Fotometria – veda o meraní viditeľného svetla

Fotometria je kvantitatívne meranie viditeľného svetla, ako ho vníma ľudské oko. Je kľúčová pre návrh osvetlenia, analytickú chémiu, kolorimetriu, kalibráciu displejov, environmentálny monitoring a ďalšie oblasti. Na rozdiel od radiometrie, ktorá meria všetko elektromagnetické žiarenie, fotometria je obmedzená na viditeľné spektrum (380–780 nm) a zohľadňuje meniacu sa citlivosť ľudského oka pri rôznych vlnových dĺžkach.

Definícia a rozsah

Fotometria je veda o meraní viditeľného svetla pomocou „váhovej funkcie“ (fotopická svetelná účinnosť V(λ)), ktorá modeluje citlivosť priemerného ľudského pozorovateľa. Zabezpečuje, že fotometrické merania odrážajú, ako jasne sa svetelný zdroj javí človeku, nie len jeho celkovú vyžiarenú energiu. Táto oblasť zasahuje do architektonického osvetlenia, kalibrácie displejov, analýzy farieb, vizuálnej ergonómie a regulačnej zhody pre bezpečnosť a energetickú účinnosť.

Fotometrické štandardy stanovujú organizácie ako Medzinárodná komisia pre osvetlenie (CIE), Medzinárodná organizácia pre normalizáciu (ISO) a Národný inštitút pre normy a technológie (NIST). SI jednotky—lúmen, kandela, lux a kandela na meter štvorcový—zabezpečujú globálnu konzistenciu a interoperabilitu.

Historický kontext

Fotometria má korene v starovekom katalogizovaní hviezd, kde grécki astronómovia ako Hipparchos triedili hviezdy podľa ich viditeľného jasu. Vedecká revolúcia priniesla objektívne nástroje: Bouguerov fotometer z 18. storočia, Lambertovu „Photometriu“ (1760) a zavedenie logaritmickej stupnice jasnosti Normanom Pogsonom v 19. storočí. V 20. storočí boli štandardizované krivky V(λ) CIE a zaviedli sa elektronické fotometre a spektrofotometre, čo viedlo k presným, reprodukovateľným a automatizovaným meraniam.

Základné princípy

Viditeľné svetelné spektrum

Fotometria sa zaoberá elektromagnetickým žiarením vo viditeľnom rozsahu—približne od 380 nm (fialová) po 780 nm (červená). Ľudské oko je najcitlivejšie na zeleno-žlté svetlo (~555 nm pri dennom svetle), pričom citlivosť klesá smerom k fialovej a červenej časti spektra. Táto nerovnomerná citlivosť je modelovaná fotopickou krivkou CIE V(λ).

Lampa vyžarujúca najmä infračervenú alebo ultrafialovú energiu môže mať vysoký celkový (radiometrický) výkon, ale nízky fotometrický (viditeľný) výkon. Fotometrické merania sa zameriavajú výlučne na to, čo je užitočné pre ľudské videnie.

Citlivosť ľudského videnia

Ľudské videnie sa mení v závislosti od svetelných podmienok. Za jasného (fotopického) osvetlenia dominujú čapíky, ktorých maximálna citlivosť je pri 555 nm. Pri slabom svetle (skotopické videnie) preberajú úlohu tyčinky s maximom citlivosti pri 507 nm (Purkyňov efekt). Fotometria používa krivku V(λ), založenú na psychofyzikálnych štúdiách a štandardnom pozorovateľovi CIE 1931, aby zabezpečila konzistentné a na človeka orientované meranie. Pre mezopické a skotopické podmienky existujú špeciálne krivky.

Základné fotometrické veličiny a jednotky

Svetelný tok (Lúmen)

Svetelný tok vyjadruje celkové množstvo viditeľného svetla vyžiareného za sekundu, vážené podľa citlivosti ľudského oka. SI jednotkou je lúmen (lm). Jeden lúmen je tok vyžiarený do jednotkového priestorového uhla (steradián) bodovým zdrojom so svietivosťou jednej kandely.

Svietivosť (Kandela)

Svietivosť je tok vyžiarený do jednotkového priestorového uhla v danom smere. Jej SI jednotka, kandela (cd), patrí medzi základné jednotky SI. Uplatňuje sa napríklad pri automobilových svetlách, signalizácii a navigačných zariadeniach, kde je dôležitý smer vyžarovania rovnako ako celkový výkon.

Osvetlenie (Lux)

Osvetlenie je svetelný tok dopadajúci na jednotku plochy. Jeho SI jednotka je lux (lx) (1 lx = 1 lm/m²). Kvantifikuje, koľko viditeľného svetla dopadne na povrch—zásadné pre bezpečnosť na pracovisku, cestách a verejných priestranstvách.

Svietivosť povrchu (Kandela/m²)

Svietivosť povrchu vyjadruje, ako jasný sa povrch javí v danom smere. SI jednotkou je kandela na meter štvorcový (cd/m²). Je to jediná fotometrická veličina priamo súvisiaca s vnímaním jasu ľudským okom a je nevyhnutná pri hodnotení obrazoviek, svetelných tabúľ a cestného osvetlenia.

Ďalšie fotometrické pojmy

• Foot-candle: NeSI jednotka (1 fc ≈ 10,764 lux), stále používaná v Severnej Amerike.
• Svetelná účinnosť: Pomer svetelného toku k príkonu (lm/W), vyjadruje účinnosť zdroja svetla.
• Hraničný uhol: Uhol, za ktorým intenzita svietidla klesne pod stanovenú hodnotu, využívaný na obmedzovanie oslnenia.
• Index oslnenia: Kvantifikuje vizuálne nepohodlie spôsobené nadmerným jasom alebo kontrastom.

Metódy fotometrického merania

Transmitancia a absorbancia

Pri prechode svetla vzorkou platí:

• Transmitancia (T): Percento dopadajúceho svetla, ktoré prejde vzorkou.
• Absorbancia (A): Logaritmická miera pohltenia svetla.

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

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

Absorbancia sa využíva v chemickej analýze na určenie koncentrácií.

Meranie koncentrácie a Lambert-Beerov zákon

Lambert-Beerov zákon vyjadruje vzťah medzi absorbanciou (A), koncentráciou (c), dĺžkou dráhy (d) a molárnou absorpciou (ε):

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

Tento zákon je základom kolorimetrickej a spektrofotometrickej analýzy a umožňuje presné kvantitatívne stanovenie látok v roztoku.

Prístrojová technika vo fotometrii

Fotometre

Fotometre merajú intenzitu svetla a existujú v rôznych prevedeniach:

• Filtračné fotometre: Používajú pevné optické filtre alebo LED diódy pre špecifické vlnové dĺžky. Sú jednoduché, robustné a vhodné na terénne testy a rutinné analýzy.
• Fotometre s monochromátorom: Používajú hranoly alebo difrakčné mriežky na výber vlnovej dĺžky, vhodné pre laboratórne aplikácie vyžadujúce flexibilitu a presnosť.

Spektrofotometre

Spektrofotometre merajú intenzitu svetla v závislosti od vlnovej dĺžky, čo umožňuje analýzu absorpčných aj emisných spektier.

• Jednolúčové/dvojlúčové konštrukcie: Dvojlúčové zariadenia kompenzujú zmeny v lampe a detektore.
• Aplikácie: Chemická analýza, meranie farieb, charakterizácia materiálov.
• Vlastnosti: Monochromátory na výber vlnových dĺžok, rôzne detektory a držiaky na vzorky.

Využitie fotometrie

• Návrh osvetlenia: Zaisťuje bezpečné, pohodlné a energeticky efektívne prostredie.
• Analytická chémia: Umožňuje kvantitatívnu analýzu v laboratóriu aj v teréne.
• Kalibrácia displejov: Optimalizuje jas a farebnú presnosť obrazoviek.
• Letecká a cestná doprava: Certifikuje osvetľovacie systémy pre letiská, cesty a vozidlá.
• Pracovné prostredie: Hodnotí oslnenie, svietivosť a vizuálnu ergonómiu.

Normy a regulačný rámec

Fotometrické merania sa riadia medzinárodnými normami (CIE, ISO, NIST). Tieto určujú jednotky, meracie techniky, kalibráciu a výkonnostné kritériá pre osvetľovacie produkty a analytické prístroje. Dodržiavanie noriem zaručuje interoperabilitu, spoľahlivosť a bezpečnosť vo verejnom i odbornom prostredí.

Záver

Fotometria je základná veda, ktorá preniká do modernej techniky, inžinierstva, zdravotníctva aj bežného života. Tým, že meria svetlo spôsobom zodpovedajúcim ľudskému vnímaniu, umožňuje bezpečnejšie ulice, zdravšie pracoviská, efektívnejšie osvetlenie a presnú vedeckú analýzu.

Pre podrobnejšie poradenstvo alebo diskusiu o fotometrických riešeniach pre vašu aplikáciu nás kontaktujte alebo si naplánujte ukážku .