Fotometria

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

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

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), Országos Mérésügyi Hivatal (Lukács Gyula).

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 és radiometria

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 radiometria a teljes elektromágneses spektrum vizsgálatára és mérésére vonatkozik; a fotometria ennek csak arra a kis részére, amelyet az emberi látószerv érzékelni képes. Ezért nem tartoznak a fotometria fogalmába azok a frekvenciatartományok, amelyeket más élőlények képesek érzékelni (például a rovarok az ibolyántúli és infravörös sugárzást észlelik, az ember viszont nem).

A szem és a fotometria

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 ${\displaystyle {\frac {\mbox{cd}}{{\mbox{m}}^{2}}}}$ fénysűrűség felett jó fényviszonyokról beszélünk. 0,1 cd/m^2 alatt szkotpikus látásunk van (sötétben látás), fölötte mezopikus látás.

Fotometriai mennyiségek és mértékegységek

Fényáram

Bővebben: Fényáram

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

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

Ahol:

• cd - kandela
• sr - szteradián (a térszög SI-mértékegysége)

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

Bővebben: Fényerősség

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.

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

Egy kandela annak a sugárforrásnak a fényerőssége, amelyet 540×10^12 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:

${\displaystyle \mathrm {1\ cd\ =\ 1,107\ HK} }$

${\displaystyle \mathrm {1\ HK\ =\ 0,903\ cd} }$

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

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

Megvilágítás

Lux mérő

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

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

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

${\displaystyle E={\frac {\phi }{A}}}$

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

Jellegzetes megvilágítási értékek

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

Fénysűrűség

Bővebben: Fénysűrűség

A fénysűrűség (L) az a fizikai mennyiség, 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:

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

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

A fotometria és a radiometria megkülönböztetéséhez lehetőséget ad a pirométerek elnevezése. Az összsugárzásmérő pirométer az elektromágneses spektrum bármely részének mérésére szolgál, ez gyakran a hősugárzás tartományát jelenti. A részsugárzás mérő pirométer a spektrum egy kis tartományának mérésére való, ez többnyire a látható fény tartományát jelenti.

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

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:

• Vákuum és gáztöltésű fotocella
• Fotoelektron-sokszorozó
• Fotodióda
• Fototranzisztor
• Termoelektromos detektor
• Bolométer
• Optikai pirométer
• Golay-cella
• CCD detektor

A szubjektív fotometria eszközei

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

Bővebben: fotometria a csillagászatban

• Égitestek fényességének mérése,
• Fotometrikus analizátor, vízszennyezettség mérése (ammónia)
• Anyagvizsgálat, spektroszkópia (színképelemzés), spektrofotometria
• Polarimetria, refraktometria, turbidimetria. Opacitás, transzmissziós és mélységi reflexiós fényszóródás mérése,[8][9] Spektrális fényszóródás mérése: Abbé-féle diszperziós szám mérése, tükröződés mérése[10]
• Színinger mérés

Irodalom

• 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

• http://goliat.eik.bme.hu/~antala/docs/radfot.pdf
• https://web.archive.org/web/20070808080816/http://biochem.szote.u-szeged.hu/edu/actual/hu/pdf/gyak-fotometria.pdf
• https://web.archive.org/web/20110829101917/http://www.scitech.mtesz.hu/26optika/index2.htm
• http://www.omikk.bme.hu/archivum/magyarok/htm/selenyirov.htm
• http://www.sasovits.hu/cnc/irodalom/Fenytan.pdf
• http://www.pnas.org/content/62/4/1018.full.pdf+html
• http://stjarnhimlen.se/comp/radfaq.html#10
• https://web.archive.org/web/20110531140238/http://webphysics.davidson.edu/faculty/jny/Optics/Burle%20Electro_Optics.pdf
• https://web.archive.org/web/20080915081229/http://www.optics.arizona.edu/Palmer/rpfaq/rpfaq.htm
• https://web.archive.org/web/20110707054658/http://www.resourcesmart.vic.gov.au/documents/lux_meter.pdf
• https://web.archive.org/web/20150421215644/http://vision.vein.hu/~schanda/VIRT-SJ/SJ-Kozl2008/A%20fotometria%20-Elektrotechn101-2008.pdf
• http://www.knt.vein.hu/staff/schandaj/SJCV-Publ-2005/536.pdf^[halott link]

Jegyzetek

1. Makai, János: CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION. cie.co.at, 2011. [2017. január 31-i dátummal az eredetiből archiválva]. (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^[halott link]
4. Archivált másolat. [2011. szeptember 21-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2011. szeptember 29.)
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. [2011. szeptember 17-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2011. október 9.)

• http://www.magnumarchive.com/c/edinburgh-encyclopedia-4/Peter-Bouguer.html^[halott link]