2. fejezet - Radiometria – fotometria

Tartalom
2.1. A radiometria és a fotometria jelölésrendszere
2.2. Optikai sugárzás
2.3. A térszög
2.4. Radiometriai és fotometriai mennyiségek és egységek
2.5. A távolságtörvény
2.6. A Lambert-féle koszinusztörvény
2.7. Fotometriai és radiometriai mennyiségek mérése
2.8. A vizuális fotometria
2.9. Objektív fotometria
2.10. A hőhatás elvén működő sugárzásmérés
2.11. Sugárzásmérés a fényelektromos hatás elvén
2.12. A fotográfiai hatáson alapuló sugárzásmérés
2.13. Denzitometrálás
2.13.1. Denzitásmérés gyakorlata
2.13.2. A denzitásmérés során alkalmazott fényforrások
2.13.3. A volfrámlámpa
2.13.4. A halogénlámpa
2.13.5. A geometriai viszonyok denzitásmérés során
2.13.6. Szabványos mérési eljárások
2.14. Izokromatikus, és heterokromatikus fotometrálás
2.15. Ellenőrző kérdések
Felhasznált irodalom

Az emberi szem által érzékelhető fényhatások elsősorban onnan származtathatók, hogy az elektromágneses sugárzás a szemben fényérzetet kelt [2.2.] . Bizonyított tény, hogy a fény transzverzális elektromágneses hullám, melynek frekvenciája a meghatározható és energiajellegű, azaz energia hatására keletkezik és azzá alakul át. A fény csoportosítása általában:

alapján történik

A frekvencia alapján történő csoportosításkor megkülönböztetjük:

A láthatóság alapján a sugárzásokat a következő csoportokba soroljuk:

Vizuálisan érzékelhetetlen sugárzás, mely természetesen elektromágneses sugárzás. Ide tartozik az infravörös sugárzás [2.19.] , amely 780 nm-nél nagyobb hullámhosszúságú monokromatikus sugarakból áll, tehát a látható sugárzásnál kisebb a frekvenciája; és az ultraibolya sugárzás, amelynek hullámhossza kb. 380 nm-nél kisebb, tehát nagyobb a frekvenciája mint a látható sugárzásé.

A vizuálisan érzékelhető sugárzás látásérzetet hoz létre a szemben,

Az emberi látórendszer

2.1. A radiometria és a fotometria jelölésrendszere

λ

hullámhossz

[nm]

φ,ν,ε

szög

[rad]

Ω

térszög

[sd]

S

felület

[m 2 ]

R

sugár

[m]

W e

sugárzási energia

[Ws]

W v

fényenergia

[lm s]

Φ e

sugárzási teljesítmény

[W]

Φ v

fényáram

[lm]

L e

sugársűrűség

[W m -2 sr -1 ]

L v

fénysűrűség

[lm m -2 sr -1 ]

E v

megvilágítás

[lm m -2 ]

I e

sugárerősség

[W sr -1 ]

I v

fényerősség

[sd]

D

denzitás

 

τ

áteresztési tényező

 

P

visszaverési tényező

 

α

elnyelési tényező

 

2.2. Optikai sugárzás

A szem érzékenységi görbéi [2.4.]
2.1. ábra - A szem érzékenységi görbéi [2.4.]


A CIE fényerő észlelő egy olyan sugárzást érzékelő eszköz, amelynek relatív spektrális érzékenységi görbéje a V(λ) vagy V’(λ) láthatósági függvénnyel megegyezik, tehát az emberi szem spektrális érzékenységére vonatkoztatott fotometriai mennyiségek és a radiometriai mennyiségek között számszerűen kifejezhető összefüggések vannak [2.4.] . Tehát a radiometriai illetve a fotometriai mennyiségek között a kapcsolatot az emberi szem spektrális érzékenysége teremti meg.

Más szóval ez azt jelenti, ha a fényforrások által kisugárzott fényben megjelelő 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, tehát a fotometriában a fény energetikai jellemzőinek meghatározásakor tekintetben vesszük az emberi szem spektrális érzékenységét is, és a méréseket etalon fényforrásra vezetjük vissza [2.19.] .

2.3. A térszög

A geometria eszköztárában a szög fogalma két egymást metsző egyenes egymástól való elhajlását jelenti. E két egyenes metszéspontja körül behúzott egységnyi sugarú kör területén a két egyenes által kimetszett l hosszúságú ívdarabbal, azaz ívmértékkel magát a szöget jellemezzük [2.4.] . Nem egységnyi, hanem R sugarú kör esetén a szög

A térszög értelmezése
2.2. ábra - A térszög értelmezése


 

φ = l R [ r a d ]

 

Az SI-rendszer szerint tehát a síkszög egysége a radián.

Ha az előzőek analógiájára értelmezzük egy R sugarú gömbből kimetszett S felület és egy gömb sugara négyzetének arányát, akkor eljutunk a térszög fogalmához, melynek mértékegysége a szteradián.

 

Ω = S R 2 [ s r ] .

 

Egységnyi sugarú gömb esetén a lehetséges legnagyobb, az egész teret befogó térszög mértéke 4π szteradián.

2.4. Radiometriai és fotometriai mennyiségek és egységek

Tapasztalati tények alapján állítható, hogy a fénynyalábban energia áramlik, és ezen energia áramlásának irányát a fénysugarak iránya adja meg. A fényforrások által kisugárzott fény a látható összetevő mellett láthatatlan sugárzást is tartalmaz, így a teljes sugárzási energiának csak egy része a látható fény által szállított fényenergia [2.12.] .

A „fény” szót használják a látható tartományon kívül található optikai sugárzás megnevezésére is, azonban szigorú értelemben a fény a CIE fénymérő észlelő szerint súlyozott sugárzás.

Ha valamely főnyaláb adott metszetén dt idő alatt dW e sugárzási energia, illetve dW v fényenergia áramlik át, akkor a teljesítmény jellegű

 

Φ e = d W e d t

 

sugárzási teljesítményt (energiaáramot), illetve a

 

Φ v = d W v d t

 

fényáramot tudjuk definiálni.

A sugárzási teljesítmény mértékegysége a watt, a fényáramé a lumen.

A sugárerősség a sugárforrást elhagyó, az adott irányt tartalmazó térszögben terjedő e sugárzott teljesítmény és a térszög hányadosa:

 

I e = d Φ e d Ω .

 

Egysége a Wsr -1

Fotometriai értelemben ezzel analóg mennyiség a fényerősség, amely a fényforrást elhagyó, az adott irányt tartalmazó térszög hányadosa:

 

I v = d Φ v d Ω .

 

Egysége a candela = lumensr-1. A candela (cd) az SI-rendszer alapmértékegysége, és definíció szerint olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely 540⋅1012 Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki, és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 watt/szteradián, azaz a fekete sugárzó 1/600000 cm2–nyi felületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén, 101325 Pa nyomáson.

2.1. táblázat - Néhány fényforrás fényerőssége

Megnevezés

értéke [cd]

viaszgyertya

1

petróleumlámpa

35

100 W-os kriptonizzó

120

vetítőlámpa

1.500

Nagy fényerejű ívlámpa

9.000


A sugársűrűsség adott irányban az Ie sugárerősségnek és a dS felületelem látszólagos nagyságának, a dScosν vetületnek a hányadosa és mértékegysége Wm-2sr-1.

 

L e = I e d S cos υ .

 

A fénysűrűség, a fényforrás felületi fényessége vagy világossága adott irányban, az Iv fényerősségnek és a dS felületelem látszólagos nagyságának, a dScosϑ vetületének hányadosa,

 

L v = I v d S cos ϑ .

 

Mértékegysége a cdm -2 . Használatos még a stilb (sb) egység is, amely 1 cd/cm 2 , s ebben a gyertya fénysűrűsége kb. 1 sb, a Napé derűs időben kb. 105 sb.

2.2. táblázat - Fontosabb fényforrások fénysűrűsége

Fényforrás megnevezése

Fénysűrűség értéke

[cd/m2]

Éjszakai égbolt

8

Hold

0,2

Kék égbolt

1

Gyertyafény lángja

1

Matt búrájú izzólámpa

40

Napfény alkonyatkor

700

Napfény napközben

150 000

Xenon-gáztöltésű lámpa

80 000


A besugárzott teljesítmény a felület egy adott pontján az oda beeső e sugárzási teljesítmény és a felületelem dS területének a hányadosa

 

E e = d Φ e d S .

 

Egysége a Wm-2.

A megvilágítás a felület egy adott pontján az oda beeső e sugárzási teljesítmény és a felületelem dS területének a hányadosa

 

E v = d Φ v d S .

 

Egysége a lux = lmm-2.

2.3. táblázat - Fontosabb megvilágítás értékek

Megnevezés

Érték [lux]

Nyári napfény mellett

100 000

Téli napfény mellett

10 000

Telihold mellett

0,3

Holdfogyatkozáskor

0,0002


2.4. táblázat - Az emberi munkavégzéssel kapcsolatos megvilágítás szintjeinek jellegzetes értékei

Érték [lux]

Megnevezés

1500-2000

Nagyon erős megvilágítás

1000-1500

Erős megvilágítás

500-1000

Normál megvilágítás

200-500

Gyenge megvilágítás

50-200

Tájékozódó fény


2.5. táblázat - A fontosabb radiometriai és fotometriai mennyiségek [2.4.]


2.5. A távolságtörvény

Azt a fény- vagy sugárforrást, melynek méretei a forrás és az érzékelő közötti távolsághoz képest kicsik, pontszerű forrásnak nevezzük. Az ilyen források fényét a geometriai optika egyenesekkel, a fénysugarakkal jellemzi. A pontszerű fényforrás által keltett árnyékok kontúrvonala éles, kemény. Ilyen forrásnak tekinthető a Nap, az ívfény, a fény szóródását biztosító, bura nélküli izzó.

Pontszerű fényforrások alkalmazása esetén a fényforrás és a felület megvilágítási viszonyaira a távolságtörvény a jellemző, mely szerint pontszerű fényforrás esetén a fényforrás megvilágítása a felülettől való távolság négyzetével arányosa csökken.

 

E = E 0 R 2

 

2.6. A Lambert-féle koszinusztörvény

A pontszerű sugárzók kemény fényével ellentétben definiálhatók olyan források, melyek lágy fényt sugároznak. Az ilyen típusú sugárzást nevezzük szórt vagy diffúz fénynek. Tulajdonsága, hogy az árnyékhatás jelentéktelen. Nem érvényesek rá a pontszerű fényforrások törvényszerűségei. Az ideálisan diffúz felület az ún. Lambert-féle felület, amit a Lambert-féle koszinusztörvény jellemez. E törvény kimondja, hogy a visszaverő felület fényerőssége a felület normálisával bezárt szög koszinuszával arányos.

 

I v = I 0 cos ε .

 

Az ábra alapján könnyen belátható, hogy a fénysűrűség azért állandó bármely irányból tekintve, mert a csökkentett intenzitást egy szintén a szög koszinuszával arányosan csökkenőnek látszó felület sugároz ki.

A Lambert-féle koszinusztörvény [2.4.]
2.3. ábra - A Lambert-féle koszinusztörvény [2.4.]


2.7. Fotometriai és radiometriai mennyiségek mérése

A radiometriai és fotometriai  mérések célja a fény által transzportált energia, vagy a sugárzási teljesítmény számszerű kiértékelése. A sugárzásdetektorok három fő csoportra oszthatók, aszerint hogy működésük a fény melyik fizikai hatásán alapszik [2.17.] .

  • hőhatáson alapuló sugárzásmérők: ezek kalorikus módszert alkalmazó műszerek, termoelemek, bolométerek, hőcellák.

  • fényelektromos hatáson alapuló sugárzásmérés: ide tartoznak a fotocellák, fotomultiplikátorok, fényelemek, fotoellenállások, a pn átmenet eszközei.

  • fotográfiai hatáson alapuló sugárzásmérésnél a fényérzékeny nyersanyagban keletkező fotofizikai változás, azaz a denzitás mértéke jellemzi a sugárzási mennyiségeket.

A fotometria legfontosabb feladata különböző fotometriai mennyiségek: a fénysűrűség, a megvilágítás, a fényáram és a fényerősség mérése. Ha a mérést a szemünkkel végezzük, akkor vizuális vagy szubjektív fotometriáról, ha azonban valamilyen fényre érzékeny eszközzel, akkor fizikai vagy objektív fotometriáról beszélünk.

2.8. A vizuális fotometria

Az emberi szem a fényerősség mértékének abszolút meghatározására alkalmatlan, azonban két szomszédos felület fényerősségének összehasonlítását nagy biztonsággal tudja elvégezni. A vizuális fotométerek egy tipikus példája a Ritchie-féle fotométer. Egy derékszögű szimmetrikus gipszprizmát egyik oldalról egy ismert fényerősségű forrás világít meg adott távolságról. A prizma másik oldalán elhelyezkedő, ismeretlen fényerősségű forrásprizmától mért távolságát addig változtatjuk, míg a prizma két oldalát vizuálisan egyenlő világosnak nem találjuk. Ilyenkor a prizma éle gyakorlatilag láthatatlanná válik. Ha a források méreteikhez képest nagy távolságban helyezkednek el, akkor a távolságtörvény alapján az ismeretlen fényerősség meghatározható [2.4.] .

2.9. Objektív fotometria

Objektív fotometriáról akkor beszélünk, ha a szem helyett a sugárzásmérést egy érzékelő mérő-eszközre bízzuk, és az általa szolgáltatott jelet értékeljük. Mivel ezek az érzékelő eszközök az elektromágneses spektrum látható, infravörös és ultraibolya részében is érzékenyek, ezért itt fotometria helyett optikai sugárzásmérésről beszélhetünk. A sugárzásmérő eszközök (detektorok) a fizikai működés szempontjából három fő csoportra oszthatók – hő, fényelektromos és fotográfiai hatáson alapulókra.

2.10. A hőhatás elvén működő sugárzásmérés

Ha a sugárzás időben állandó és kellően intenzív, akkor teljesülnek a kalorimetrikus sugárzásmérési módszer feltételei. A termoelemes sugárzásmérés esetén a termoelem forrasztási pontjára ható sugárzás eredményeként keletkező termofeszültség – mely galvanométerrel mérhető – arányos a sugárzási teljesítménnyel.

A termoelem helyett elterjedtebben alkalmazzák a termooszlopokat. A termooszlop tulajdonképpen több, sorba kapcsolt termoelem, így a termoelemeken megjelenő feszültségek összege mérhető.

Egy fekete fémlapba termoelemes hőmérő illetve elektromos izzítást lehetővé tevő izzószál van beépítve. A fekete fémlap a ráeső sugárzás hatására melegedni kezd. Adott idő után a sugárzás hatására felvett, illetve a hő veszteség által leadott hő egyensúlyba kerül, a fémlap állandó hőmérsékletet vesz fel. A mérendő sugárzás kiiktatása után a fémlapot a benne elhelyezett fűtőszál segítségével az egyensúlyi hőmérsékletre hevítjük fel. A bevezetett elektromos teljesítmény egyenlő a felvett sugárzási teljesítménnyel. Így a fűtőszálba bevezetett elektromos áram erősségéből, illetve a feszültségből meghatározható a sugárzási teljesítmény abszolút mértéke. A platina- vagy félvezetőlemezkék, melyek a sugárzás hatására létrejövő felmelegedés miatt megváltoztatják vezetőképességüket a bolométeres sugárzásmérést teszik lehetővé [2.20.] .

Mivel a bolométerek a mérőáramkörökben mint ellenállások működnek, külön figyelmet kell szentelni a feszültség-áram-karakterisztikájuknak. A kis áramok tartományában a jelleggörbéjük közel lineáris, közel ohmos terhelést képviselnek. Az áram növekedésével azonban a keletkező hő visszahat az elemre, fokozatosan eltér a lineáris karakterisztikától, majd egy maximumérték után az áram növekedését csökkenő feszültség kíséri, ezt negatív ellenállású tartománynak nevezzük. A bolométereket mérési célokra általában a lineáris tartományban használják. Az érzékelő lemezeket kiegyenlíthető hídba kapcsolva alkalmazzák. A gyakorlatban három fő típusukat különböztetik meg, a fém bolométereket, a félvezető bolométereket, illetve a szupravezető bolométereket.

A Golay-cella alkalmazása esetén, a sugárzás hatására felmelegedő cella a hőjét a gáznak átadva, közvetve a gáz hőtágulása révén membrán deformációt hoz létre, mely mérhető. A Golay-cellák a legérzékenyebb sugárzásdetektorok közé tartoznak.

Gyakran nevezik pneumatikus sugárzásdetektornak, mivel a gázhőmérővel azonos elven működik. A gyakorlatban a Golay-detektorok egy kis hővezető-képességű, gázzal töltött cellából állnak. A cella egyik oldalán egy alkalmasan megválasztott abszorpciójú filmréteg van, a túloldalán pedig az ún. membrántükör helyezkedik el. A cellában elhelyezett gáz a sugárzás hatására megváltoztatja térfogatát, és a tükröt elmozdítja. A detektor részét képezi egy optikai rendszer is. A fényforrásból kilépő fényt egy kondenzor egy rácson keresztül a tükörre juttatja. A rács és a tükör között elhelyezkedő optika a fényt úgy fókuszálja, hogy a rács egyik felének a képe fedje a másik felének a képét, ha nincs membrábdeformáció. A deformáció bekövetkezte után a rács elmozdul, ez a kondenzátor túloldalán fényváltozást eredményez.

2.11. Sugárzásmérés a fényelektromos hatás elvén

A fényelektromos hatás elvén működő sugárzásmérők alapeszközei a fényelemek, a fotoellenállások, fotodiódák és a fotocellák. A fényelemek tulajdonképpen pn-n átmenetet tartalmazó fotodetektorok. A megvilágított pn-n átmenet áramforrásként szerepel, energiáját a gerjesztett töltéshordozópárok szétválasztásából és felhalmozódásából kapja. A fotoellenállás működésének alapja az, hogy a sugárzás hatására többlet-töltéshordozók keletkeznek, amelyek hatással vannak a kristály vezetőképességére. A CdS, illetve a CdSe fotoellenállások nagy előnye, hogy érzékenységi görbéjük nagyon jól megközelíti a szem érzékenységi görbéjét. Emellett azonban rendelkeznek hátrányos tulajdonságokkal is. Ezek közé tartozik a nagy időállandó és az úgynevezett drift.

A fotodiódák és a fényelemek szerkezeti kialakításukat tekintve szinte megegyezők. Alapvető különbség az üzemeltetés módjában van. A zárófeszütséges, fotodióda üzemmódban a pn-n átmenet ellenállása nagy lesz. Ebben az esetben mérhető a megvilágítás hatására fellépő fotoáram. A fotodióda-üzemre a viszonylag gyors működés a jellemző. A gáztöltésű fotocellákat szintén széles körben alkalmazzák sugárzásmérésre. A fotoáram arányos a katódra eső sugárzás teljesítményével. Az egyszerű fotocella helyett a gyakorlatban úgynevezett elektronsokszorozó fotocellákat alkalmaznak. A mérendő sugárzás hatására a katódból kilépő elektronok a pozitív feszültségű elektródból másodlagos elektronokat váltanak ki. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy az elektromos válaszjel elcsúszik a megvilágítás intenzitásának függvényében, illetve annak függvényében, hogy a cella a mérést megelőzően mennyi ideig volt megvilágítva. Ha ezt több fokozaton keresztül végezzük, akkor az anódra jutó elektronok száma elérheti az elsődlegesek számának 108 szorosát is.

2.12. A fotográfiai hatáson alapuló sugárzásmérés

A fotográfiai hatáson alapuló sugárzásmérés alapgondolata az, hogy egy fotográfiai réteg expozíciója és az előhívott kép optikai denzitása között jól definiálható összefüggés van. Az expozíció a megvilágítás és az expozíciós idő szorzata [2.16.] .

Ha egy optikai közegre fényt bocsátunk, annak egy része a közegen áthatol, egy másik része elnyelődik, a maradék pedig visszaverődik. Ennek megfelelően értelmezni tudunk egy transzmissziós vagy áteresztési tényezőt, amely az áteresztett és a beeső sugárzott teljesítmények vagy fényáramok aránya. Ebből származtatott mennyiség a denzitás vagy feketeség, amely az áteresztési tényező reciprok értékének 10-es alapú logaritmusa.

Az áteresztési, visszaverési és elnyelési tényező értelmezése
2.4. ábra - Az áteresztési, visszaverési és elnyelési tényező értelmezése


 

α + τ + ρ = 1

 
 

D = lg 1 τ

 

τ az áteresztési tényező.

A fotográfiai réteg jelleggörbéje [2.4.]
2.5. ábra - A fotográfiai réteg jelleggörbéje [2.4.]


A jelleggörbe függőleges tengelyén az optikai denzitás látható, míg a vízszintes tengelyen az expozíció logaritmusa. A görbén rendre a következő szakaszok különböztethetők meg. Az alapfátyol a nyersanyagon az elérhető legkisebb denzitást jelöli. A lineáris szakasz alatt található az alsó könyök, felette pedig a felső könyök. A felső könyök után a görbe eléri a maximumát, ami azt a denzitást jelöli, amely a nyersanyaggal maximálisan elérhető. Innen az expozíció növelésével a denzitás csökken, ez a szolarizáció szakasza. A görbének egy jellemző paramétere a lineáris szakasz meredeksége, a gamma-érték. Egy ezüsthalogén alapú fekete-fehér nyersanyag kidolgozása a hívásból és a rögzítésből áll. Ha exponált és kidolgozott fotografikus nyersanyag egy adott pontjára fénynyalábot bocsátunk, megmérjük a bebocsátott illetve az áteresztett fényáramokat, ezekből kiszámíthatjuk a denzitást. Mivel a nyersanyag feketedése számos tényezőtől függ, ezért abszolút intenzitásmérésre nem alkalmas, azonban ha két azonos fénynyaláb ugyanazon a fotográfiai nyersanyagon, azonos expozíciós idők mellett azonos feketedést eredményez, akkor a két nyaláb intenzitása azonos.

2.13. Denzitometrálás

A denzitométerek segítségével lehet az áteresztési tényezőt, illetve a denzitást meghatározni. A gyakorlatban alkalmazott denzitométerek működési elv szempontjából két csoportba oszthatók. A közvetlen leolvasásúak esetében a vizsgálandó lemezen áthaladó fény az elektromos érzékelő jelét megváltoztatja, s így a változást közvetlenül leolvashatjuk. Az összehasonlító elven működők kétsugaras berendezésekben a mérendő és az összehasonlító fényáram összehasonlításából lehet következtetni az ismeretlen minta denzitására [2.16.] .

2.13.1. Denzitásmérés gyakorlata

Denzitometráláskor az eredményül kapott mérési eredmény nagymértékben függ a mérőműszer fényérzékelője és a mérendő közeg közötti távolságtól, azaz az érzékelőbe érkező fénynek a mérés normálisával bezárt szögétől. Megállapítható, hogy a legkisebb denzitásérték akkor mérhető, ha a rétegből kilépő összes szórt fény az érzékelőbe jut, azaz a nyílásszög kilencven fok; a denzitásérték akkor a legnagyobb, ha a rétegre merőlegesen beeső fénysugárnak csupán merőleges komponensét mérjük. Az első esetben diffúz denzitásról, a második esetben spekuláris denzitásról [2.16.] beszélünk. A két szélsőséges mérőfényben mért denzitás arányát Q-val jelöli:

 

Q = s p e k u l á r i s d e n z i t á s d i f f ú z d e n z i t á s 1

 

A Q-t Callier-koeffciensnek nevezik, függ a mérőfény hullámhosszától is, mert a rövid hullámhosszúságú fény erősebben szóródik, mint a hosszú hullámú.

2.13.2. A denzitásmérés során alkalmazott fényforrások

A denzitometriai berendezések belső fényforrásai kell, hogy illeszkedjenek a vizsgálatokhoz. Elvárható, hogy a fényforrások által biztosított megvilágítás jól mérhető és reprodukálható legyen. Ez azt jelenti, hogy a fényforrás fényereje és a fényárama időben állandó. Ismert kell legyen a fényforrás által kibocsátott sugárzás spektrális energiaeloszlása is; nem megfelelő spektrális összetétel esetén, szűrők útján történő korrekcióra van szükség. Fényforrásként általában  volfrámszálas izzólámpát használnak.

2.13.3. A volfrámlámpa

A denzitometriai célra használt fényforrásnak időben nagyon stabilan kell izzania. Kedvező tulajdonsága, hogy könnyen kalibrálható, pontosan szabályozható és jól kezelhető, 2360 K eloszlási hőmérsékleten sugároz.

2.13.4. A halogénlámpa

A denzitásmérés során alkalmazott fényforrások között elterjedten használják a halogén izzólámpákat is. Előnyei a hagyományos izzólámpákkal szemben, hogy viszonyítva kisebb méretűek, sokkal jobb fényhasznosításuk, magasabb a színhőmérsékletük és a teljes élettartam során közel azonos fényáramot biztosítanak [2.16.] . A halogén lámpában a töltőgáz megakadályozza az elpárolgó wolfram kicsapódását a bura belső felületén. Ilyenkor a wolfram és a halogén vegyületet alkot, mely a nagy hőmérsékletű környezetben bomlik atomokra, így a wolfram ismét visszakerül az izzószálra, a halogén pedig felszabadulva folytatja a körfolyamatot. A halogén izzók spektrális tulajdonságai hasonlítanak az izzólámpákéhoz, a feszültségesés színhőmérséklet-esést eredményez. Fényhasznosításuk 35 lm . W-1 körüli.

2.13.5. A geometriai viszonyok denzitásmérés során

A méréstechnikai gyakorlatban a vizsgálandó réteget kis nyílásszöggel világítják meg, és a közel merőlegesen kilépő fényt hasznosítják a mérésre. Ilyenkor ugyanis a spekuláris denzitás értéke alapvetően a kilépő fénysugár nyílásszögétől függ. Ritkább az a módszer, amikor a tárgyat diffúz, vagy közel párhuzamos fénnyel világítják meg, és minden kilépő fényt detektálnak [2.16.] .

2.13.6. Szabványos mérési eljárások

A diffúz fény előállítására Ulbricht-féle integrálógömböt használnak, aminek belső felülete erősen fényszóró, nagy visszaverő képességű festékkel van bevonva. Legfontosabb jellemzője, hogy ha a gömb belső felületét megvilágítják, akkor a gömb belső felülete minden pontjának a fénysűrűsége a sokszoros fényvisszaverődés sorozat következtében ugyanakkora, és az iránytól függetlenül arányos a gömbbe eső fényárammal [2.16.] . Ilyenkor fontos, hogy

  • a diffúz mérőfény egyenletesen essék a test felületére, és az onnan merőlegesen kilépő sugarak vesznek részt a mérésben.

  • a test és a mérőberendezés mérőfelülete közötti reflexió kicsi legyen,

  • a zavaró melléksugárzások csak elhanyagolható hatásúak lehetnek.

2.14. Izokromatikus, és heterokromatikus fotometrálás

Logikusnak tűnik, hogy a fotometriai mennyiségek tárgyalásánál azok mérésénél a fénynek az emberi szemre gyakorolt hatását vegyük alapul. Ennek azonban az a hátránya, hogy szemmel a fotometriai mennyiségeket nem tudjuk számszerűen meghatározni, mivel a szembe jutó fényáram és a detektált fényérzet nem arányos egymással. Amellett, hogy a fényérzetet még számtalan fizikai és szubjektív paramétertől függ, probléma az is, hogy a növekvő fényárammal szem érzékenysége jelentősen csökken. Kihasználható előny viszont, hogy az emberi szem nagy biztonsággal tudja meg különböztetni a megvilágításbeli különbségeket, melyekre igen érzékeny. Két azonos tulajdonságú felület azonos színű megvilágítása mellett, az ember szemmel történő megfigyeléssel képes eldönteni a megvilágítások bizonyos határon belüli egyezőségét. Ez az izokromatikus fotometria alapgondolata, és a fent leírtaknak megfelelően, úgynevezett kiegyenlítő mérési módszerek alkalmazását teszi lehetővé [2.18.] . Az eltérő szerkezeti és elvi kialakítású izokromatikus fotométerekben ezen kiegyenlítés történhet polarizációs szűrőpárokkal, fényhatároló rekeszekkel, forgótárcsákkal, szürke ékekkel, de lehetséges pusztán a távolságtörvény megfelelő alkalmazásával is. Ebben az esetben merőleges beesésnél az a távolságra levő I 1 fényerősségű és az b távolságra elhelyezett I 2 fényerősségű fényforrások akkor eredményeznek egyenlő megvilágítást, ha

 

I 1 a 2 = I 2 b 2 .

 

Ismerve az egyik fényerősséget és a hozzá tartozó távolságot, a másik távolság megfelelő változtatásával a keresett fényerősség meghatározható.

Probléma léphet föl két különböző színű fény összehasonlításakor, mivel az izokromatikus fotometria módszerei csak nagyon kis mértékű színkülönbség esetében alkalmazhatók [2.18.] . Ilyenkor válik szükségessé a heterokromatikus fotométerek alkalmazása, mint amilyen például a gyakran alkalmazott, és széles körben elterjedt villogásos fotométer. Alkalmazása során egy felületet felváltva világítanak meg két különböző színű, és erősségű fénnyel, amit a szem érzékel. A szemet érő fény villogtatásának frekvenciájának növelésével egy keverékszín válik érzékelhetővé. Az egyik fényforrás fényáramát addig szabályozzák, míg a fényvillogás meg nem szűnik, ilyenkor a megvilágítások értékei azonosak.

2.15. Ellenőrző kérdések

  1. Mit nevezünk optikai sugárzásnak?

  2. Az egységsugarú gömb segítségével hogyan értelmezzük a térszöget?

  3. Definiálja a fénysűrűséget és a megvilágítást!

  4. Ismertesse az áteresztési, visszaverési és elnyelési tényező kapcsolatát! Magyarázza meg a denzitás fogalmát!

  5. Pontszerű fényforrások alkalmazása esetén a fényforrás és a felület megvilágítási viszonyaira a távolságtörvény a jellemző, mely szerint pontszerű fényforrás esetén a fényforrás megvilágítása a felülettől való távolság négyzetével arányosa csökken. Hol van ennek jelentősége?

  6. Az ideálisan diffúz felületet az úgynevezett Lambert-féle felület, amit a Lambert-féle koszinusztörvény jellemez. E törvény kimondja, hogy a visszaverő felület fényerőssége a felület normálisával bezárt szög koszinuszával arányos. Érvényesek rá a pontszerű fényforrások törvényszerűségei?

  7. A sugárzásdetektorok három fő csoportra oszthatók, aszerint hogy működésük a fény melyik fizikai hatásán alapszik. Sorolja fel ezeket a fizikai elveket!

  8. Mi az alapja a fotográfiai hatáson alapuló sugárzásmérésnek?

  9. Egy ezüsthalogén alapú fekete-fehér nyersanyag karakterisztikája számos jól elkülöníthető szakaszt tartalmaz. Melyek ezek, és milyen fizikai mennyiségek találhatók a koordinátatengelyeken?

  10. Milyen esetben beszélhetünk diffúz denzitásról, illetve spekuláris denzitásról? Mondjon példákat!

  11. Ismertesse a halogén lámpában lejátszódó folyamatokat. Mi a szerepe a halogén vegyületnek? Mit tud a halogén izzók spektrális tulajdonságairól, a feszültség és a színhőmérséklet közötti kapcsolatról?

  12. Az Ulbricht-féle gömb legfontosabb jellemzője, hogy ha a gömb belső felületét megvilágítják, akkor a gömb belső felülete minden pontjának a fénysűrűsége a sokszoros fényvisszaverődés sorozat következtében ugyanakkora, és az iránytól függetlenül arányos a gömbbe eső fényárammal. Milyen fotometriai mennyiségek mérésére használhat az Ulbricht-féle gömb?

  13. Magyarázza el a különbséget az izokromatikus, és heterokromatikus fotometrálás között!

  14. Mit jelent az, hogy neutrális szürke ék?

  15. Hasonlítsa össze a radiometriai és a fotometriai mennyiségeket!

Felhasznált irodalom

[2.1.] Szilágyi, Gábor. A hőmérsékleti skála megvalósítása optikai pirométerrel az 1000 ºC…3000 ºC tartományban. Mérés és automatika. 34.évf.. 48-52. o.. 1986.

[2.2.] Antal, Ákos, Kály-Kullai, Kristóf, és Farkas, Henrik. A napsugárzás spektruma és az emberi szem érzékenysége. Fizikai Szemle. 2005 / 6.. 199-203.o..

[2.3.] Nussbaum, A. és Phillips, R.. Modern optika mérnököknek és kutatóknak. Műszaki Könyvkiadó. Budapest . 1982.

[2.4.] Jenkins, F. és et al.. Optika. Panem-McGraw-Hill. Budapest . 1997.

[2.5.] Cserepes, L. és Petrovai, K.. Kozmikus fizika. Egyetemi jegyzet, ELTE. Budapest . 2002.

[2.6.] Nagy, K.. Termodinamika és statisztikus mechanika. Tankönyvkiadó. Budapest . 1991.

[2.7.] Gróf. Gyula. Hőközlés. BME . Budapest. 1999.

[2.8.] Pivovonsky, M.. Tables of blackbody radiation. Macmillan. New York . 1961.

[2.9.] Klimov, A. N.. Telesistemy dla izmerenia i kontrola ioniziruşih izlucsenij. Atomizdat. Moskva . 1978.

[2.10.] Stimson, A.. Photometry and radiometry for engineers. Wiley-Intersc.. New York . 1974.

[2.11.] Steiner, Ferenc és Várhegyi, András. Radiometria. Tankvk.. Budapest . 1991.

[2.12.] Budó, Á. és Mátrai, T.. Kísérleti fizika. Nemzeti Tankvk.. Budapest . 3. köt. 1999.

[2.13.] Pacher, P.. Optika, Nyitott rendszerű képzés - távoktatás - oktatási segédlet. LSI Oktatóközpont. Budapest . 1992.

[2.14.] Born, M. és Wolf, E.. Principles of optics. Cambridge University Press. Cambridge . 1997.

[2.15.] Planck, M.. Einführung in die Theorie der Wärme. Hirzel. Leipzig . 1930.

[2.16.] Hefelle, J. és Gloetzer, L.. Megvilágításmérés, szenzitometria. Műszaki Kvk.. Budapest . 1978.

[2.17.] Fülöp, Z.. Hőtechnikai alapmérések. Tankvk.. Budapest . 1979.

[2.18.] Karácsony, J.. Optika. Editura Ábel. 2008. ISBN 9789731140728.

[2.19.] MSZ 6240.

[2.20.] Szentiday, Klára. Félvezető fotodetektorok. Műszaki Könyvkiadó. Budapest . 1977.