkousty a povlaky.
• Výroba polovodičů: Monitoruje UV expozici při fotolitografii, nezbytné pro tvorbu mikrocest.
• Bezkontaktní měření teploty: IR radiometry sledují žhavé povrchy (ocel, sklo) v reálném čase pro řízení procesů a bezpečnost.
• Kontrola kvality: Ověřuje výkon světelných zdrojů a vlastnosti materiálů.

Věda a životní prostředí

• Klimatologie: Měří sluneční ozáření, pozemské vyzařování a atmosférické interakce.
• Astronomie: Kvantifikuje záření z kosmických těles.
• Dálkový průzkum: Mapuje povrchovou teplotu, zdraví vegetace a kvalitu vody pomocí družicových či leteckých radiometrů.

Medicína a bezpečnost

• Termografie: Bezkontaktní screening horečky a diagnostika pomocí IR vyzařování.
• Fototerapie: Řízení UV dávek při dermatologické léčbě.
• Fotobiologická bezpečnost: Posuzuje rizika od světelných a UV zdrojů.
• Monitorování expozice: Zajišťuje bezpečné UV úrovně v laboratořích a klinikách.

Příklady použití

• Fotolitografie polovodičů: Úzkopásmové UV radiometry zajišťují, že wafery obdrží přesně stanovenou expozici potřebnou pro submikronovou definici obvodů, což umožňuje okamžité úpravy a předcházení defektům.
• Výroba oceli: IR radiometry monitorují teplotu ocelových polotovarů na pohyblivých linkách, kompenzují emisivitu i okolní podmínky a poskytují data pro optimalizaci provozu pece i kvality produktu.
• Environmentální monitoring: Data o povrchové teplotě a slunečním ozáření z radiometrů slouží klimatickým modelům, řízení zemědělství i reakci na katastrofy.

Shrnutí

Radiometry jsou nezbytnými nástroji ve vědě, průmyslu i medicíně všude tam, kde je klíčové přesné, trasovatelné měření elektromagnetické energie. Díky schopnosti pracovat v UV, viditelných i IR oblastech – bez omezení lidským zrakem – jsou nepostradatelné pro řízení procesů, výzkum, shodu s normami i bezpečnost v technologicky vyspělém světě.