Фотометры, виды и применение

Что такое фотометр?

"Фотометр — это прибор, предназначенный для измерения интенсивности света или светового потока..."

Полезные статьи:

Спектрофотометры, виды, принцип работы

Что такое спектрометры? 

Все статьи

История изобретения

История изобретения фотометра восходит к началу 19 века, когда ученые начали осознавать важность измерения света. Первые попытки создания фотометра были связаны с работами таких ученых, как Иоганн Вольфганг фон Гёте и его исследования цвета. Однако настоящий прорыв произошел в 1856 году, когда английский физик Уильям Хенри Фокс Тальбот разработал первый фотометр, использующий принцип сравнения яркости.

В 1880-х годах появились более точные устройства, такие как фотометры, использующие фотохимические реакции. Это позволило значительно улучшить точность измерений. С развитием технологий в 20 веке фотометры стали более доступными и разнообразными, включая цифровые модели, которые значительно упростили процесс измерения света.

Сегодня фотометры используются в самых различных областях — от фотографии до науки и сельского хозяйства, продолжая играть важную роль в измерении и анализе света.

Фотометры для радиометрии

В контексте радиометрии рассматриваются физические свойства света или других видов электромагнитного излучения независимо от их видимости для человеческого глаза. Это означает, что радиометрические фотометры могут применяться не только к видимому свету, но также к инфракрасному и ультрафиолетовому. Типичными величинами, представляющими интерес, которые измеряются с помощью фотометров разных типов, являются:

• освещенность в единицах Люкс (Лк.), которую в контексте лазерной технологии обычно называют оптической интенсивностью,
• лучистый поток, который иначе называется оптической мощностью и имеет единицы ватт (Вт.).

Для данной оптической длины волны лучистый поток от источника или освещенность могут измерены просто с помощью калиброванного кремниевого фотодиода. В случае общего потока излучения весь падающий свет должен находиться в пределах активной области фотоприемника. Для измерения освещенности активная область детектора должна быть размещена в области приблизительно равномерной освещенности.

Для широкополосных источников света важно иметь плоскую спектральную характеристику, то есть постоянную чувствительность в соответствующем диапазоне длин волн. Если фотоприемник не имеет такой плоской спектральной характеристики, он может быть оснащен подходящим оптическим фильтром. Результирующая приблизительно плоская чувствительность будет ниже, чем у простого фотоприемника.

Кроме того, существуют фотометры для измерения оптических свойств объектов, таких как: 

• коэффициент пропускания,
• коэффициент отражения
• степень рассеяния света. 

Например, фракционная пропускная способность некоторого частично прозрачного объекта может быть измерена путем сравнения интенсивности пропускания с объектом и без него (например, с некоторым жидким раствором в кювете). Используя закон Бера–Ламберта можно измерить концентрацию поглощающего вещества в жидких образцах.

Что такое радиометрия?

Радиометрия - это наука и технология количественного определения и измерения основных свойств электромагнитного излучения. 

Это включает в себя видимый свет, инфракрасный и ультрафиолетовый свет, а также радиоволны и рентгеновские лучи. В отличие от фотометрии, видимость излучения и его воспринимаемая яркость не представляют интереса в этой области; речь идет о чисто физических величинах, не связанных со свойствами человеческого глаза.

Радиометрия обеспечивает точно определенные величины в качестве основы для дальнейшей работы. Для измерения таких величин были разработаны различные виды радиометрических измерительных приборов.

Радиометрические приборы

Для измерения радиометрических величин могут использоваться различные типы приборов:

• Оптические измерители мощности могут использоваться для измерения потока излучения, например, генерируемого лазером, и оптические измерители энергии для энергии излучения.
• Для сильно расходящегося света такие устройства обычно не используются. Здесь может потребоваться использовать интегрирующую сферу в сочетании с подходящим детектором, например, болометром или пироэлектрическим детектором.
• Фотодиод можно использовать для измерения интенсивности излучения, если он откалиброван для длины волны некоторого квазимонохроматического света, а его активная площадь достаточно мала для требуемого пространственного разрешения. Освещенность - это поток излучения, деленный на активную площадь. Для измерения освещенности на большей площади с высоким пространственным разрешением можно использовать своего рода датчик изображения.

Связанные величины, такие как излучение источника света, обычно вычисляются из других измеренных значений, например, из интенсивности излучения в месте на некотором расстоянии от источника.

Термин радиометр можно понимать как относящийся к любым приборам, измеряющим радиометрические величины. Однако это наиболее распространено для приборов, измеряющих количество невидимого излучения.

Фотометры для фотометрии

Фотометрия имеет дело с воспринимаемой яркостью света. Типичными величинами, представляющими интерес, являются:

• общий световой поток, который излучается источником света, указывается в единицах люменов (лм),
• освещенность, представляющая собой световой поток, падающий на поверхность на единицу площади, указывается в единицах люкс (lx) или лм / ^м2 (люмен на квадратный метр), 
• интенсивность света, которая представляет собой световой поток на телесный угол.

Эти величины связаны с потоком излучения, освещенностью и интенсивностью излучения, но вклад различных компонентов длины волны взвешивается с помощью функции яркости, которая учитывает чувствительность человеческого глаза, зависящую от длины волны.

Как и в радиометрии, для фотометрических измерений широкополосного света требуется соответствующая зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны. Однако в этом случае чувствительность не должна быть постоянной, а скорее отражать функцию яркости человеческого глаза. Этого снова можно достичь, оснастив фотоприемник подходящим оптическим фильтром.

Обычным применением фотометров является измерение освещенности на рабочих местах. Например, рекомендуется иметь примерно 500 лк на офисных столах, например, при работе с документами. Для сравнения, полный солнечный свет соответствует примерно 100 000 лк.

Другим применением является измерение общего светового потока, излучаемого источником света. Для лазерного луча это просто, потому что общий излучаемый световой поток может быть легко отправлен на фотоприемник, например, в виде измерителя мощности. 

Для источников света, излучающих во всех направлениях, но неравномерно, может потребоваться фотометр с интегрирующей сферой. Для источников света с равномерным излучением во всех направлениях общий световой поток можно просто рассчитать как произведение освещенности, измеренной на некотором расстоянии d от источника, и площади 4 πd2 

Фотометрические величины

Существует широкий диапазон фотометрических величин, большинство из которых напрямую связаны с радиометрическими величинами.

Некоторые из этих терминов часто путают. Например, светоотдача часто используется вместо световой эффективности. Это часто можно легко распознать по используемым единицам измерения.

В фотометрии также существуют различные спектральные величины, которые описывают распределение некоторой величины по оптическим частотам или длинам волн. Например, спектральный световой поток - это световой поток на единицу оптической частоты или длины волны.

Световой поток, который генерируется в источнике света может быть рассчитан с использованием функции фотопической яркости и спектрального потока излучения:

Постоянное значение ≈ 683 лм / Вт указывает, что для максимальной длины волны ≈ 555 нм (в зеленой области), где функция фотопической яркости равна 1, получается ≈ 683 люмена на ватт оптической мощности. Световая эффективность 683 лм / Вт была бы такой же, как у источника света, который мог бы полностью преобразовывать электрическую энергию в свет при 555 нм. 

Реальные источники света остаются значительно ниже этого предельного значения; например, белые светодиоды обычно составляют от 150 лм / Вт до 200 лм / Вт; теоретический предел составляет около 300 лм / Вт длябелый свет, который обязательно содержит красный и синий свет, к которому глаз менее чувствителен.

Обе упомянутые функции яркости применимы к типичному здоровому человеческому глазу. 

На практике существуют определенные различия, например, снижение чувствительности в основном на коротковолновой части из-за старения линз. У некоторых людей наблюдаются существенные отклонения от нормы, например, в форме дальтонизма. Для них стандартные функции яркости неприменимы.

Устройство фотометра

Фотометр — это специализированное устройство, предназначенное для измерения света и его характеристик. Основные компоненты фотометра включают:

• Датчик света: Это чувствительный элемент, который улавливает световые лучи. В современных фотометрах часто используются фотодиоды или фотомножители, которые обеспечивают высокую точность измерений.
• Оптическая система: Она может включать линзы и фильтры, которые помогают направлять и обрабатывать свет, позволяя устройству измерять его интенсивность в различных спектрах.
• Измерительный механизм: Этот компонент отвечает за преобразование световой энергии в электрический сигнал, который затем может быть обработан и отображен.
• Дисплей: На экране фотометра отображаются результаты измерений, что позволяет пользователю легко интерпретировать данные.
• Управляющие элементы: Кнопки или сенсорные панели для настройки параметров измерения, выбора режимов работы и других функций.

Фотометр может быть как аналоговым, так и цифровым, и его применение варьируется от профессиональной фотографии до научных экспериментов, обеспечивая точные данные для анализа освещения и световых условий.

Применение

Фотометры находят широкое применение в различных областях, включая:

• Фотография: Для определения правильной экспозиции при съемке. Фотометры помогают фотографам выбрать оптимальные настройки камеры, чтобы получить качественное изображение.
• Астрономия: Используются для измерения яркости звезд и других небесных объектов, что позволяет астрономам проводить исследования и наблюдения.
• Научные исследования: В лабораториях фотометры применяются для анализа света, проходящего через растворы, что помогает в определении концентрации веществ.
• Сельское хозяйство: Фотометры могут использоваться для оценки уровня освещенности в теплицах или на полях, что влияет на рост растений.
• Климатология: Для измерения солнечной радиации и оценки ее воздействия на климатические условия.
• Архитектура и дизайн: Помогают в разработке освещения интерьеров и экстерьеров, обеспечивая комфортные условия для людей.

Фотометры бывают разных типов: аналоговые и цифровые, портативные и стационарные, каждый из которых подходит для специфических задач. Их использование позволяет улучшить качество работ и повысить точность измерений в самых разных областях.