Fotometrický senzor — komplexný slovník a technický sprievodca

Definícia a funkcia

Fotometrický senzor je presné zariadenie navrhnuté na detekciu a kvantifikáciu viditeľného svetla tak, ako ho vníma ľudské oko. Na rozdiel od radiometrických senzorov, ktoré merajú absolútnu energiu v rámci elektromagnetického spektra, fotometrické senzory používajú spektrálne filtre a spracovanie signálu prispôsobené štandardnej funkcii svietivosti CIE V(λ), s maximom pri 555 nm. To zabezpečuje, že merania zodpovedajú tomu, ako priemerné ľudské oko vníma jas.

Fotometrické senzory sú nevyhnutné pre objektívne, reprodukovateľné kvantifikovanie svetelných podmienok v rôznych odvetviach—umožňujú hodnotenie bezpečnosti na pracovisku, architektonickú zhodu, kontrolu kvality svetelných produktov a vedecký výskum. Bežne sú založené na kremíkových fotodiódach pre ich linearitu a stabilitu, tieto senzory obsahujú optické filtre úzko zodpovedajúce krivke V(λ). Pokročilé konštrukcie môžu obsahovať aj difúzory pre kosínovú korekciu, vstupnú optiku pre smerové meranie, integračné gule pre celkový tok a robustnú elektroniku na presné spracovanie signálu a kalibráciu.

Odozva ľudského zraku a štandardy CIE

Jadro fotometrického merania je jeho zosúladenie s citlivosťou ľudského oka, definované Medzinárodnou komisiou pre osvetlenie (CIE) prostredníctvom modelov štandardného pozorovateľa. CIE 2° štandardný pozorovateľ z roku 1931, založený na rozsiahlych psychofyzikálnych údajoch, matematicky popisuje priemernú ľudskú citlivosť na svetlo za jasných (fotopických) podmienok prostredníctvom krivky V(λ), ktorá má maximum pri 555 nm (zelené svetlo).

Rozlišujeme tri režimy videnia:

• Fotopické videnie: Denné podmienky, dominujú čapíky, popísané V(λ).
• Skotopické videnie: Slabé svetlo/noc, dominujú tyčinky, popísané V’(λ), maximum pri 507 nm.
• Mezopické videnie: Prechodné osvetlenie, podieľajú sa čapíky aj tyčinky; CIE 191:2010 poskytuje metodiku výpočtu mezopických veličín.

Fotometrické senzory používajú filtre a kalibráciu na zladenie s V(λ), minimalizujú spektrálnu nezhodu a zabezpečujú, že hodnoty zodpovedajú vnímaniu jasu človekom bez ohľadu na spektrum svetla. Pre špecializované aplikácie sa používajú aj iné modely pozorovateľa (napr. 10° pozorovateľ, farebné zladenie).

Fotometria vs. radiometria

Radiometria meria elektromagnetické žiarenie v absolútnych jednotkách (watt, W/m²) naprieč celým alebo vybraným spektrom, bez ohľadu na ľudské vnímanie. Fotometria kvantifikuje viditeľné svetlo vážené podľa citlivosti ľudského oka (V(λ)), výsledky uvádza v jednotkách ako lux (lx), lumen (lm), kandela (cd) a kandela na meter štvorcový (cd/m²).

Napríklad, fotometrický senzor uvádza osvetlenie v luxoch—koľko svetla je vnímané na jednotku plochy—zatiaľ čo radiometer udáva ožiarenie vo W/m², bez ohľadu na to, či je žiarenie viditeľné. Tento rozdiel je zásadný pre svetelné inžinierstvo a bezpečnosť, kde je dôležité práve ľudské vnímanie, nie len energia.

Hlavné rozdiely:

• Fotometrické senzory používajú filtre V(λ) na váženie svetla podľa ľudského vnímania.
• Radiometrické senzory merajú celkový optický výkon v pásme, nevyvážený.
• Fotometrické jednotky (lux, lumen, kandela) sa viažu na vnímanie; radiometrické jednotky (W, W/m²) na energiu.

Typy fotometrických zariadení

Fotometrické senzory sa delia podľa toho, čo a ako merajú:

• Osvetľovacie metre (luxmetre): Merajú dopadajúce svetlo na povrch (lux, lm/m²), používajú kosínovo korigované difúzory.
• Luminančné metre: Merajú jas povrchu z určitého smeru (cd/m²), používajú šošovky a clony.
• Metre svetelného toku: Merajú celkový svetelný výkon zdroja (lumeny), často s integračnými guľami.
• Metre svetelnej intenzity: Merajú svetelný výkon v danom smere (kandela), dôležité pre smerové zdroje.

Moderné zariadenia môžu integrovať viacero typov meraní a spektrálnu analýzu.

Princíp činnosti prístrojov

• Osvetľovacie metre: Fotodióda + kosínovo korigovaný difúzor; merajú dopadajúce svetlo zo všetkých uhlov, simulujú reálne povrchy.
• Luminančné metre: Šošovka a clona určujú zorné pole; merajú jas povrchu v danom smere.
• Metre svetelného toku: Integračná guľa zhromažďuje a rozptyľuje všetko vyžiarené svetlo na meranie celkového výstupu.
• Radiometre: Podobné osvetľovacím metrom, ale bez váženia V(λ), merajú energiu vo vybraných pásmach.
• Spektrálne svetlomery: Používajú radové detektory s mriežkami/prizmami na rozlíšenie spektrálneho rozloženia výkonu pre analýzu farby a kvality.

Výber senzora a geometrie závisí od požadovanej presnosti, opakovateľnosti a potrieb aplikácie.

Fotometrické a radiometrické veličiny

• Osvetlenie (E): Svetelný tok na jednotku plochy (lux, lx). Používa sa na hodnotenie dostatočnosti osvetlenia.
• Luminancia (L): Svetelná intenzita na jednotku plochy a priestorového uhla (cd/m²). Popisuje vnímaný jas.
• Svetelný tok (Φ): Celkový viditeľný výstup (lumen, lm). Kľúčový pre lampy a svietidlá.
• Svetelná intenzita (I): Svetelný tok na jednotku priestorového uhla (kandela, cd). Dôležitý pre smerové osvetlenie.

Radiometrické náprotivky merajú energiu, nie vnímanie (ožiarenie, radiancia, žiarivý tok, žiarivá intenzita).

Konštrukcia senzora a technické špecifikácie

• Fotosenzitívny prvok: Zvyčajne kremíková fotodióda, vybraná pre citlivosť a stabilitu vo viditeľnom pásme.
• Optické filtre: Precízne navrhnuté na zladenie s krivkou V(λ); chyba spektrálneho zladenia (f1’) kvantifikuje odchýlku.
• Difúzor/optika: Kosínovo korigované difúzory (PTFE, opálové sklo) zabezpečujú uhlovú presnosť.
• Integračná guľa: Na meranie toku, vnútorná vrstva s vysokou odrazivosťou a difúziou (BaSO₄ alebo PTFE).
• Spracovanie signálu: Nízkošumové zosilňovače, AD prevodníky, teplotná kompenzácia a digitálne rozhrania.

Príklad: Detektor osvetlenia Gigahertz-Optik VL-3701

• f1’ ≤ 3 %, f2 ≤ 1,5 %, rozsah 10 mlx až 330 klx

Kalibrácia, sledovateľnosť a normy

Kalibrácia zabezpečuje, že fotometrické senzory poskytujú presné a štandardizované výsledky.

• Spektrálne zladenie (f1’): Vypočíta sa ako vážený súčet odchýlok od V(λ). Nízke f1’ je zásadné pre presnosť.
• Kosínová korekcia (f2): Kvantifikuje presnosť pri dopadajúcom svetle z uhlov.
• Postupy: Prístroje sa kalibrujú pomocou sledovateľných štandardných lámp a referenčných fotometrov v akreditovaných laboratóriách, čo zabezpečuje porovnateľnosť a zhodu s medzinárodnými normami (ISO/CIE).

Pravidelná rekalibrácia je odporúčaná, najmä v regulovaných oblastiach alebo po starnutí senzora či vystavení náročným podmienkam.

Použitie

Fotometrické senzory sa široko používajú na:

• Bezpečnosť na pracovisku a kontrolu osvetlenia: Zabezpečenie, že osvetlenie spĺňa zákonné a ergonomické normy.
• Kontrolu kvality svetelných produktov: Meranie celkového výkonu, jasu a rovnomernosti LED, lámp a svietidiel.
• Kalibráciu displejov: Štandardizácia jasu a kontrastu pre monitory, televízory a značenie.
• Cestné a dopravné aplikácie: Hodnotenie viditeľnosti a bezpečnosti značiek, tunelov a vozidiel.
• Výskum a vývoj: Fotobiológia, testovanie materiálov a návrh pokročilých svetelných systémov.

Ako vybrať a používať fotometrický senzor

Pri výbere fotometrického senzora zohľadnite:

• Požadovaný typ merania (osvetlenie, luminancia, tok, intenzita)
• Spektrálnu vernosť (chyba f1’) a kosínovú korekciu
• Rozsah merania a linearitu
• Sledovateľnosť kalibrácie a zhodu s normami
• Odolnosť voči prostrediu a teplotnú stabilitu
• Výstup dát (digitálny/analógový, konektivita)

Správne použitie zahŕňa pravidelnú kalibráciu, dôraz na geometriu merania a pochopenie limitácií prístroja pre konkrétnu svetelnú technológiu a aplikáciu.

Zhrnutie

Fotometrický senzor je kľúčovou technológiou všade tam, kde záleží na kvalite svetla, bezpečnosti a dodržiavaní predpisov. Tým, že napodobňuje odozvu ľudského oka a spĺňa prísne medzinárodné normy, poskytuje tieto senzory objektívne, reprodukovateľné merania potrebné pre moderné svetelné inžinierstvo a hodnotenie prostredia.

Pre viac informácií alebo výber správneho fotometrického senzora pre vašu aplikáciu nás kontaktujte alebo naplánujte ukážku .

Referencie

• CIE (Medzinárodná komisia pre osvetlenie): www.cie.co.at
• NIST Fotometria a radiometria: www.nist.gov
• Produktové listy Gigahertz-Optik: www.gigahertz-optik.com
• International Light Technologies: www.intl-lighttech.com