Fotometria 

Fotometria on optiikan ala, joka käsittelee valon mittaamista ja analysoimista. Fotometriset mittaukset voidaan tehdä erilaisilla laitteilla, kuten valospektrofotometreillä, valonvoimakkuusmittareilla ja värilämpötilamittareilla. Tässä oppaassa käsitellään fotometrian perusteita ja annetaan vinkkejä fotometristen mittauksien tekemiseen.

Fotometrian perusteet

Fotometriassa käytetään useita keskeisiä suureita, kuten:

Valovirta (lumen, lm): Kuvaa valon kokonaismäärää, jonka valonlähde tuottaa.

Valaistusvoimakkuus (kandela, cd): Kuvaa valonlähdestä tietyssä suunnassa säteilevän valon voimakkuutta.

Valaistus (luksi, lx): Kuvaa valaistuksen voimakkuutta pinnalla ja on valovirran ja pinta-alan suhde.

Fotometriset laitteet

Fotometristen mittauksien tekemiseen on olemassa erilaisia laitteita, kuten:

Valospektrofotometri

Mittaa valon spektrin, eli sen eri aallonpituuksilla olevien säteilykomponenttien voimakkuuden.

Valonvoimakkuusmittari (lux-mittari)

Mittaa valaistuksen voimakkuutta pinnalla.

Värilämpötilamittari

Mittaa valonlähteen värilämpötilan, joka kuvaa sen sävyn vertaamalla sitä mustan kappaleen säteilyyn.

Fotometristen mittausten suunnittelu

Ennen fotometristen mittausten tekemistä on tärkeää suunnitella mittaukset huolellisesti:

Valitse sopiva mittalaite: Valitse laite, joka sopii parhaiten tarpeisiisi ja mittauskohteeseesi.

Varmista kalibrointi: Varmista, että mittalaite on kalibroitu ja tarkista sen kalibrointitodistus tarvittaessa.

Ota huomioon ympäristötekijät: Huomioi mittauksissa ympäristötekijät, kuten valaistusolosuhteet, lämpötila ja kosteus.

Fotometristen mittausten tekeminen

Kun olet valinnut sopivan mittalaitteen ja suunnitellut mittaukset, voit aloittaa fotometristen mittausten tekemisen:

Aseta mittalaite oikein: Aseta mittalaite siten, että se on suunnattu kohti valonlähdettä tai mittausta varten tarkoitettua pintaa.

Tee useita mittauksia: Tee useita mittauksia eri kohdissa ja eri aikaan päivästä saadaksessi tarkempaa kuvaa valaistusolosuhteista ja vähentääksesi satunnaisten virheiden vaikutusta.

Fotometristen mittausten analysointi

Kun olet suorittanut fotometriset mittaukset, analysoi tulokset seuraavasti:

Vertaa tuloksia standardiarvoihin: Vertaa mittaustuloksia esimerkiksi valaistusstandardien, kuten IESNA (Illuminating Engineering Society of North America) tai CIE (International Commission on Illumination), suosituksiin.

Analysoi valaistuksen tasaisuus: Arvioi valaistuksen tasaisuus eri mittauspisteissä ja määritä mahdolliset alueet, joilla valaistus on riittämätön tai liiallinen.

Tarkastele valon spektriä: Analysoi valospektrofotometrillä saatuja tuloksia valon spektrin suhteen ja arvioi valonlähteen värintoistokyky.

Fotometristen mittausten soveltaminen

Fotometristen mittausten tuloksia voidaan käyttää monin tavoin, kuten:

Valaistuksen suunnittelun parantaminen

Käytä mittaustuloksia valaistuksen suunnittelun parantamiseen esimerkiksi lisäämällä tai vähentämällä valonlähteiden määrää, muuttamalla valaisimien sijoittelua tai valitsemalla erilaisia valonlähteitä.

Energiansäästö

Analysoi valaistuksen energiankulutusta ja etsi mahdollisuuksia energiansäästöön esimerkiksi käyttämällä energiatehokkaampia valonlähteitä tai älykkäitä valaistuksenohjausjärjestelmiä.

Työskentelyolosuhteiden parantaminen

Käytä mittaustuloksia työskentelyolosuhteiden parantamiseen valitsemalla oikeanlaiset valonlähteet ja valaistusolosuhteet erilaisiin tiloihin ja tehtäviin.

Fotometria on tärkeä osa valaistuksen suunnittelua ja valvonnan monilla eri aloilla, kuten arkkitehtuurissa, teollisuudessa, taiteessa ja tieteessä. Fotometristen mittausten avulla voidaan parantaa valaistusolosuhteita, lisätä energiatehokkuutta ja edistää kestävää kehitystä.

Fotometrian laskukaavat

Valovirta (Φ, lumen, lm)

Valovirta kuvaa valonlähteen tuottaman valon kokonaismäärän. Valovirran ja valaistusvoimakkuuden välillä on suhde, joka voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla:

Φ = I × Ω

Φ = valovirta (lumen, lm)

I = valaistusvoimakkuus (kandela, cd)

Ω = valonlähteen ympärillä olevan pallonpuoliskon kiinteä kulma (steradiaani, sr)

Valaistus (E, luksi, lx)

Valaistus kuvaa valaistuksen voimakkuutta pinnalla. Valaistus on valovirran ja pinta-alan suhde:

E = Φ / A

E = valaistus (luksi, lx)

Φ = valovirta (lumen, lm)

A = pinta-ala (neliömetri, m²)

Valaistusvoimakkuus (I, kandela, cd)

Valaistusvoimakkuus kuvaa valonlähteen tietyssä suunnassa säteilevän valon voimakkuutta. Lambertin kosinilain mukaan valaistusvoimakkuus voidaan laskea seuraavasti:

I = E × d² × cos(θ)

I = valaistusvoimakkuus (kandela, cd)

E = valaistus (luksi, lx)

d = etäisyys valonlähteestä pintaan (metri, m)

θ = kulma valonlähteen ja pinnan normaalin välillä (aste tai radiaani)

Luminanssi (L, nit, cd/m²)

Luminanssi kuvaa valaistuksen voimakkuutta tietyssä suunnassa pinnalta. Luminanssi voidaan laskea seuraavasti:

L = I / (π × A)

L = luminanssi (nit, cd/m²)

I = valaistusvoimakkuus (kandela, cd)

π = 3.14159 (piin likiarvo)

A = pinta-ala (neliömetri, m²)

Valotehokkuus (η, lm/W)

Valotehokkuus on valonlähteen tai valaisimen tuottaman valovirran ja kulutetun sähkötehon suhde. Se voidaan laskea seuraavasti:

η = Φ / P

η = valotehokkuus (lumen/watti, lm/W)

Φ = valovirta (lumen, lm)

P = sähköteho (watti, W)

Väri-indeksi (CRI, Ra)

Väri-indeksi (Color Rendering Index, CRI) on numeerinen arvo, joka kuvaa valonlähteen värintoistokykyä verrattuna ideaaliseen valonlähteeseen, kuten auringonvaloon tai mustan kappaleen säteilyyn. CRI-arvo vaihtelee välillä 0-100, jossa 100 tarkoittaa parasta mahdollista värintoistokykyä.

CRI-arvon laskeminen perustuu eri värejä edustavien testivärien värierojen vertailuun. Tämä laskenta vaatii monimutkaisempia menetelmiä, eikä sitä yleensä tehdä yksinkertaisilla kaavoilla.

Värilämpötila (CCT, K)

Värilämpötila (Correlated Color Temperature, CCT) on valonlähteen spektrin vertaaminen mustan kappaleen säteilyyn. Värilämpötila ilmaistaan Kelvineinä (K). Värilämpötilan laskeminen edellyttää valonlähteen spektrin mittaamista ja vertaamista mustan kappaleen säteilykäyrään.

Yksi tapa laskea värilämpötila on käyttää Planckin säteilylakia ja Wienin siirtymälakia, mutta tämä menetelmä ei ole yksinkertainen laskukaava, vaan vaatii erilaisten parametrien määrittämistä ja vertailua.

Värikoordinaatit (CIE 1931 xyY, CIE 1976 u'v')

Värikoordinaatit kuvastavat valon värin sijaintia kromaattisuusdiagrammissa. Ne perustuvat kansainvälisen valaistuskomission (CIE) värinäkömalliin. Yleisesti käytettyjä värin koordinaatteja ovat CIE 1931 xyY ja CIE 1976 u'v'. Värikoordinaattien määrittäminen edellyttää valon spektrin mittaamista ja normalisoimista.

Spektrin tehokkuus (S/P -suhde)

S/P-suhde (scotopic/photopic ratio) on valonlähteen skotooppisen (pimeässä toimivan näön) ja fotopisen (valoisassa toimivan näön) valovirran suhde. Tämä suhde auttaa arvioimaan valonlähteen tehokkuutta eri valaistusolosuhteissa. Laskeminen edellyttää valonlähteen spektrin mittaamista ja analysointia sekä skotooppisen ja fotopisen valovirran vertailua.

S/P = Φ_skot / Φ_fot

S/P = S/P-suhde

Φ_skot = skotooppinen valovirta (lumen, lm)

Φ_fot = fotopinen valovirta (lumen, lm)

Spektrin värikylläisyys (saturation)

Värikylläisyys kuvaa värin intensiteettiä ja puhtautta. Värikylläisyyden arvioimiseksi voidaan käyttää CIE-värinäkömallin parametreja, kuten kromaattisuuskoordinaatteja (esim. CIE xyY, CIE u'v') tai muita värivertailumenetelmiä.

Yleensä värikylläisyyden laskeminen edellyttää valon spektrin mittaamista ja vertailua vakioreferenssisävyihin tai värinäkömallien parametreihin.