Fotometria – nauka o pomiarze światła widzialnego

Fotometria to ilościowy pomiar światła widzialnego postrzeganego przez ludzkie oko. Jest kluczowa dla projektowania oświetlenia, chemii analitycznej, kolorymetrii, kalibracji wyświetlaczy, monitoringu środowiska i wielu innych dziedzin. W przeciwieństwie do radiometrii, która obejmuje całe promieniowanie elektromagnetyczne, fotometria ogranicza się do widma widzialnego (380–780 nm) i uwzględnia zmienną wrażliwość oka na różne długości fal.

Definicja i zakres

Fotometria to nauka o pomiarze światła widzialnego, stosująca „funkcję ważenia” (fotopowa funkcja świetlna, V(λ)), która modeluje wrażliwość przeciętnego obserwatora. Dzięki temu pomiary fotometryczne odzwierciedlają, jak jasne źródło światła będzie postrzegane przez ludzi, a nie jedynie jego całkowitą energię promienistą. Dziedzina ta obejmuje oświetlenie architektoniczne, kalibrację wyświetlaczy, analizę barw, ergonomię wzrokową oraz zgodność z normami bezpieczeństwa i efektywności energetycznej.

Standardy fotometryczne są ustanawiane przez organizacje takie jak Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE), Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) oraz Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii (NIST). Jednostki SI—lumen, kandela, luks i kandela na metr kwadratowy—zapewniają globalną spójność i interoperacyjność.

Kontekst historyczny

Początki fotometrii sięgają starożytnego katalogowania gwiazd, gdy greccy astronomowie, tacy jak Hipparch, klasyfikowali gwiazdy według ich jasności widzialnej. Rewolucja naukowa przyniosła obiektywne narzędzia: fotometr Pierre’a Bouguera z XVIII wieku, „Photometrię” Lamberta (1760) oraz formalizację logarytmicznej skali jasności przez Normana Pogsona w XIX wieku. W XX wieku CIE ustaliła standard krzywej V(λ) i pojawiły się elektroniczne fotometry oraz spektrofotometry, umożliwiając dokładne, powtarzalne i zautomatyzowane pomiary.

Podstawowe zasady

Widmo światła widzialnego

Fotometria dotyczy promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym—około 380 nm (fiolet) do 780 nm (czerwień). Ludzkie oko jest najbardziej wrażliwe na światło zielono-żółte (~555 nm w warunkach dziennych), a wrażliwość maleje w kierunku fioletu i czerwieni. Tę nierównomierną wrażliwość modeluje fotopowa funkcja świetlna CIE, V(λ).

Lampa emitująca głównie promieniowanie podczerwone lub ultrafioletowe może mieć wysoką całkowitą (radiometryczną) moc, ale niską (fotometryczną) wartość wyjściową. Pomiar fotometryczny koncentruje się wyłącznie na tym, co ma znaczenie dla ludzkiego widzenia.

Wrażliwość wzroku człowieka

Ludzkie widzenie zmienia się w zależności od warunków oświetleniowych. W jasnym świetle (widzenie fotopowe) dominują czopki, osiągając maksimum wrażliwości przy 555 nm. W słabym świetle (widzenie skotopowe) dominują pręciki ze szczytem wrażliwości przy 507 nm (efekt Purkinjego). Fotometria wykorzystuje krzywą V(λ), opartą na badaniach psychofizycznych i standardowym obserwatorze CIE 1931, by zapewnić spójny, skoncentrowany na człowieku pomiar. Istnieją także specjalne krzywe dla warunków mezopowych i skotopowych.

Podstawowe wielkości i jednostki fotometryczne

Strumień świetlny (lumen)

Strumień świetlny mierzy całkowitą ilość światła widzialnego emitowanego w ciągu sekundy, ważoną zgodnie z reakcją ludzkiego oka. Jednostką SI jest lumen (lm). Jeden lumen to strumień emitowany w jednostkowy kąt bryłowy (steradian) przez punktowe źródło o światłości jednej kandeli.

Światłość (kandela)

Światłość to strumień świetlny emitowany w jednostkowy kąt bryłowy w określonym kierunku. Jej jednostką SI jest kandela (cd), będąca jedną z podstawowych jednostek SI. Zastosowania obejmują reflektory pojazdów, oznakowanie i sygnalizację, gdzie istotny jest nie tylko całkowity strumień, ale i kierunkowość.

Natężenie oświetlenia (luks)

Natężenie oświetlenia to ilość strumienia świetlnego przypadająca na jednostkę powierzchni. Jednostką SI jest luks (lx) (1 lx = 1 lm/m²). Określa, ile światła dociera do powierzchni—kluczowe dla bezpieczeństwa pracy, dróg i przestrzeni publicznych.

Luminancja (kandela/m²)

Luminancja określa, jak jasno powierzchnia wydaje się w danym kierunku. Jednostką SI jest kandela na metr kwadratowy (cd/m²). To jedyna wielkość fotometryczna bezpośrednio powiązana z percepcją jasności i kluczowa dla oceny wyświetlaczy, oznakowania i oświetlenia dróg.

Inne pojęcia fotometryczne

• Stopa świecy: Jednostka poza układem SI (1 fc ≈ 10,764 luksów), nadal stosowana w Ameryce Północnej.
• Skuteczność świetlna: Stosunek strumienia świetlnego do poboru mocy (lm/W), wyraża efektywność oświetlenia.
• Kąt odcięcia: Kąt, poza którym natężenie oprawy spada poniżej określonego progu, używany do kontroli olśnienia.
• Wskaźnik olśnienia: Mierzy dyskomfort wzrokowy spowodowany nadmiernymi kontrastami luminancji.

Metody pomiaru fotometrycznego

Transmisja i absorbancja

Gdy światło przechodzi przez próbkę:

• Transmisja (T): Procent padającego światła, który przechodzi przez próbkę.
• Absorbancja (A): Logarytmiczna miara pochłaniania światła.

[ T (%) = \frac{I}{I_0} \times 100 ]

[ A = -\log_{10} (T) ]

Absorbancja jest wykorzystywana w analizie chemicznej do oznaczania stężeń.

Pomiar stężenia i prawo Lamberta-Beera

Prawo Lamberta-Beera wiąże absorbancję (A) ze stężeniem (c), długością drogi optycznej (d) i molowym współczynnikiem absorpcji (ε):

[ A = \epsilon_\lambda \cdot c \cdot d ]

Prawo to stanowi podstawę analizy kolorymetrycznej i spektrofotometrycznej, umożliwiając dokładne oznaczanie stężenia substancji w roztworach.

Aparatura fotometryczna

Fotometry

Fotometry mierzą natężenie światła i występują w różnych odmianach:

• Fotometry filtracyjne: Wykorzystują stałe filtry optyczne/diody LED dla wybranych długości fal. Proste, niezawodne, idealne do badań terenowych i analiz rutynowych.
• Fotometry z monochromatorem: Używają pryzmatów lub siatek dyfrakcyjnych do wyboru długości fali, przeznaczone do laboratoriów wymagających elastyczności i precyzji.

Spektrofotometry

Spektrofotometry mierzą natężenie światła w funkcji długości fali, umożliwiając analizę widm absorpcji i emisji.

• Konstrukcje jedno- i dwuprzewodowe: Dwuprzewodowe kompensują dryft lampy i detektora.
• Zastosowania: Analiza chemiczna, pomiar barw, charakterystyka materiałów.
• Cechy: Monochromatory do wyboru długości fali, różne detektory i uchwyty próbek.

Zastosowania fotometrii

• Projektowanie oświetlenia: Zapewnia bezpieczne, komfortowe i energooszczędne środowiska.
• Chemia analityczna: Umożliwia ilościową analizę w laboratorium i terenie.
• Kalibracja wyświetlaczy: Optymalizuje jasność i dokładność kolorystyczną ekranów.
• Lotnictwo/transport: Certyfikacja systemów oświetleniowych lotnisk, dróg i pojazdów.
• Bezpieczeństwo i ergonomia pracy: Ocena olśnienia, luminancji i warunków wzrokowych.

Standardy i ramy regulacyjne

Pomiar fotometryczny podlega międzynarodowym standardom (CIE, ISO, NIST). Określają one jednostki, techniki pomiarowe, kalibrację oraz kryteria wydajności dla produktów oświetleniowych i aparatury analitycznej. Przestrzeganie ich zapewnia interoperacyjność, niezawodność i bezpieczeństwo w obszarach publicznych i profesjonalnych.

Podsumowanie

Fotometria to podstawowa nauka przenikająca nowoczesne technologie, inżynierię, zdrowie i codzienne życie. Dzięki pomiarom światła odpowiadającym percepcji człowieka umożliwia bezpieczniejsze ulice, zdrowsze miejsca pracy, efektywniejsze oświetlenie i precyzyjną analizę naukową.

Aby uzyskać szczegółowe wskazówki lub omówić rozwiązania fotometryczne dla swojej aplikacji, skontaktuj się z nami lub umów prezentację .