European knowledge baseEuropean calibration knowledge platform
Optical metrology · mesterkurzus

A fény measuremente – az SI candelától az LMK kameráig

Átfogó mérnöki útmutató a radiometriai és fotometriai quantityektől az SI-metrological traceabilityen át a spectroradiometerekig és képalkotó luminancemérőkig.

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 quantityFotometriai conformingTipikus unitGyakori applyás
Sugárzási teljesítmény ΦeFényáram ΦvW / lmForrás teljes kibocsátása
Sugárerősség IeFényerősség IvW/sr / cdIrányfüggő kibocsátás
Besugárzás EeMegvilágítás EvW/m² / lxFelületet érő sugárzás
Sugársűrűség LeFénysűrűség LvW/(m²·sr) / cd/m²Kijelzők, 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.

Fotometriai átcalculation:
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.

Fényforrás+ geometriaOptikai rendszergömb / gonio / lensDetektorspektrum / kameraKiassessmentkorrekció + U
A measurement result a teljes optikai lánc tulajdonságait hordozza.

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.

Mérnöki megjegyzés: a „műszer accuracya” önmagában nem uncertaintyi modell. A measurement procedure teljes rendszerét kell modellezni, beleértve a forrást, a geometriát, a measurement tartományt és az adatfeldolgozást.

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

TévhitMetrológiai 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.
Optikai mesterkurzus

Folytasd a learning pathat

Optikai akadémia →
Alapozó–haladó szint18 perc olvasás8 fejezet