Átfogó mérnöki útmutató a radiometriai és fotometriai quantityektől az SI-metrological traceabilityen át a spectroradiometerekig és képalkotó luminancemérőkig.
A fény mint mérendő fizikai jel
A fény measurementének első nehézsége, hogy ugyanazt az elektromágneses sugárzást legalább két eltérő nézőpontból írjuk le. A radiometria a sugárzási teljesítményt és annak térbeli, iránybeli, illetve spektrális distributionát vizsgálja. A fotometria ugyanezt a sugárzást a standardos emberi látás spectral responsivityével súlyozza. Emiatt a watt és a lumen között nincs általános, spektrumtól független átváltás.
A measurement feladat therefore mindig a measurand pontos meghatározásával kezdődik. Nem elég azt mondani, hogy „fényerőt mérünk”: meg kell adni, hogy luminous fluxról, fényerősségről, illuminanceról, luminanceről, besugárzásról vagy sugársűrűségről van-e szó, milyen spektrális tartományban, milyen geometriában és milyen időbeli állapotban.
Radiometriai és fotometriai quantityek rendszere
| Radiometriai quantity | Fotometriai conforming | Tipikus unit | Gyakori applyás |
|---|---|---|---|
| Sugárzási teljesítmény Φe | Fényáram Φv | W / lm | Forrás teljes kibocsátása |
| Sugárerősség Ie | Fényerősség Iv | W/sr / cd | Irányfüggő kibocsátás |
| Besugárzás Ee | Megvilágítás Ev | W/m² / lx | Felületet érő sugárzás |
| Sugársűrűség Le | Fénysűrűség Lv | W/(m²·sr) / cd/m² | Kijelzők, útburkolat, lámpatest |
A geometriai viszonyok nem mellékesek. A illuminance függ a távolságtól és a angle of incidencetől, a luminance pedig a megfigyelési iránytól, a felület tulajdonságaitól és a mérőműszer látómezejétől. A spektrális quantityek λ szerinti resolutiona nélkül a LED-ek, lézerek és keskenysávú sources viselkedése often félreérthető.
Az SI candela és a metrological traceabilityi lánc
A candela az SI hét alapunitének egyike. A modern definíció a 540 THz frekvenciájú monokromatikus sugárzás rögzített fényhasznosítási valueén alapul. A gyakorlati megvalósítás however nem egyetlen „candela-measurement standardlámpát” jelent, hanem radiometriai detektorokra, kriogén radiometerekre, referenciaphotometerekre és spectral correctionkra épülő láncot.
Φv = Kcd ∫ Φe,λ(λ) · V(λ) dλ
Egy accredited laboratóriumban a metrological traceability dokumentált calibrationi láncon keresztül valósul meg. A lánc minden eleméhez measurement uncertainty, validityi feltétel, környezeti előírás és közbenső ellenőrzés tartozik. A metrological traceability tehát nem pusztán egy certificate megléte, hanem bizonyítható metrológiai kapcsolat a measurement result és az SI között.
Hogyan mér egy modern optikai labor?
A spectroradiometer a sugárzás spektrális distributionát méri; ebből számíthatók fotometriai és színjellemzők. A photometer gyors és nagy dinamikájú measurementre alkalmas, de resulte függ a detektor V(λ)-illesztésétől. Az integrálógömb a teljes térszögből származó fényt homogenizálja, a goniophotométer pedig a kibocsátás angular dependenceét térképezi fel.
A képalkotó luminancemérő – for example egy calibrated LMK rendszer – egyszerre több százezer vagy millió pixel luminanceét határozza meg. Itt a radiometriai kalibráció mellett geometriai kalibráció, lenskorrekció, vignettálás, pixeluniformitás, dark signal, fókusz és dinamikatartomány is része a measurement modellnek.
A measurement uncertainty optikai sajátosságai
Optikai measurementeknél a uncertainty often nem egyetlen domináns measurement standardból származik. Jelentős lehet a spectral mismatch error, a geometriai beállítás, a forrás instabilitya, a linearity, a stray light, a dark signal, a temperature és a polarizáció. Képalkotó rendszernél mindehhez hozzáadódik a pixelválasz, az lens és a régiókijelölés uncertaintya.
Valódi laborhelyzet: amikor két jó műszer nem ugyanazt mutatja
Egy keskenysávú LED-forrást photometerrel és spectroradiometerrel mérve több százalékos eltérés jelentkezhet úgy is, hogy mindkét műszer valid calibrationsal rendelkezik. A hiba oka rendszerint nem „rossz calibration”, hanem a photometer spektrális illesztési hibája, a spectroradiometer sávszélessége, illetve a forrás temperaturei és időbeli változása.
A helyes vizsgálat során rögzíteni kell a forrás stabilizációját, azonos geometriát kell applyni, must be checked a detektor linearityát, majd a photometer spectral correctionját a mért spektrum alapján kell meghatározni. Az eltérés csak ezután értelmezhető metrológiai értelemben.
Mit kérdezhet egy ISO/IEC 17025 auditor?
- Mi a measurand pontos definíciója és measurement geometriája?
- Hogyan igazolt a spektrális és geometriai validityi tartomány?
- Milyen közbenső ellenőrzés bizonyítja a referenciasources és detektorok stabilityát?
- Hogyan kezelik a szoftveres korrekciókat, konfigurációkat és verziókat?
- A uncertaintyi costvetés tartalmazza-e a spektrális illesztést, linearityt, stray lightot és forrásstabilityt?
Az auditori bizonyíték legyen backkereshető: nyers adatok, konfiguráció, környezeti adatok, korrekciók, calculationi fájlok és jóváhagyott result egyaránt szükséges lehet.
Gyakori tévhitek
| Tévhit | Metrológiai valóság |
|---|---|
| A lumen és a lux ugyanaz. | A lumen luminous flux, a lux felületi illuminance. |
| A spectroradiometer mindig pontosabb. | Az result a sávszélességtől, stray lighttól, linearitytól és jel–noise viszonytól függ. |
| A kamera minden pixelje egyformán mér. | Pixeluniformitási és lenskorrekció szükséges. |
| Az valid calibration minden helyzetre valid. | A calibration tartományhoz, geometriához, konfigurációhoz és feltételekhez kötött. |