Glosár pojmov a konceptov svetelných senzorov

Svetelný senzor

Svetelný senzor je zariadenie navrhnuté na detekciu a reakciu na prítomnosť alebo intenzitu svetla. Premieňa energiu dopadajúceho svetla (fotonov) na elektrický signál (prúd, napätie alebo odpor) a predstavuje základný prvok fotometrických systémov. Svetelné senzory sa používajú v aplikáciách od priemyselnej automatizácie a environmentálneho monitoringu až po letectvo a spotrebnú elektroniku. Označujú sa tiež ako fotoelektrické senzory, senzory okolitého svetla alebo senzory svietivosti; ich úlohou je poskytovať kvantitatívne údaje o úrovni osvetlenia, čo umožňuje automatizované riadenie, bezpečnostné systémy a vedecké merania.

Kľúčové vlastnosti svetelných senzorov zahŕňajú spektálnu citlivosť (rozsah detegovaných vlnových dĺžok), reakčný čas (ako rýchlo sa mení výstup pri zmene svetla) a linearitu (presnosť závislosti výstupu od intenzity svetla). Napríklad v letectve sú svetelné senzory kľúčové pre riadenie osvetlenia kokpitu a dráh, čím zabezpečujú optimálnu viditeľnosť pre pilotov. V spotrebnej elektronike umožňujú automatickú úpravu jasu displejov pre pohodlie a úsporu energie. Podľa ICAO svetelné senzory v systémoch riadenia osvetlenia letísk automatizujú prepínanie a stmievanie dráhových svetiel pre bezpečnosť a efektivitu.

Fotodióda

Fotodióda je polovodičový svetelný senzor, ktorý premieňa svetlo na elektrický prúd prostredníctvom fotoelektrického javu. Keď fotóny dopadnú na pn-priechodu, vznikajú páry elektrón-diera, čím sa vytvára prúd úmerný intenzite svetla. Fotodiódy ponúkajú rýchle reakčné časy (mikrosekundy alebo menej), vysokú citlivosť a lineárny výstup, čo ich robí ideálnymi pre presné fotometrické aplikácie, ako sú vedecké prístroje, displeje v kokpite a systémy monitorovania počasia.

Fotodiódy sa vyrábajú v konfiguráciách ako PIN (pre rýchlosť), lavínové (pre zosilnenie pri slabom svetle) a kremíkové (pre citlivosť na viditeľné/superinfračervené žiarenie). Ich výkon závisí od kvantovej účinnosti, temného prúdu a šumu. Fotodiódy môžu pracovať v fotovoltaickom režime (napäťový výstup) alebo fotovodivostnom režime (prúdový výstup). ICAO predpisuje použitie fotodiód v kalibračných zariadeniach pre osvetlenie letísk na zabezpečenie súladu s predpismi.

Fototranzistor

Fototranzistor je svetlocitlivý tranzistor, ktorý zosilňuje prúd vytvorený absorbovanými fotónmi, čím poskytuje vyšší výstup než fotodiódy. Báza je vystavená svetlu a výsledný malý fotoprúd je zosilnený tranzistorom. Fototranzistory sú citlivé na slabé svetlo, no ich reakcia je pomalšia a menej lineárna ako pri fotodiódach.

Fototranzistory sa využívajú v luxmetroch, optických spínačoch a bezpečnostných zariadeniach. V letectve môžu spúšťať ovládanie osvetlenia podľa okolitého svetla. Spektrálna odpoveď závisí od materiálu a filtrov. Hoci poskytujú zvýšenú citlivosť, používajú sa tam, kde je dôležitejšia cena a jednoduchosť než rýchlosť alebo absolútna presnosť.

Fotoresistor (LDR – svetlo závislý rezistor)

Fotoresistor alebo svetlo závislý rezistor (LDR) je pasívny senzor, ktorého odpor klesá so zvyšujúcou sa intenzitou dopadajúceho svetla. Je vyrobený z fotovodivých materiálov, ako je síran kadmia (CdS), a vykazuje veľké zmeny odporu medzi tmou a osvetlením. Sú jednoduché a lacné, široko využívané na automatické osvetlenie a v didaktických pomôckach.

LDR sú nelineárne, pomalé v odozve a typicky citlivé na viditeľné svetlo. Ich využitie v letectve je obmedzené na menej kritické aplikácie kvôli presnosti a environmentálnym obavám (CdS je nebezpečný). Pre bezpečnostne kritické systémy sa uprednostňujú polovodičové senzory, ako sú fotodiódy.

Senzor okolitého svetla

Senzor okolitého svetla meria intenzitu okolitého osvetlenia, často s cieľom priblížiť sa spektrálnej citlivosti ľudského oka. Moderné senzory používajú kremíkové fotodiódy s čipovými filtrami a úpravou signálu, poskytujúc analógové alebo digitálne výstupy. Sú nevyhnutné v smartfónoch, avionike a systémoch riadenia osvetlenia letísk, kde prispôsobujú úroveň displejov a svetiel pre pohodlie, efektivitu a súlad s predpismi.

Vlastnosti zahŕňajú široký rozsah citlivosti, rýchlu odozvu a teplotnú stabilitu. Pokročilé modely ponúkajú kalibrovaný výstup v luxoch, programovateľné zosilnenie a detekciu priblíženia. Integrácia je zvyčajne cez I2C/SPI pre riadenie v reálnom čase v zabudovaných systémoch.

Fotometria

Fotometria je meranie viditeľného svetla tak, ako ho vníma ľudské oko, s použitím jednotiek ako lux, lúmen a kandela, vážených podľa fotopickej odozvy CIE. Fotometria je základom pre návrh a reguláciu osvetlenia, najmä v letectve, kde presné meranie zabezpečuje bezpečnosť dráh a rolovacích ciest.

Fotometre používajú filtrované fotodiódy alebo štandardné svetelné zdroje, s kalibráciou sledovateľnou k národným štandardom. Normy ICAO a ASTM podrobne stanovujú protokoly pre presné a opakovateľné merania svetla.

Lux

Lux (lx) meria osvetlenosť, teda svetelný tok na meter štvorcový. Vyjadruje, koľko viditeľného svetla dopadá na povrch – čo je kľúčové pre špecifikáciu a overovanie osvetlenia v kanceláriách, na letiskách a verejných priestranstvách. V letectve sa lux používa na nastavenie minimálneho osvetlenia dráh a stojísk podľa ICAO prílohy 14.

Luxmetre používajú kalibrované fotodiódy a kosínovú korekciu pre presnosť. Merania pomáhajú zabezpečiť bezpečnosť, energetickú efektivitu a súlad s predpismi.

Lúmen

Lúmen (lm) kvantifikuje svetelný tok – celkové množstvo viditeľného svetla vyžiareného za sekundu. Jeden lúmen zodpovedá toku z jednej kandely na jeden steradián. Hodnoty lúmenov sú zásadné pri porovnávaní účinnosti osvetlenia a zabezpečení súladu v letectve a iných oblastiach.

Na meranie celkového svetelného toku sa používajú integračné gule a kalibrované fotodetektory, pričom sa berú do úvahy všetky smery vyžarovania.

Kandela

Kandela (cd) je základná jednotka SI pre svetelnú intenzitu – výkon vyžarovaný v konkrétnom smere na steradián. Jedna kandela zodpovedá jednému lúmenu na steradián. Systémy osvetlenia v letectve sa špecifikujú v kandelách, aby sa zabezpečila viditeľnosť. Meranie sa vykonáva pomocou goniometrov na smerový výstup, čo je základom návrhu a certifikácie osvetlenia.

Spektrálna citlivosť

Spektrálna citlivosť je citlivosť senzora na rôzne vlnové dĺžky svetla. Pre fotometriu by senzory mali zodpovedať fotopickej krivke CIE (maximum pri 555 nm), no kremíkové senzory môžu detegovať aj UV a IR, čo môže ovplyvniť výsledky. Optické filtre a kalibrácia to korigujú.

Spektrálna citlivosť je rozhodujúca v aplikáciách od regulačných meraní osvetlenia po pestovanie rastlín a monitorovanie UV. Technické listy senzorov uvádzajú spektrálne krivky pre zladenie s aplikáciou.

Kalibrácia

Kalibrácia zosúlaďuje výstup senzora s referenčnými štandardmi pre presné a sledovateľné merania. Zahŕňa vystavenie senzora známym úrovniam svetla a zaznamenanie výstupu, pričom sa zohľadňuje nelinearita, teplota a spektrálne odchýlky. ICAO špecifikuje intervaly a sledovateľnosť kalibrácie pre kontroly osvetlenia letísk.

Kalibrácia zaručuje súlad, bezpečnosť a vedeckú presnosť, pričom v teréne sa využívajú certifikované prístroje alebo referenčné fotometre.

Reakčný čas

Reakčný čas je interval medzi zmenou svetla a zodpovedajúcou zmenou výstupu senzora, meraný od 10 % do 90 % konečnej hodnoty. Rýchla odozva je dôležitá v optických komunikáciách, automatizácii a pilotmi riadenom osvetlení. Fotodiódy sú najrýchlejšie (nanosekundy); fototranzistory pomalšie a LDR najpomalšie (desiatky až stovky milisekúnd). V letectve rýchla odozva podporuje riadenie osvetlenia v reálnom čase pre bezpečnosť.

Linearita

Linearita popisuje, ako presne sleduje výstup senzora intenzitu svetla. Fotodiódy sú vysoko lineárne; fototranzistory a LDR menej. Linearita je dôležitá pre presné fotometrické merania a súlad s predpismi, pričom v kalibrácii sa aplikujú korekčné funkcie podľa potreby.

Kosínová korekcia

Kosínová korekcia zabezpečuje, že senzor presne meria intenzitu svetla bez ohľadu na uhol dopadu, v súlade s kosínovým zákonom. Dosahuje sa pomocou difúzorov alebo tvarovaných vstupných okien a je vyžadovaná v regulačných fotometrických zariadeniach, najmä pre vonkajšie alebo viac-smerové osvetlenie.

Luxmeter (prístroj na meranie osvetlenia)

Luxmeter alebo prístroj na meranie osvetlenia je kalibrovaný, kosínovo korigovaný fotodiódový prístroj na meranie luxov. Používa sa v letectve, architektúre a pestovaní rastlín na overenie súladu osvetlenia a optimalizáciu návrhov. Správne používanie vyžaduje presné umiestnenie a pravidelnú kalibráciu.

Svetelný tok

Svetelný tok (v lúmenoch) je celkový vnímaný výkon vyžarovaného svetla, vážený citlivosťou ľudského oka. Používa sa na špecifikáciu výkonu svietidiel a meria sa integračnými guľami a kalibrovanými detektormi. Letecké normy vyžadujú minimálny svetelný tok pre rôzne svietidlá.

Svetelná intenzita

Svetelná intenzita meria množstvo svetelného toku vyžarovaného v konkrétnom smere, vyjadrené v kandelách. Je základom návrhu osvetlenia podľa predpisov, zabezpečuje smerovú viditeľnosť a súlad.

Ďalšie zdroje a odkazy

• ICAO Annex 14 – Aerodromes: Aerodrome Design and Operations
• CIE (Commission Internationale de l’Éclairage)
• ASTM International Lighting Standards
• National Institute of Standards and Technology (NIST) – Photometry
• EASA (European Union Aviation Safety Agency)

Svetelné senzory sú neoddeliteľnou súčasťou bezpečnosti, efektivity a automatizácie v moderných systémoch. Ich správny výber, kalibrácia a aplikácia zabezpečujú súlad, spoľahlivosť a optimálny výkon v rôznych odvetviach – vrátane kritického sektora letectva.