Fotometrikus szenzor — Átfogó szószedet és technikai útmutató

Meghatározás és funkció

A fotometrikus szenzor egy precíziós eszköz, amelyet arra terveztek, hogy érzékelje és számszerűsítse a látható fényt az emberi látás szerint. Ellentétben a radiometrikus szenzorokkal, amelyek az elektromágneses spektrum abszolút energiáját mérik, a fotometrikus szenzorok olyan spektrális szűrőket és jelfeldolgozást alkalmaznak, amelyek igazodnak a CIE Standard Luminosity Function V(λ) görbéjéhez, amely 555 nm-nél tetőzik. Ez biztosítja, hogy a mért eredmények megfeleljenek annak, ahogyan az átlagos emberi szem érzékeli a fényerőt.

A fotometrikus szenzorok elengedhetetlenek a világítási viszonyok objektív, reprodukálható méréséhez különböző iparágakban — lehetővé téve a munkahelyi biztonsági vizsgálatokat, építészeti megfelelőséget, világítástechnikai termékellenőrzést és tudományos kutatást. Általában szilícium fotodiódára épülnek linearitásuk és stabilitásuk miatt, és olyan optikai szűrőket tartalmaznak, amelyek szorosan követik a V(λ) görbét. Fejlett kivitelű eszközök diffúzorokat is tartalmaznak a koszinusz-korrekcióhoz, belépő optikát irányított méréshez, integráló gömböt a teljes fényáramhoz, valamint fejlett elektronikát a pontos jelfeldolgozáshoz és kalibrációhoz.

Az emberi látási válasz és a CIE szabványok

A fotometrikus mérés alapja az emberi látás érzékenységéhez való igazítás, amelyet a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE) Standard Observer modelljei határoznak meg. Az 1931-es CIE 2° Standard Observer a kiterjedt pszichofizikai adatbázis alapján matematikailag írja le az emberi szem fényérzékenységét erős (fotopikus) fényviszonyok között a V(λ) függvénnyel, amely 555 nm-nél (zöld fény) tetőzik.

Három látási tartományt különböztetünk meg:

• Fotopikus látás: Nappali viszonyok, csapok dominálnak, V(λ) írja le.
• Szkotopikus látás: Gyenge fény/éjszaka, pálcikák dominálnak, V’(λ), 507 nm-nél tetőzik.
• Mezopikus látás: Átmeneti világítás, mind csapok, mind pálcikák részt vesznek; a CIE 191:2010 módszereket ad a mezopikus mennyiségek számításához.

A fotometrikus szenzorok szűrőket és kalibrációt alkalmaznak a V(λ) görbéhez való igazításhoz, minimalizálva a spektrális eltérést, így a mért értékek megfelelnek az emberi fényérzékelésnek, függetlenül a fény spektrumától. Speciális alkalmazásokhoz más megfigyelő modelleket is alkalmaznak (pl. 10°-os megfigyelő, színkeverési függvények).

Fotometria vs. radiometria

A radiometria az elektromágneses sugárzást abszolút értékben (watt, W/m²) méri, a spektrum egészén vagy adott tartományaiban, függetlenül az emberi érzékeléstől. A fotometria a látható fényt az emberi szem érzékenységével (V(λ)) súlyozva méri, és olyan egységekben adja meg az eredményt, mint a lux (lx), lumen (lm), kandela (cd), valamint kandela per négyzetméter (cd/m²).

Például egy fotometrikus szenzor a megvilágítást luxban adja meg — vagyis, hogy mennyi fény érkezik felületre az emberi érzékelés szerint —, míg egy radiométer a besugárzást W/m²-ben, függetlenül attól, hogy a sugárzás látható-e. Ez a különbség alapvető a világítástechnikában és a biztonságban, ahol nem az energia, hanem az emberi érzékelés a fontos.

Főbb különbségek:

• A fotometrikus szenzorok V(λ) szűrővel súlyozzák a fényt, ahogyan az ember látja.
• A radiometrikus szenzorok bármely sávban az összes optikai teljesítményt mérik, súlyozás nélkül.
• A fotometrikus egységek (lux, lumen, kandela) az érzékeléshez, a radiometrikus egységek (W, W/m²) az energiához kapcsolódnak.

Fotometrikus eszköztípusok

A fotometrikus szenzorokat aszerint osztályozzuk, hogy mit és hogyan mérnek:

• Megvilágításmérők (luxmérők): A felületre érkező fényt mérik (lux, lm/m²), koszinusz-korrekciós diffúzorral.
• Luminanciamérők: Felületi fényességet mérnek egy irányból (cd/m²), lencsével és apertúrával.
• Fényárammérők: Egy fényforrás teljes fénykibocsátását mérik (lumen), általában integráló gömbbel.
• Fényerőmérők: Egy adott irányba kibocsátott fényt mérnek (kandela), fontos irányított fényforrásoknál.

A modern eszközök többféle mérési típust és spektrális elemzési lehetőséget is integrálhatnak.

Az eszköz működése

• Megvilágításmérők: Fotodióda + koszinusz-korrekciós diffúzor; minden irányból érkező fényt mérnek, a valós felületeket szimulálva.
• Luminanciamérők: Lencse és apertúra határozza meg a látómezőt; egy irányból nézett felület fényességét mérik.
• Fényárammérők: Integráló gömb gyűjti össze és elegyíti a kibocsátott fényt, hogy a teljes kibocsátást mérje.
• Radiométerek: Hasonlóak a megvilágításmérőkhöz, de V(λ) súlyozás nélkül, adott sávban mért energia.
• Spektrális fényforrásmérők: Mátrix detektorokkal, rács/prizma segítségével felbontják a spektrális teljesítményeloszlást szín- és minőségelemzéshez.

A szenzor és geometria kiválasztása a pontosságtól, ismételhetőségtől és alkalmazási igényektől függ.

Fotometrikus és radiometrikus mennyiségek

• Megvilágítás (E): Fényáram egységnyi felületre (lux, lx). A világítás megfelelőségének értékelésére.
• Luminancia (L): Fényerő egységnyi felületre és térszögre (cd/m²). Az érzékelt fényességet írja le.
• Fényáram (Φ): Egy forrás teljes kibocsátása (lumen, lm). Kulcsfontosságú lámpák, világítótestek esetében.
• Fényerő (I): Fényáram egységnyi térszögben (kandela, cd). Irányított világításnál fontos.

A radiometrikus megfelelőik energiát, nem érzékelést mérnek (besugárzás, sugárzás, sugárzási teljesítmény, sugárzási intenzitás).

Szenzorfelépítés és műszaki paraméterek

• Fényérzékeny elem: Általában szilícium fotodióda, a látható tartomány érzékenysége és stabilitása miatt.
• Optikai szűrők: Pontosan kialakítva a V(λ) görbéhez; a spektrális illeszkedési hiba (f1’) mutatja az eltérést.
• Diffúzor/optika: Koszinusz-korrekciós diffúzorok (PTFE, opál üveg) a szöghűség érdekében.
• Integráló gömb: Fényáram-méréshez, nagy reflektivitású, szórt belső bevonat (BaSO₄ vagy PTFE).
• Jelfeldolgozás: Alacsony zajú erősítők, ADC-k, hőmérséklet-kompenzáció és digitális interfészek.

Példa: Gigahertz-Optik VL-3701 megvilágítás-érzékelő

• f1’ ≤ 3%, f2 ≤ 1,5%, 10 mlx–330 klx mérési tartomány

Kalibráció, visszavezethetőség és szabványok

A kalibráció biztosítja, hogy a fotometrikus szenzorok pontos, szabványosítható eredményeket adjanak.

• Spektrális illeszkedés (f1’): Az eltérés súlyozott összege a V(λ)-hez képest. Az alacsony f1’ alapvető a pontossághoz.
• Koszinusz-korrekció (f2): A beeső fény szögeihez való pontosságot méri.
• Eljárások: Az eszközöket visszavezethető standard lámpákkal és referenciafotométerekkel kalibrálják akkreditált laboratóriumokban, biztosítva a nemzetközi szabványok (ISO/CIE) szerinti megfelelést.

Rendszeres újrakalibrálás ajánlott, főként szabályozott környezetben vagy ha a szenzor öregedett/erős hatás érte.

Alkalmazások

A fotometrikus szenzorokat széles körben használják:

• Munkahelyi biztonság és világítási megfelelés: A világítás jogszabályi és ergonómiai megfelelőségének biztosítása.
• Világítástechnikai termékminőség-ellenőrzés: LED-ek, lámpák, világítótestek teljesítményének, fényességének és egyenletességének mérése.
• Kijelző kalibráció: Kijelzők, monitorok, TV-k, táblák fényességének és kontrasztjának standardizálása.
• Közút és közlekedés: Jelzőtáblák, alagutak, járművek láthatóságának és biztonságának értékelése.
• Kutatás-fejlesztés: Fotobiológia, anyagvizsgálat és fejlett világítási rendszerek tervezése.

Fotometrikus szenzor kiválasztása és használata

Kiválasztáskor vegye figyelembe:

• Szükséges mérési típus (megvilágítás, luminancia, fényáram, fényerő)
• Spektrális hűség (f1’ hiba) és koszinusz-korrekció
• Mérési tartomány és linearitás
• Kalibráció visszavezethetősége, szabványoknak való megfelelés
• Környezeti ellenállóság és hőmérsékleti stabilitás
• Adatkimenet (digitális/analóg, csatlakoztathatóság)

A helyes használat rendszeres kalibrációt, a mérési geometria ismeretét és az adott világítástechnológia, valamint alkalmazás korlátainak figyelembevételét igényli.

Összefoglalás

A fotometrikus szenzor kulcsfontosságú technológia minden olyan környezetben, ahol fontos a fény minősége, a biztonság és a megfelelőség. Azáltal, hogy utánozza az emberi szem válaszát és szigorú nemzetközi szabványokhoz igazodik, ezek a szenzorok biztosítják a modern világítástechnika és környezetértékelés objektív, reprodukálható mérési alapját.

További információért vagy a megfelelő fotometrikus szenzor kiválasztásához vegye fel velünk a kapcsolatot vagy egyeztessen időpontot bemutatóra .

Források

• CIE (Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság): www.cie.co.at
• NIST Fotometria és Radiometria: www.nist.gov
• Gigahertz-Optik termék-adatlapok: www.gigahertz-optik.com
• International Light Technologies: www.intl-lighttech.com