Фотометрия: Какво е това?

Фотометрия е науката за измерване на светлината с оглед нейната възприета яркост от човешкото око. Тя е различна от радиометрията, която измерва радиантната енергия (включително светлина) по абсолютна мощност. Фотометрията взема предвид само видимия диапазон на дължините на вълни (светлина), които могат да стимулират човешкото око.

Човешкото око може да детектира радиация, която има дължина на вълната между 370 нм и 780 нм. Този диапазон се нарича видим спектър или просто светлина. Радиацията с дължина на вълната по-къса от светлината се нарича ултравиолетова радиация, а радиацията с дължина на вълната по-дълга от светлината се нарича инфрачервена радиация. Фотометрията не включва ултравиолетова или инфрачервена радиация.

Фотометрията е основана на отговора на окото към светлината като функция от дължината на вълната. Окото не е равномерно чувствително към всички дължини на вълните на светлината. То е по-чувствително към зелената светлина и по-малко чувствително към червената и фиолетовата светлина. Окото се адаптира и към различни нива на яркост. То има два режима на зрение: фотопично зрение и скотопично зрение.

Фотопичното зрение е отговорът на окото при високи нива на яркост, като например през деня или под изкуствено осветление. Фотопичното зрение може да разпознава цветове и подробности. Скотопичното зрение е отговорът на окото при ниски нива на яркост, като например през нощта или под звездна светлина. Скотопичното зрение не може да различава цветове и има ниска резолюция. Има и прехлупяща зона между фотопичното и скотопичното зрение, наречена мезопично зрение.

Фотометрията използва стандартизираны модели на отговора на окото към светлината при различни дължини на вълни и нива на яркост. Тези модели се наричат функции на яркост. Те се използват, за да теглят радиантната мощност при всяка дължина на вълна с фактор, представляващ колко чувствително е окото при тази дължина на вълна. Най-често използваната функция на яркост е фотопичната функция на чувствителност, която моделира отговора на окото при фотопични условия. Други функции на яркост включват скотопичната функция на чувствителност и мезопичната функция на чувствителност.

Фотометрията има много приложения в различни области на науката, техниката и изкуството. Тя се използва за измерване и характеризиране на яркостта, цвета и качеството на източниците на светлина, материали и обекти. Тя се използва също така за изучаване на ефектите на светлината върху човешкото здраве, поведение и восприятие.

В тази статия ще разгледаме някои от типовете, принципите, приложението и работата на фотометрията по-подробно. Ще обсъдим също така някои от инструментите и мерните единици, използвани за фотометрични измервания.

Какво е волоконна фотометрия?

Волоконната фотометрия е техника, използвана в невронауката за запис на невронната активност при живи животни. Използва оптични волокна, за да доставят возбуждаща светлина до неврони, които изразяват флуоресцентни индикатори, и за събиране на излъчена флуоресценция от тях.

Флуоресцентните индикатори са молекули, които променят своите флуоресцентни свойства в отговор на промени в определени биологични параметри, като концентрацията на калций, напрежение, нейромедиатори и т.н. Използвайки генетично кодирани флуоресцентни индикатори (GEFIs), като GCaMPs, е възможно да се целеви конкретен тип неврони или мозъчни региони за оптичен запис.

Волоконната фотометрия позволява мониторинг на средната активност на големи популяции неврони с течение на времето. Тя може да се използва за корелиране на невронната активност с поведенчески събития или стимули при свободно движещи се животни. Волоконната фотометрия има предимства над други оптични техники за запис, като двупhoton микроскопия или калциево картиране, по отношение на простота, икономичност, портативност и мащабируемост.

Обаче, волоконната фотометрия има и някои ограничения, като ниска пространствена резолюция, контаминация на сигнала от фонова флуоресценция или артефакти от движение, и потенциално тъкански повреди или възпаление от имплантация на волокна.

Какво е пламенно фотометрия?

Пламенната фотометрия е техника, използвана за химически анализ, за да се определи концентрацията на определени метални йони в проба. Тя е известна също като пламенна емисионна спектроскопия или пламенна атомна емисионна спектроскопия.

Пламенната фотометрия работи по принципа, че някои метални йони излъчват характерни дължини на вълни при нагряване в пламък. Интензитетът на излъченията светлина е пропорционален на концентрацията на металните йони в пробата.

Пламенната фотометрия се използва главно за алкални метали (група 1) и алкално-земни метали (група 2), като натрий, калий, калций, литий и т.н. Тези метали имат ниски ионизационни енергии и могат лесно да бъдат възбудени от термална енергия от пламък.

За изпълнение на пламенната фотометрия пробно решение, съдържащо металните йони, се разпръсква в пламък (обикновено въздушно-ацетиленов пламък). Пламъкът възпарява и атомизира пробата в нейните съставни елементи. Някои от тези атоми се възбуждат до по-високи енергийни нива, абсорбирайки термална енергия от пламъка. Тези възбудени атоми в крайна сметка се връщат в своята основна състояние, излъчвайки фотони на светлина с специфични дължини на вълни, съответстващи на техните енергийни преходи.

Излъченията светлина се събират от система от лещи и преминават през монокроматор (устройство, което избира тясна гама от дължини на вълни). Монокроматорът позволява само желаната дължина на вълна, съответстваща на интересуващия метален йон, да достигне детектор (обикновено фотомултипликаторна тръба или фотодиод). Детекторът преобразува светлинния сигнал в електрически сигнал, който може да бъде измерен от измервател или регистратор.

Концентрацията на металния йон в пробата може да бъде изчислена, като се сравни интензитетът на излъченията светлина с стандартна крива, получена от известни концентрации на същия метален йон.

Какво е рефлектометрична фотометрия?

Рефлективностната фотометрия е техника, използвана за измерване на цвят или рефлективност на повърхност или обект. Тя работи по принципа, че различни повърхности рефлектират различни количества и дължини на вълни на светлина, в зависимост от техните физически и химически характеристики.

Рефлектометричната фотометрия използва източник на светлина (обикновено бяла светлина) за осветяване на повърхност или обект под определен ъгъл. Рефлектираната светлина от повърхността или обекта се измерва от детектор (обикновено спектрофотометър или колориметър) под друг ъгъл.

Детекторът анализира спектъра или интензитета на рефлектираната светлина при различни дължини на вълни и я сравнява с референтен стандарт (обикновено бяла повърхност). Цвятът или рефлективността на повърхността или обекта могат да бъдат изразени чрез различни параметри, като оттенък (доминираща дължина на вълна), наситеност (чистота), яркост (люминанс), хроматични координати (x, y, z), цветов индекс (CIE Lab*), и т.н.

Рефлектометричната фотометрия може да се използва за различни цели, като контрол на качеството, съпоставяне на цветове, идентификация на цветове, комуникация на цветове, и т.н. Тя може да се прилага към различни материали и обекти, като боя, текстил, пластмаси, метали и керамика.

Какви са фотометричните величини и мерни единици?

Фотометричните величини се извеждат от радиометричните величини, като се прилага функцията на яркост като тегловен фактор. Функцията на яркост представя относителния отговор на човешкото око към различни дължини на вълни на светлина. Най-често използваната функция на яркост е фотопичната функция на чувствителност, която моделира отговора на окото при ярки условия. Други функции на яркост включват скотопичната функция на чувствителност, която моделира отговора на окото при тъмни условия, и мезопичната функция на чувствителност, която моделира отговора на окото при прехлупящи условия.