Fotometria

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A fotometria az elektromágneses spektrum 430 nm – 780 nm hullámhossz-tartományba eső sugárzásának, a látható fény méréstechnikájának és alkalmazásának a tudománya. A Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság a láthatósági függvényt[1] 300 nm-től 830 nm-ig közli.

A fény[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fény a fényforrásból minden irányban egyenes vonalak mentén terjed, sugárzik. A pontnak képzelt fényforrás sugarai minden irányban széttartanak, de egyenesek maradnak, és egy tetszés szerint kiválasztott sugárnyaláb nem hagyja el azt a térbeli szöget (kúpot), amelyikben elindult.[2]

A fényforrások elemi sugárzása pontosan úgy viselkedik, mint egy Hertz dipólusból kiinduló, minden irányban koherens gömbhullám..."
Selényi Pál

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fénymérés az az eljárás, mellyel különböző fényforrások erejét lehet összehasonlítani.

  • Peter Bouguer (1698 – 1758) francia matematikus, filozófus végezte el az első tudományos kísérleti vizsgálatot.[3]
  • Johann Heinrich Lambert (1728 – 1777) svájci matematikus, fizikus rakta le az elméleti alapokat,[4] melyek ma is a fénymérés mértékei.
  • Otto Weiner 1890-ben megállapította, hogy a fény elektromágneses hullám, és sikerült is nagyszögű interferencia képet regisztrálnia.

Magyarországon három jelentős fellegvára volt az optikai méréstudománynak, Magyar Optikai Művek (1876 – 1998), Egyesült Izzólámpa és Villamossági Rt. /Tungsram/(1896-1996) és a Gamma Optikai Művek (1920).

A budapesti Műegyetem különböző tanszékein is jelentős optikai kutatások/fejlesztések történtek.

A fenti gyárakban kutató-fejlesztő munka is folyt, és több neves, nemzetközileg is ismert tudós dolgozott a fénnyel kapcsolatos elméleteken, méréstechnikán és alkalmazásokon.

Megemlíthetjük Rott Andor, Bródy Imre, Selényi Pál, Pfeifer Ignác, Vidor Pál, Szigeti György, dr. Urbanek János, Gábor Dénes (Nobel-díjas) neveit.

Fotometria vs. Radiometria[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha a sugárzás teljes sugárzási energiája szerint értékelő mennyiségeket vizsgáljuk, akkor radiometriai mennyiségekről beszélünk, ha azonban a CIE szabványos fénymérő észlelő[5] szerint értékelő mennyiségeket vizsgáljuk, akkor fotometriai mennyiségekről beszélünk. Más szóval ez azt jelenti, ha a fényforrások által kisugárzott fényben megjelenő energia terjedésének törvényeit vizsgáljuk, akkor azt a radiometria eszközeivel tesszük. Ha figyelembe vesszük azt, hogy az emberi szem a különböző spektrális összetételű, de azonos teljesítményű fényforrásokat másképpen érzékeli, akkor a jelenségeket a fotometria fogalmaival írjuk le.[6][7]

A szem és a fotometria[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az emberi szem nem egyformán érzékeny a látható fény összes hullám-hosszúságára. A fotometria megpróbálja ellensúlyozni a mért értéket a hullámhossz függvényében. A szem másképpen reagál a fényhez adaptálódott körülmények között, mint a homályos, gyenge fényviszonyok között (lásd Purkinje-jelenség). A fotometria tipikusan jó fényviszonyokhoz adaptálódott szem érzékenységén alapul. A fotometriai mérések nem pontosan jelezhetik a források fényességét gyenge fényviszonyok közt, ahol a színek nem különböztethetők meg, mint például holdfénynél vagy csillagfénynél.

3 \frac{cd}{m^2} fénysűrűség felett jó fényviszonyokról beszélünk.

Fotometriai mértékegységek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fényáram[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fényáram (Φ) a fényerősség és a besugárzott térszög szorzata. A fényáram származtatott SI-mértékegysége lumen (lm).

\mathrm{1\ lm\ =\ 1\ cd \cdot sr}

Ahol:

Azaz 1 lumen, az 1 candela fényerősségű, pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe kisugárzott fényárama.

Példák:

  • Egy 100 wattos izzólámpa által kibocsátott fényáram 1380 lumen.
  • 1 lumen fényáramot létesít az 1 kandela fényerősségű, minden irányban egyenletesen sugárzó pontszerű fényforrás az 1 méter sugarú gömb 1 m² felületén.
  • A szem maximális érzékenységének megfelelő 550 nm hullámhosszúságú fénysugárzás 1 watt teljesítmény esetén 680 lumen fényáramot létesít.

Fényerősség[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fényerősség (I) a fényforrás által egy meghatározott irányban kibocsátott fénykisugárzás mértékét jelöli. Mértékegysége kandela (cd). A fényerősség a kis térszögben kibocsátott fényáram és a térszög hányadosa.

\mathrm{1\ cd\ =\ \frac{lm}{sr} }

Egy kandela annak a sugárforrásnak a fényerőssége, amelyet 540×1012 Hz (λ=555 nm) frekvenciájú monokromatikus sugárzást bocsát ki és a kibocsátás irányában, egységnyi térszögben 1/683 watt sugárerősséggel sugároz. Korábban a Hefner-gyertya (HK) volt a fényerősség egysége, amelyet Friedrich von Hefner-Alteneckről (1845-1904) neveztek el. A Hefner–gyertya egy meghatározott körülmények között működő amylacetát-égő nyílt lángja. Átszámítás:

\mathrm{1\ cd\ =\ 1,107\ HK}
\mathrm{1\ HK\ =\ 0,903\ cd}

Ennek az etalonnak megfelelő 1 cd fényforrás segítségével hitelesítik a gyakorlati mérésekhez használt normálizzók fényerősségét, ill. ehhez viszonyítják a különböző fényforrások fényerősségét.

Néhány fényforrás fényerőssége[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fényforrás Fényerősség (cd)
Viaszgyertya 1
Petróleumlámpa 30
100 wattos kriptonizzó 120
Vetítőlámpa 2000
30 amperes ívlámpa 82 000

Megvilágítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Lux mérő

A megvilágítás (E) a megvilágított A felületre eső Φ fényáram és a megvilágított A felület nagyságának hányadosa. SI mértékegysége lux (lx):

\mathrm{1\ lx\ =\ 1\ \frac{lm}{m^2}}

A megvilágítási erősség a felületet érő fény mértéke, megadja, hogy egy adott felület mennyire van kivilágítva, vagyis mekkora fényáram jut 1 m² felületegységre lumenben. 1 lux a megvilágítása annak a felületnek, amelynek 1 négyzetméterére merőlegesen és egyenletesen 1 lumen fényáram esik.

Példa: Egy szabadon sugárzó 100 wattos általános izzólámpa 1,5 m magasan felfüggesztve a lámpa alatti felületen hozzávetőleg 100 lx megvilágítási erősséget eredményez. Tapasztalati tény, hogy egy fényforrás annál nagyobb megvilágítást létesít egy felületen, minél nagyobb a fényerőssége. Ha az A felületre Φ fényáram esik, akkor a megvilágítás

E=\frac{ \phi}{A}

vagyis számszerűen megegyezik az egységnyi (1 m²) felületre eső fényárammal.

Jellegzetes megvilágítási értékek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Környezet Megvilágítás (lux)
Iroda 500
Folyosó 50
Napfény nyáron 100 000
Napfény télen 10 000
Telihold 0,2
Színérzékelés határa 3

Fénysűrűség[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fénysűrűség (L) az a mérték, mely az emberi szemben a világító vagy a megvilágított felületek által keltett fényérzetet határozza meg, azaz a felületegységre jutó fényerősség. Vonatkozhat nemcsak fényforrásra, hanem megvilágított felületre is. Leggyakrabban a vizsgált felületre merőleges irányban mérjük, de meghatározható más irányban is, ilyen esetben a felületnek a mérési irányra merőleges vetületét keli számításba venni. Mértékegysége:

\mathrm{1\ L\ =\ 1\ \frac{cd}{m^2}\ =\ 1\ nit}

A fénysűrűség értékét úgy kapjuk meg, ha egy fényforrás fényerősség értékét elosztjuk a mérési távolságból mért megvilágítandó felülettel. A fénysűrűség határozza meg a szubjektív fényérzetet. A fénysűrűség azon fénybehatás mértéke, melyet az emberi szem egy önvilágító vagy mesterségesen megvilágított felületről hív elő. A relatív fénysűrűség-különbséget szokás kontrasztnak nevezni.

Fotometrikai mérőeszközök[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az első fotometriai méréseket szemmel való összehasonlítással végezték. Az ismeretlen fényt (általában megvilágítást) osztott látóterű vizuális fotométerben hasonlították össze ismert fényforrás által létrehozott megvilágítással.

A 20. század elején kifejlesztették az első fotodetektorokat.

Magyarországon először az 1920-as évek végén Dr. Urbanek János munkássága alapján készült szelén fényelem elé helyezett színszűrőkkel felépített fotométer.

A Magyar Kereskedelmi Engedélyezési Hivatal több fotometriai mennyiség hiteles mérését végzi (Optikai mérések, tájékoztató pdf formában)

Az objektív fotometria eszközei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fény mérésére szolgáló detektorok általában a detektorra eső fényre válaszul elektromos jelet bocsátanak ki. Ez történhet közvetlenül (fotoelektromos eszköz) vagy közvetett módon (termoelektromos detektor).

Néhány objektív fotometriai eszköz:

A szubjektív fotometria eszközei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szubjektív fotometriában a detektor az emberi szem, mely nem alkalmas annak eldöntésére, hogy egy ismeretlen fényerősség hányszorosa egy hitelesített másiknak. Két egymáshoz közeli felület megvilágítását összevetve azonban igen pontosan megmondható, vajon azok egyenlők-e vagy sem. Ezen alapul a szubjektív fotometria.

Néhány szubjektív fotometriai eszköz:

  • Ritchie-féle fotométer
  • Lummer-Brodhun-féle fotométer

Alkalmazások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Erostyák János – Kozma László: Általános fizika, Fénytan. (hely nélkül): Dialóg Campus Kiadó. 2003. 244–255. o.  
  • Pelyhe János: Világítástechnikai jegyzet. (hely nélkül): Színház és Filmművészeti Egyetem. 2006.  
  • Dr. Szalay Béla: Fizika. (hely nélkül): Műszaki Könyvkiadó. 1979. 518–524. o.  

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Makai, János: CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION. cie.co.at, 2011. (Hozzáférés: 2011. október 10.) [1] Láthatósági függvény
  2. Karsa Béla: Villamos mérőműszerek és mérések (Műszaki Könyvkiadó 1962)
  3. http://www.magnumarchive.com/c/edinburgh-encyclopedia-4/Peter-Bouguer.html
  4. http://www.gap-system.org/~history/Biographies/Lambert.html
  5. http://www.cie.co.at/
  6. [2]
  7. http://electron9.phys.utk.edu/optics421/modules/m4/radiometry.htm
  8. ASTM D4039 - Standard Test Method for Reflection Haze of High Gloss Surfaces. astm.org, 2011. (Hozzáférés: 2011. október 9.)
  9. ASTM D1746 - Standard Test Method for Transparency of Plastic Sheeting. astm.org, 2011. (Hozzáférés: 2011. október 9.)
  10. Appearance Gloss Haze Shade Opacity Colour. bamr.co.za, 2011. (Hozzáférés: 2011. október 9.)