Spektrálna ožiarenosť a súvisiace radiometrické a fotometrické veličiny

Spektrálna ožiarenosť je základným pojmom v optických vedách, kľúčová pre pochopenie a kvantifikáciu množstva energie zo svetelných zdrojov, ktoré dopadá na povrch pri každej vlnovej dĺžke. Je základom pre návrh a kalibráciu senzorov, hodnotenie solárnych energetických systémov, posudzovanie svetelných technológií a široké spektrum vedeckého výskumu a priemyselných aplikácií.

Obrázok: Typická spektrálna ožiarenosť slnečného žiarenia na povrchu Zeme, znázorňujúca rozloženie energie v ultrafialovom, viditeľnom a infračervenom pásme.

Základy spektrálnej ožiarenosti

Spektrálna ožiarenosť ($E_\lambda$) je žiarivý tok (výkon), ktorý prijíma povrch na jednotku plochy a jednotku intervalu vlnovej dĺžky. Matematicky:

$$ E_\lambda = \frac{d^2\Phi}{dA,d\lambda} $$

• $d^2\Phi$: Diferenciálny žiarivý tok (W)
• $dA$: Diferenciálna plocha (m²)
• $d\lambda$: Diferenciálny interval vlnovej dĺžky (nm alebo m)

SI jednotka: W·m⁻²·nm⁻¹

Spektrálna ožiarenosť je vždy funkciou vlnovej dĺžky, preto sa typicky zobrazuje ako spektrum—graf $E_\lambda$ v závislosti od vlnovej dĺžky. Táto úroveň detailu umožňuje výskumníkom a inžinierom analyzovať, ako je energia rozložená v elektromagnetickom spektre pre ľubovoľný svetelný zdroj alebo prostredie.

Radiometrické veličiny: základné stavebné kamene

Žiarivý tok ($\Phi$) a spektrálny tok ($\Phi_\lambda$)

• Žiarivý tok ($\Phi$): Celková elektromagnetická energia za jednotku času emitovaná, prenášaná alebo prijatá—meraná vo wattoch (W).
• Spektrálny tok ($\Phi_\lambda$): Žiarivý tok na jednotku intervalu vlnovej dĺžky (W·nm⁻¹).

Praktické využitie:

• Charakterizácia výstupu lámp a LED diód
• Výpočet expozície prijatej povrchmi alebo detektormi
• Súčet spektrálnych tokov cez všetky vlnové dĺžky dáva celkový žiarivý tok

Ožiarenosť ($E$) a spektrálna ožiarenosť ($E_\lambda$)

• Ožiarenosť ($E$): Celkový žiarivý tok na jednotku plochy (W·m⁻²)
• Spektrálna ožiarenosť ($E_\lambda$): Ožiarenosť na jednotku vlnovej dĺžky (W·m⁻²·nm⁻¹)

Vzťah: $$ E = \int_{0}^{\infty} E_\lambda,d\lambda $$

• Ožiarenostné merače merajú celkový výkon.
• Spektro-radiometre poskytujú spektrálny rozklad.

Radiancia ($L$) a spektrálna radiancia ($L_\lambda$)

• Radiancia ($L$): Žiarivý tok na jednotku plochy na jednotku priestorového uhla (W·m⁻²·sr⁻¹)
• Spektrálna radiancia ($L_\lambda$): Navyše na jednotku vlnovej dĺžky (W·m⁻²·sr⁻¹·nm⁻¹)

Dôležitosť: Radiancia vyjadruje priestorové aj uhlové rozloženie—zásadné v zobrazovaní, diaľkovom prieskume a environmentálnych vedách.

Žiarivá intenzita ($I$)

• Žiarivá intenzita ($I$): Výkon emitovaný na jednotku priestorového uhla (W·sr⁻¹)
• Používa sa na opis bodových zdrojov a smerových emisných charakteristík.

Fotometrické veličiny: meranie svetla z pohľadu človeka

Fotometrické veličiny predstavujú svetlo tak, ako ho vníma ľudské oko. Odvodzujú sa z radiometrických hodnôt vážením spektrálneho rozdelenia výkonu pomocou štandardnej krivky svetelnej účinnosti CIE ($V(\lambda)$).

• Svetelný tok ($\Phi_v$): Viditeľná energia za jednotku času, v lúmenoch (lm)
• Iluminancia ($E_v$): Svetelný tok na meter štvorcový, v luxoch (lx)
• Luminancia ($L_v$): Vnímaný jas zo smeru, v cd·m⁻²

Príklad prepočtu: $$ \Phi_v = 683 \int_0^\infty \Phi_\lambda V(\lambda) d\lambda $$

• 683 lm/W je maximálna svetelná účinnosť pri 555 nm (zelená).

Spektrálna iluminancia a konverzia medzi radiometriou a fotometriou

Spektrálna iluminancia ($E_{v,\lambda}$) je fotometrický ekvivalent spektrálnej ožiarenosti, kvantifikujúca viditeľné svetlo na každej vlnovej dĺžke podľa citlivosti ľudského oka.

$$ E_{v,\lambda} = 683 \cdot E_\lambda \cdot V(\lambda) $$

• Tento postup zabezpečuje, že merania odrážajú to, ako ľudia vnímajú jas, nielen surovú energiu.

Meracie techniky a prístroje

Prístroje

• Spektro-radiometer: Rozdeľuje a kvantifikuje svetlo podľa vlnovej dĺžky; nevyhnutné pre spektrálnu ožiarenosť.
• Pyranometer: Meria celkovú solárnu ožiarenosť.
• Filtrované fotodetektory: Pre konkrétne spektrálne pásma.

Kalibrácia

• Kalibrácia pomocou štandardných lámp (napr. wolfrám-halogenidových, deutériových), vysledovateľná k NIST alebo ekvivalentným inštitúciám, je zásadná pre presnosť.
• Spektrálna citlivosť a kosínová odozva sú kľúčové kalibračné faktory.
• Chyby môžu vzniknúť zo spektrálnej nezhody, parazitného svetla a uhlového nesúladu.

Odporúčanie: Pravidelná kalibrácia a dodržiavanie štandardov (CIE, ISO/IEC) zabezpečujú vysledovateľné a spoľahlivé merania.

Jednotky a prehľadová tabuľka

Aplikácie spektrálnej ožiarenosti

• Solárna energia: Určuje účinnosť fotovoltických systémov a podporuje porovnávanie podľa štandardizovaných spektier (napr. ASTM G173 AM1.5).
• Materiálové vedy: Riadi urýchlené testy starnutia a fotodegradácie.
• Spektroskopia: Umožňuje kvantitatívnu analýzu absorpcie, fluorescencie a emisie.
• Svetelná technika: Posudzuje výstup lámp/LED, podporuje súlad s normami a optimalizuje osvetlenie z pohľadu človeka.
• Fotobiológia a poľnohospodárstvo: Meria PAR (400–700 nm) pre rast rastlín.
• Letecký a kozmický priemysel: Kalibruje senzory a hodnotí environmentálnu expozíciu.

Presné meranie spektrálnej ožiarenosti je kľúčové pre zabezpečenie kvality, súlad s predpismi a technologické inovácie v týchto odvetviach.

Radiometrické vs. fotometrické veličiny

• Radiometrické: Fyzikálna energia bez ohľadu na vnímanie (watt, W·m⁻²·nm⁻¹).
• Fotometrické: Vážené citlivosťou ľudského oka ($V(\lambda)$)—pre aplikácie súvisiace s osvetlením a videním.

Prepočtový vzorec: $$ \text{Fotometrická veličina} = 683 \int \text{Radiometrická veličina}(\lambda) \cdot V(\lambda), d\lambda $$

Vysledovateľnosť merania a kalibrácia

Zabezpečenie presnosti spektrálnej ožiarenosti a súvisiacich meraní vyžaduje:

1. Kalibráciu vlnovej dĺžky: Zarovnanie meraných a skutočných vlnových dĺžok, často s využitím emisných lámp (Hg, Ne).
2. Kalibráciu spektrálnej citlivosti: Charakterizáciu citlivosti detektora v závislosti od vlnovej dĺžky.
3. Absolútnu kalibráciu ožiarenosti: Pomocou štandardných lámp s certifikovaným výkonom.
4. Overenie kosínovej odozvy: Kontrolu uhlovej citlivosti pre difúzne/šikmé svetlo.

Pravidelná kalibrácia udržiava presnosť s pribúdajúcim vekom prístrojov alebo zmenami prostredia. Vysledovateľnosť k národným/medzinárodným štandardom (NIST, BIPM, CIE) je nevyhnutná pre reprodukovateľnosť a porovnateľnosť.

Zhrnutie

Spektrálna ožiarenosť poskytuje detailný, vlnovo špecifický pohľad na optickú energiu dopadajúcu na povrch. Ovládanie jej merania a interpretácie je základom odborov od solárnej energetiky a svetelného inžinierstva až po environmentálny monitoring a kalibráciu optických senzorov. Porozumením spektrálnej ožiarenosti a súvisiacim radiometrickým a fotometrickým veličinám môžu odborníci zabezpečiť presné, vysledovateľné a pre aplikáciu relevantné optické údaje.

Obrázok: Solárne spektrum, ilustrujúce zmeny spektrálnej ožiarenosti v UV, viditeľnej a IR oblasti.

Ak máte otázky o integrácii meraní spektrálnej ožiarenosti do vášho pracovného procesu alebo o odborných kalibračných a konzultačných službách, kontaktujte náš tím alebo naplánujte si individuálne demo .