Spektrální odezva – změna výstupu v závislosti na vlnové délce ve fotometrii

Úvod a kontext

Spektrální odezva je základní pojem popisující, jak se výstup optického detektoru nebo senzoru mění v závislosti na vlnové délce dopadajícího světla. Je stěžejní pro fotometrii (měření viditelného světla), radiometrii, zobrazování a fotovoltaiku – oblasti, kde je nutné přesné kvantitativní měření, zobrazování nebo přeměna optické energie.

Přesné porozumění a kontrola spektrální odezvy je zásadní pro:

• Kalibraci měřicích zařízení tak, aby jejich údaje odpovídaly skutečné energii nebo lidskému vnímání.
• Zajištění bezpečnosti a shody v regulovaných prostředích, jako je letecké a architektonické osvětlení či laboratorní měření.
• Optimalizaci výkonu zobrazovacích systémů a solárních článků.

Například fotometr měřící letištní dráhová světla musí mít spektrální odezvu velmi blízkou citlivosti lidského oka. Pokud tomu tak není, mohou být měření jasu a barev nepřesná, což může ohrozit bezpečnost nebo splnění předpisů.

Základní pojmy a definice

Spektrální odezva

Spektrální odezva je vztah mezi výstupem detektoru (proud, napětí nebo digitální signál) a vlnovou délkou dopadajícího světla. Obvykle je zobrazena jako křivka citlivosti zařízení v ultrafialové (UV), viditelné a blízké infračervené (NIR) oblasti spektra.

• Plochá spektrální odezva: Barevně neutrální, stejně citlivá na všechny vlnové délky v rozsahu.
• Křivka s maximy/minimy: Vyšší citlivost na určité barvy či vlnové délky.
• Normalizace: Křivka je často normalizována na maximální hodnotu.

Využití: Platí pro fotometry, radiometry, kamery i solární články, ovlivňuje výběr zařízení, kalibraci i splnění norem.

Jednotky: Obvykle bezrozměrný poměr (relativní odezva), normalizovaný na 1 v maximu, nebo ve spojení s citlivostí (A/W).

Spektrální citlivost

Spektrální citlivost kvantifikuje, kolik elektrického výstupu (např. fotoproudu) je generováno na jednotku dopadajícího optického výkonu při každé vlnové délce. Má fyzikální jednotky – obvykle ampéry na watt (A/W).

[ R(\lambda) = \frac{I_{ph}}{P_{in}(\lambda)} ]

• Absolutní měřítko: Přímo spojuje optický výkon s elektrickým výstupem.
• Kontext: Používá se v radiometrii, charakterizaci solárních článků i přesné kalibraci.

Kvantová účinnost (QE)

Kvantová účinnost (QE) vyjadřuje podíl dopadajících fotonů, které jsou při dané vlnové délce převedeny na nosiče náboje (elektrony nebo díry). Udává se v procentech a je zásadní pro pochopení citlivosti detektoru.

[ QE(\lambda) = \frac{\text{Zachycené elektrony}}{\text{Dopadající fotony}} ]

• Vnější kvantová účinnost (EQE): Zohledňuje všechny dopadající fotony.
• Vnitřní kvantová účinnost (IQE): Zohledňuje pouze absorbované fotony.

Vztah ke citlivosti: [ R(\lambda) = QE(\lambda) \cdot \frac{e}{hc/\lambda} ] kde (e) je elementární náboj, (h) Planckova konstanta, (c) rychlost světla a (λ) vlnová délka.

Fotopická citlivostní funkce

Fotopická citlivostní funkce (V(\lambda)) modeluje průměrnou citlivost lidského oka na světlo za denních (fotopických) podmínek, s maximem při 555 nm (zelená).

• Účel: Slouží jako vážicí funkce pro převod radiometrických měření na hodnoty odpovídající lidskému vnímání (fotometrické veličiny).
• Kalibrace přístrojů: Fotometry jsou kalibrovány tak, aby co nejlépe kopírovaly (V(\lambda)); odchylka se označuje jako chyba f1’.

Světelná energie

Světelná energie je celková energie viditelného světla, vážená citlivostí lidského oka, měřená v lumen-sekundách (lm·s, nebo talbot).

• Výpočet: Integrace světelného toku (lumeny) v čase.
• Význam: Klíčová pro vizuální komfort, bezpečnost a splnění předpisů, např. v leteckém osvětlení.

Fotoproud a citlivost

• Fotoproud ((I_{ph})): Proud generovaný fotodetektorem při absorpci fotonů; přímo úměrný intenzitě světla a citlivosti.
• Citlivost: Viz výše; kvantifikuje účinnost přeměny mezi optickým výkonem a elektrickým výstupem.

Fyzikální principy a parametry

Energie fotonu a vlnová délka

[ E = \frac{hc}{\lambda} ]

• Kratší vlnové délky (modrá/UV): Vyšší energie fotonu.
• Delší vlnové délky (červená/NIR): Nižší energie fotonu, více fotonů na jednotku energie.

Odezva lidského oka a spektrální odezva zařízení

• Citlivost oka vrcholí při 555 nm (denní vidění, (V(\lambda))), s mnohem nižší citlivostí na modrou a červenou.
• Fotometrická kalibrace: Zařízení jsou navržena tak, aby pomocí filtrů nebo softwarového vážení co nejlépe kopírovala (V(\lambda)), což minimalizuje chybu ve vjemových měřeních.

Měření a charakterizace

Měření spektrální odezvy

1. Monochromatické světlo: Použije se širokospektrální lampa a monochromátor (nebo laditelné LED/lasery) pro produkci úzkopásmového světla s volitelnou vlnovou délkou.
2. Referenční detektor: Dopadající výkon se měří kalibrovanou fotodiodou pro normalizaci.
3. Záznam výstupu: Výstup detektoru (proud, napětí nebo pulzy) se měří při každé vlnové délce.
4. Zpracování dat: Vypočítá se citlivost nebo QE a vykreslí se křivka spektrální odezvy.

Kontrola: Měření probíhá v zatemněném, teplotně stabilním prostředí pro minimalizaci parazitního světla a driftu.

Kalibrační normy a postupy

• Primární reference: Kalibrované detektory s návazností na NIST nebo obdobné etalony.
• Postupy: Kontrola přesnosti vlnové délky, referenčního výkonu, opakovatelnosti a okolních podmínek.
• Normy:
  • ASTM E1021: Měření spektrální citlivosti fotovoltaických zařízení.
  • ISO 9050: Transmitance/reflectance optických materiálů.
  • IEC 60904-8: Spektrální citlivost fotovoltaických zařízení.

Zdroje chyb při měření spektrální odezvy

• Ruchy nebo drift měřicích přístrojů
• Drift kalibrace referenčních detektorů
• Nestabilita světelného zdroje
• Chyba v nastavení vlnové délky
• Nerovnoměrné osvětlení detektoru
• Parazitní světlo/odrazy
• Teplotní vlivy
• Nelinearita detektoru

Omezení chyb: Opakovaná měření, kontrola prostředí a dodržení norem.

Aplikace a příklady použití

Fotometrie a lidské vidění

• Zařízení: Fotometry, luxmetry, luminanční měřiče
• Význam: Musí kopírovat (V(\lambda)), aby měření odpovídala lidskému vnímání.
• Aplikace: Osvětlení letišť, kokpitů, audity architektonického osvětlení.
• Příklad: Kalibrace fotometrů pro LED dráhová světla vyžaduje sladění jejich spektrálních maxim s odezvou fotometru, jinak by měření mohla zkreslovat vizuální účinnost.

Zobrazovací senzory a kamery

• Křivky spektrální odezvy: Publikovány jako kvantová účinnost (QE) pro vědecké a strojové kamery.
• Přizpůsobení: Odstranění filtrů může prodloužit odezvu do NIR, což je užitečné pro speciální snímání, ale může ovlivnit věrnost barev.
• Příklad: Výběr kamery pro fluorescenční mikroskopii závisí na shodě QE křivky s emisními vlnovými délkami použitých barviv.

Fotovoltaika (solární články)

• Měření EQE: Definuje účinnost solárního článku při každé vlnové délce.
• Testování: Charakterizace výkonu v rozsahu 300–1200 nm pro křemík.
• Aplikace: Modelování výkonu, materiálový výzkum, kontrola kvality výroby.
• Příklad: Perovskitový článek může vykazovat vysokou EQE ve viditelné oblasti, ale nízkou v infračervené, což ukazuje na možné směry optimalizace materiálu.

Optická instrumentace

• Kalibrace: Přístroje jako spektrometry a fotometry vyžadují pravidelnou kontrolu spektrální odezvy pro zajištění kvality.
• Diagnostika: Změny odezvy mohou signalizovat znečištění, stárnutí nebo poruchu, což vede k nutnosti rekvalibrace nebo údržby.

Praktické příklady a scénáře

Příklad 1: Kalibrace fotometru pro letecké osvětlení

Tým údržby letiště musí zajistit, aby okrajová svítidla drah splňovala normy ICAO a FAA. Jejich fotometr je kalibrován pomocí monochromatických světelných zdrojů a jeho spektrální odezva je porovnána s funkcí CIE (V(\lambda)). Pokud je chyba f1’ příliš vysoká, upraví se filtry nebo se použijí digitální korekce, aby odezva odpovídala požadavkům a měření odrážela skutečnou vizuální účinnost.

Příklad 2: Testování EQE solárních článků

Výzkumná laboratoř fotovoltaiky měří EQE nových solárních článků v rozsahu 300–1200 nm. Výsledky ukazují silnou odezvu ve viditelné oblasti, ale pokles v NIR, což naznačuje prostor pro optimalizaci materiálů. Kalibrace proti fotodiodě s návazností na NIST zajišťuje přesnost dat.

Příklad 3: Výběr vědecké kamery

Biolog vybírá vědeckou kameru pro snímání vzorků značených GFP. Je kontrolována QE křivka kamery při 510 nm (emisní maximum GFP), aby byla zajištěna vysoká citlivost. Pokud je spektrální odezva v této oblasti nízká, je zvolen jiný model nebo konfigurace filtru.

Shrnutí

Spektrální odezva je základní vlastností optických detektorů a přímo ovlivňuje jejich přesnost, spolehlivost i vhodnost pro fotometrické, zobrazovací nebo fotovoltaické aplikace. Její pečlivé měření, kalibrace i sladění s požadavky aplikace – zejména s lidským zrakem ve fotometrii – zajišťuje shodu s normami, bezpečnost a optimální výkon v odvětvích od letectví po solární energetiku.

Pro odbornou kalibraci, diagnostiku nebo výběr zařízení kontaktujte naše odborníky nebo si domluvte ukázku .