Namen te magistrske naloge je predvsem karakterizacija normalnega vira svetlobe za kalibracijo merilnika svetlosti. Normalni vir bo uporabljen kot vir za nadaljnje kalibracije merilnikov svetlosti v Laboratoriju za razsvetljavo in fotometrijo na Fakulteti za elektrotehniko.
Poleg opisa eksperimentalnega dela v laboratoriju, sem kot teoretični del te naloge vključila fizikalno ozadje o svetlobi, kako svetloba vpliva na človeško oko in na kakšne načine je možno meriti svetlobo. Razložen je tudi proces kalibracije merilnika svetlosti, njegova karakterizacija, predstavljeni pa so tudi različni tipi merilnikov.
Življenje ne bi bilo možno brez svetlobe. Dolgo časa je bilo Sonce edini vir svetlobe. Z napredkom družbe je potreba po svetlobi začela rasti in ljudje so želeli imeti dostop do svetlobe, neodvisno od Sonca. Danes obstajajo različni načini ustvarjanja svetlobe.
Meritev svetlobe lahko predstavlja izziv. Ker je svetloba elektromagnetno valovanje, to pomeni, da se lahko meri znotraj radiometrije, znanosti ki se ukvarja z elektromagnetnim valovanjem. Del elektromagnetnega spektra je optično sevanje, ki ga lahko razdelimo na tri dele: ultravijolična svetloba, vidna svetloba in infrardeča svetloba.
Za meritve v razsvetljavi ali meritve različnih displejev so pomembne fotometrične veličine. Fotometrija je znanost, ki se ukvarja z vidnim delom elektromagnetnega spektra oziroma s svetlobo, kakor jo doživlja človeško oko. Vidni del spektra imenujemo del elektromagnetnega spektra z valovnimi dolžinami od 380 nm do 780 nm. Človeško oko te valovne dolžine vidi kot barve.
Radiometrične veličine lahko predstavimo kot fotometrične s pomočjo krivulje relativne svetlobne učinkovitosti, ki se tudi imenuje krivulja spektralne občutljivosti človeškega očesa - V(λ). Krivulja je z raziskavami določena s strani Internationl commission of Illumination (CIE) leta 1924 in se do danes uporablja kot standard. Krivulja ima svoj maksimum pri valovni dolžini 555 nm, kar pomeni, da je človeško oko najbolj občutljivo pri tej valovni dolžini. Nanaša se na spektralno občutljivost čepnic in v bistvu predstavlja dnevni (fotopski) vid povprečnega človeka. Oko reagira malo drugače pri zmanjšani svetlobi in v tem primeru govorimo o nočnem (skotopskem) vidu. Poznamo še mezopski vid, ki se nanaša na vid med nočnim in dnevnim vidom.
Obstajajo štiri osnovne fotometrične veličine, ki jih dobimo iz radiometričnih veličin z upoštevanjem krivulje relativne spektralne občutljivosti: svetlobni tok ϕ, svetilnost I, osvetljenost E in svetlost L. Svetlost je veličina, s katero sem se ukvarjala v tej magistrski nalogi in je definirana kot svetlobni tok, ki ga točka na določeni površini oddaja v določeni prostorski kot pod določenim kotom. Enota za svetlost je kandela na kvadratni meter (cd/m2).
V Laboratoriju za razsvetljavo in fotometrijo na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani so izvajane meritve v namen karakterizacije normalnega vira in v tej nalogi so opisani postopki. Normalni vir je narejen v sferični obliki in znotraj je razporejenih 8 volframovih halogenskih žarnic. Žarnice imajo različne nazivne podatke, preizkusi so narejeni za vsako žarnico posebej. Opravljeni so bili trije preizkusi. Prvi preizkus je narejen s ciljem določanja barvne temperature normalnega vira. S pomočjo napetostnega vira sta tok in napetost nastavljena tako, da dobimo zahtevano barvno temperaturo za kalibracijo 2856 K. Poleg tega sem s pomočjo merilnika svetlosti izmerila svetlost v središču odprtine normalnega vira. Drugi preizkus je bil merjenje svetlosti s pomočjo merilnika za osvetljenost. Na podlagi meritev osvetljenosti je svetlost izračunana za vsako halogensko žarnico v odvisnosti od osvetljenosti, premera odprtine sfere normalnega vira, premera glave lux metra in razdalje med lux metrom in normalnim virom svetlobe. Na koncu sem hotela preveriti enakomernost svetlosti normalnega vira. Krožno odprtino na sferi (normalnem viru svetlobe) sem razdelila na 45 delov. Svetlost sem izmerila z merilnikom svetlosti, in sicer je izmerjenih 45 različnih točk za vsako žarnico. Potem sem izračunala povprečno vrednost svetlosti teh meritev. Da bi dobila bolj reprezentativne rezultate, sem izračunala tudi povprečno vrednost svetlosti 25 delov, ki so s celotno površino znotraj krožnice. Rezultati so pokazali, da svetlost ni enakomerna. V tabeli spodaj je podana primerjava meritve svetlosti narejene z merilnikom svetlosti, z lux metrom ter povprečne vrednosti svetlosti izračunane na podlagi meritev 45, oziroma 25 točk.
Tabela I: Primerjava izmerjene svetlosti z merilnikom svetlosti, z lux metrom in povprečne vrednosti svetlosti za 45 in 25 točk izmerjenih z merilnikom svetlosti
Žarnica Svetlost – merilnik svetlosti (cd/m2) Svetlost – lux meter (cd/m2) Svetlost
Lavg (cd/m2) Svetlost Lavg’ (cd/m2)
1 3941,00 3931,01 3891,38 3928,56
2 66,20 66,04 63,75 64,60
3 1410,00 1407,15 1385,31 1398,44
4 238,40 235,80 230,56 232,58
5 3949,00 3951,85 3890,53 3924,12
6 409,00 407,14 408,06 410,21
7 2731,00 2747,70 2707,24 2734,12
8 803,50 806,71 797,20 806,18
Ko sem obdelala vse meritve, sem naredila model merilne negotovosti. Obstaja več faktorjev, ki imajo vpliv na končno meritev, in jih upoštevamo tako, da jih predstavimo kot merilno negotovost. Model za merilno negotovost je narejen na podlagi formule za izračun svetlosti v odvisnosti od osvetljenosti. Torej, upoštevala sem merilno negotovost izmerjene osvetljenosti, merilno negotovost premera odprtine sfere normalnega vira, merilno negotovost premera glave lux metra in merilno negotovost razdalje med lux metrom in normalnim virom svetlobe. Poleg tega sem v model dodala še merilno negotovost zaradi nameščanja glave fotometra in normalnega vira, merilno negotovost zaradi vpliva stresane svetlobe in merilno negotovost, ki izhaja iz neenakomernosti svetlosti normalnega vira. Model merilne negotovosti je predstavljen z naslednjo formulo:
L=(d^2 (1+(2d_s)/d+(2d_ph)/d)+r_a^2+r_d^2 )E ((1-c_s ))/(r_a^2 π) c_u
(I)
kje je
L – svetlost;
d – razdalja med lux metrom in normalnim virom;
ds – odstopanje pri namestitvi normalnega vira;
dph – odstopanje pri namestitvi fotometrične glave;
ra – polmer krožne odprtine normalnega vira;
rd – polmer glave fotometra;
cs – faktor vpliva stresane svetlobe;
cu – faktor vpliva neenakomernosti svetlosti normalnega vira.
Glavni viri za izdelavo te naloge so bili CIE standard S 023 in NIST dokumenti. Poleg praktičnega dela, ki je opisan v tej nalogi, sem opisala tudi postopek kalibracije merilnika svetlosti na podlagi NIST dokumenta. Kalibracija se izvaja v certificiranem laboratoriju, ki mora izpolnjevati določene zahteve. Za kalibracijo se uporablja svetlobni vir, ki je pritrjen na fotometrično klop, skupaj s standardnim fotometrom. Fotometrična klop se namesti v temnici, da bi zmanjšali napake zaradi zunanje svetlobe. Da bi se izognili stresani svetlobi, lahko na fotometrično klop dodamo še zaslone pred fotometrom, ki so obarvani v črno. Dolžina klopi je med 3 in 10 metri. Meritev je bolje narediti na večji razdalji, ker je takrat merilna negotovost manjša. Svetlobni vir je lahko realiziran na več načinov, ampak se pogosto uporablja vir z integracijsko sfero. Svetlobni vir se napaja iz napetostnega vira s konstantnim tokom, pri katerem dosežemo barvno temperaturo 2856 K, ki jo standard zahteva. S pomočjo osvetljenosti, ki jo kaže lux meter in upoštevanjem ostalih geometričnih faktorjev opreme, se izračuna svetlost svetlobnega vira. Potem se svetlost izmeri z merilnikom svetlosti, ki ga je potrebno kalibrirati, in se te vrednosti primerjajo z vrednostmi svetlosti, ki so izračunane iz osvetljenosti.
V enem poglavju te magistrske naloge sem opisala karakterizacijo merilnika svetlosti na podlagi CIE standarda S 023. Standard opisuje kakovostne indekse, ki se lahko uporabljajo za karakterizacijo merilnikov svetlosti in osvetljenosti, pri kalibraciji. Predstavljeni so vsi indeksi in tudi način za določitev le-teh.
Obstaja več merilnikov svetlosti. V moji magistrski nalogi sem predstavila, kateri merilniki se uporabljajo, kakšne so glavne razlike med njimi ter načine delovanja. Tradicionalni merilnik svetlosti se uporablja za merjenje ene točke oziroma lahko meri svetlost razmeroma majhne površine. Če bi hoteli pomeriti večjo površino, bi morali s takšnim merilnikom narediti več meritev. Vendar je mogoče izmeriti svetlost površine naenkrat, če bi uporabljali Imaging Luminance Measuring Device (ILMD). Ta merilnik je boljša izbira, če želimo izmeriti porazdelitev svetlosti površine. Z ILMD merilnikom se meritev naredi hitreje, vendar če želimo izmeriti manjše površine, kot recimo svetlost LED svetlobnega vira, potem je bolje izbrati tradicionalni merilnik svetlosti.
|
