Átfogó mérnöki útmutató a radiometriai és fotometriai mennyiségektől az SI-metrological traceabilityen át a spektroradiométerekig és képalkotó fénysűrűségmérőkig.
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 eloszlását vizsgálja. A fotometria ugyanezt a sugárzást a standardos emberi látás spektrális érzékenységével súlyozza. Emiatt a watt és a lumen között nincs általános, spektrumtól független átváltás.
A measurement feladat ezért mindig a measurand pontos meghatározásával kezdődik. Nem elég azt mondani, hogy „fényerőt mérünk”: meg kell adni, hogy fényáramról, fényerősségről, megvilágításról, fénysűrűségről, besugárzásról vagy sugársűrűségről van-e szó, milyen spektrális tartományban, milyen geometriában és milyen időbeli állapotban.
Radiometriai és fotometriai mennyiségek rendszere
| Radiometriai mennyiség | Fotometriai conforming | Tipikus egység | Gyakori alkalmazás |
|---|---|---|---|
| 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 megvilágítás függ a távolságtól és a beesési szögtől, a fénysűrűség pedig a megfigyelési iránytól, a felület tulajdonságaitól és a mérőműszer látómezejétől. A spektrális mennyiségek λ szerinti felbontása nélkül a LED-ek, lézerek és keskenysávú sources viselkedése gyakran félreérthető.
Az SI candela és a metrological traceabilityi lánc
A candela az SI hét alapegységének egyike. A modern definíció a 540 THz frekvenciájú monokromatikus sugárzás rögzített fényhasznosítási értékén alapul. A gyakorlati megvalósítás azonban nem egyetlen „candela-measurement standardlámpát” jelent, hanem radiometriai detektorokra, kriogén radiométerekre, referenciafotométerekre és spektrális korrekciókra 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, érvényességi 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 spektroradiométer a sugárzás spektrális eloszlását méri; ebből számíthatók fotometriai és színjellemzők. A fotométer 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 szögfüggését térképezi fel.
A képalkotó fénysűrűségmérő – például egy calibrated LMK rendszer – egyszerre több százezer vagy millió képpont fénysűrűségét határozza meg. Itt a radiometriai kalibráció mellett geometriai kalibráció, objektívkorrekció, vignettálás, pixeluniformitás, sötétjel, fókusz és dinamikatartomány is része a measurement modellnek.
A measurement uncertainty optikai sajátosságai
Optikai measurementeknél a uncertainty gyakran nem egyetlen domináns measurement standardból származik. Jelentős lehet a spektrális illesztési hiba, a geometriai beállítás, a forrás instabilitása, a linearitás, a szórt fény, a sötétjel, a hőmérséklet és a polarizáció. Képalkotó rendszernél mindehhez hozzáadódik a pixelválasz, az objektív és a régiókijelölés uncertaintya.
Valódi laborhelyzet: amikor két jó műszer nem ugyanazt mutatja
Egy keskenysávú LED-forrást fotométerrel és spektroradiométerrel mérve több százalékos eltérés jelentkezhet úgy is, hogy mindkét műszer érvényes calibrationsal rendelkezik. A hiba oka rendszerint nem „rossz calibration”, hanem a fotométer spektrális illesztési hibája, a spektroradiométer sávszélessége, illetve a forrás hőmérsékleti és időbeli változása.
A helyes vizsgálat során rögzíteni kell a forrás stabilizációját, azonos geometriát kell alkalmazni, ellenőrizni kell a detektor linearitását, majd a fotométer spektrális korrekcióját 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 érvényességi tartomány?
- Milyen közbenső ellenőrzés bizonyítja a referenciasources és detektorok stabilitását?
- Hogyan kezelik a szoftveres korrekciókat, konfigurációkat és verziókat?
- A uncertaintyi costvetés tartalmazza-e a spektrális illesztést, linearitást, stray lightot és forrásstabilitást?
Az auditori bizonyíték legyen backkereshető: nyers adatok, konfiguráció, környezeti adatok, korrekciók, számítási fájlok és jóváhagyott result egyaránt szükséges lehet.
Gyakori tévhitek
| Tévhit | Metrológiai valóság |
|---|---|
| A lumen és a lux ugyanaz. | A lumen fényáram, a lux felületi megvilágítás. |
| A spektroradiométer mindig pontosabb. | Az result a sávszélességtől, stray lighttól, linearitástól és jel–zaj viszonytól függ. |
| A kamera minden pixelje egyformán mér. | Pixeluniformitási és objektívkorrekció szükséges. |
| Az érvényes calibration minden helyzetre érvényes. | A calibration tartományhoz, geometriához, konfigurációhoz és feltételekhez kötött. |