فوتومتری: این چیست؟

فوتومتری علم اندازه‌گیری نور بر اساس درخشندگی آن که توسط چشم انسان ادراک می‌شود، است. این علم با رادیومتری متفاوت است که انرژی تابشی (از جمله نور) را بر اساس قدرت مطلق اندازه‌گیری می‌کند. فوتومتری فقط طول موج‌های قابل دید (نور) که می‌توانند چشم انسان را تحریک کنند را در نظر می‌گیرد.

چشم انسان می‌تواند تابشی که طول موج بین ۳۷۰ نانومتر تا ۷۸۰ نانومتر دارد را تشخیص دهد. این محدوده طیف قابل دید یا به سادگی نور نامیده می‌شود. تابش با طول موج کوتاه‌تر از نور تابش ماوراء بنفش و تابش با طول موج بلندتر از نور تابش ماوراءقرمز نامیده می‌شود. فوتومتری شامل تابش ماوراءبنفش یا ماوراءقرمز نمی‌شود.

فوتومتری بر پایه پاسخ چشم به نور به عنوان تابعی از طول موج استوار است. چشم به تمام طول موج‌های نور هم‌ارز حساس نیست. آن به نور سبز بیشتر حساس و به نور قرمز و بنفش کمتر حساس است. چشم همچنین به سطوح مختلف درخشندگی تطبیق می‌یابد. دو حالت دید در چشم وجود دارد: دید فوتپیک و دید اسکوتوپیک.

دید فوتپیک پاسخ چشم در سطوح بالای درخشندگی، مانند در طول روز یا زیر روشنایی مصنوعی است. دید فوتپیک می‌تواند رنگ‌ها و جزئیات را تمایز دهد. دید اسکوتوپیک پاسخ چشم در سطوح پایین درخشندگی، مانند در طول شب یا زیر روشنایی ستاره‌ها است. دید اسکوتوپیک نمی‌تواند رنگ‌ها را تمایز کند و دقت پایینی دارد. همچنین منطقه انتقالی بین دید فوتپیک و اسکوتوپیک به نام دید مزوپیک وجود دارد.

فوتومتری از مدل‌های استاندارد شده پاسخ چشم به نور در طول‌موج‌ها و سطوح درخشندگی استفاده می‌کند. این مدل‌ها توابع لومینوسیته نامیده می‌شوند. این توابع برای وزن دادن به قدرت تابش در هر طول موج با عاملی که نشان‌دهنده حساسیت چشم در آن طول موج است، استفاده می‌شوند. محبوب‌ترین تابع لومینوسیته تابع حساسیت فوتپیک است که پاسخ چشم را تحت شرایط فوتپیک مدل‌سازی می‌کند. سایر توابع لومینوسیته شامل تابع حساسیت اسکوتوپیک و تابع حساسیت مزوپیک هستند.

فوتومتری کاربردهای متعددی در حوزه‌های مختلف علمی، مهندسی و هنری دارد. این علم برای اندازه‌گیری و مشخص کردن درخشندگی، رنگ و کیفیت منابع نور، مواد و اجسام استفاده می‌شود. همچنین برای مطالعه اثرات نور بر سلامت، رفتار و ادراک انسان استفاده می‌شود.

در این مقاله، ما به بررسی بعضی از انواع، اصول، کاربردها و عملکرد فوتومتری به صورت دقیق‌تر خواهیم پرداخت. همچنین درباره برخی از ابزارها و واحدهای استفاده شده برای اندازه‌گیری‌های فوتومتری صحبت خواهیم کرد.

فوتومتری لیزری چیست؟

فوتومتری لیزری یک تکنیک استفاده شده در علوم عصبی برای ضبط فعالیت عصبی در حیوانات زنده است. این تکنیک از الیاف نوری برای ارسال نور برانگیزشی به نورون‌هایی که نشانگرهای فلورسانسی را بیان می‌کنند و جمع‌آوری فلورسانس منتشر شده از آن‌ها استفاده می‌کند.

نشانگرهای فلورسانسی مولکول‌هایی هستند که خصوصیات فلورسانسی خود را در پاسخ به تغییرات در پارامترهای بیولوژیکی، مانند غلظت کلسیم، ولتاژ، ناقل‌های عصبی و غیره تغییر می‌دهند. با استفاده از نشانگرهای فلورسانسی کد ژنتیکی (GEFIs)، مانند GCaMPs، می‌توان نوع خاصی از نورون‌ها یا مناطق مغز را برای ضبط نوری هدف قرار داد.

فوتومتری لیزری امکان نظارت بر فعالیت میانگین جمعیت‌های بزرگ نورون‌ها در طول زمان را فراهم می‌کند. این تکنیک می‌تواند برای همبستگی فعالیت عصبی با حوادث رفتاری یا محرک‌ها در حیوانات آزاد حرکت استفاده شود. فوتومتری لیزری نسبت به سایر تکنیک‌های ضبط نوری، مانند میکروسکوپی دو فوتونی یا تصویربرداری کلسیم، از نظر سادگی، اقتصادی بودن، قابل حمل بودن و مقیاس‌پذیری مزایایی دارد.

با این حال، فوتومتری لیزری نیز محدودیت‌هایی دارد، مانند قدرت تفکیک پایین، آلودگی سیگنال از فلورسانس پس‌زمینه یا آرتیفاکت‌های حرکتی، و خطر آسیب یا التهاب بافت از جراحی لیزری.

فوتومتری شعله‌ای چیست؟

فوتومتری شعله‌ای یک تکنیک برای تجزیه و تحلیل شیمیایی است که برای تعیین غلظت برخی یون‌های فلزی در نمونه استفاده می‌شود. این تکنیک همچنین به عنوان طیف‌سنجی انتشار شعله‌ای یا طیف‌سنجی انتشار اتمی شعله‌ای نیز شناخته می‌شود.

فوتومتری شعله‌ای بر اصل کاری استوار است که برخی یون‌های فلزی وقتی در یک شعله گرم می‌شوند، طول موج‌های مشخصی از نور را منتشر می‌کنند. شدت نور منتشر شده متناسب با غلظت یون‌های فلزی در نمونه است.

فوتومتری شعله‌ای عموماً برای فلزهای القایی (گروه ۱) و فلزهای القایی خاکی (گروه ۲)، مانند سدیم، پتاسیم، کلسیم، لیتیم و غیره استفاده می‌شود. این فلزها انرژی یونیزاسیون پایینی دارند و می‌توانند به راحتی توسط انرژی گرمایی از یک شعله برانگیخته شوند.

برای انجام فوتومتری شعله‌ای، یک محلول نمونه حاوی یون‌های فلزی به یک شعله (معمولاً یک شعله هوا-استیلن) پاشیده می‌شود. شعله نمونه را به عناصر تشکیل دهنده خود بخاری و ذرات کوچک می‌کند. برخی از این اتم‌ها توسط جذب انرژی گرمایی از شعله به سطوح انرژی بالاتر برانگیخته می‌شوند. این اتم‌های برانگیخته سرانجام با انتشار فوتون‌های نور با طول‌موج‌های خاص متناظر با انتقال‌های انرژی خود به حالت پایه بازمی‌گردند.

نور منتشر شده سپس توسط یک سیستم لنز جمع‌آوری شده و از طریق یک مونوکروماتور (دستگاهی که محدوده تنگی از طول‌موج‌ها را انتخاب می‌کند) عبور می‌کند. مونوکروماتور تنها طول موج نور مورد نظر متناظر با یون فلزی مورد نظر را به یک دیتکتور (معمولاً یک لوله فوتومولتیپلیکاتور یا فوتودیود) اجازه عبور می‌دهد. دیتکتور سیگنال نوری را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که می‌تواند توسط یک متر یا ضبط‌کننده اندازه‌گیری شود.

غلظت یون فلزی در نمونه می‌تواند با مقایسه شدت نور منتشر شده با یک منحنی استاندارد که از غلظت‌های معین از همان یون فلزی به دست آمده است محاسبه شود.

فوتومتری انعکاسی چیست؟

انعکاس فوتومتری یک تکنیک برای اندازه‌گیری رنگ یا انعکاس ویژگی‌های یک سطح یا یک شیء است. این تکنیک بر اصل کاری استوار است که سطوح مختلف مقدار و طول موج‌های مختلفی از نور را به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خود بازتاب می‌کنند.

فوتومتری انعکاسی از یک منبع نور (معمولاً نور سفید) برای تابیدن یک سطح یا یک شیء در یک زاویه خاص استفاده می‌کند. نور بازتاب شده از سطح یا شیء سپس توسط یک دیتکتور (معمولاً یک طیف‌سنج یا یک رنگ‌سنج) در یک زاویه دیگر اندازه‌گیری می‌شود.

دیتکتور طیف یا شدت نور بازتاب شده را در طول‌موج‌های مختلف تجزیه و مقایسه می‌کند. رنگ یا ویژگی‌های انعکاس سطح یا شیء می‌تواند با پارامترهای مختلفی مانند رنگ غالب (طول موج غالب)، اشباع (نقیض)، درخشندگی (لمینانس)، مختصات کروماتیک (x,y,z)، شاخص رنگ (CIE Lab*) و غیره بیان شود.

فوتومتری انعکاسی می‌تواند برای اهداف مختلفی مانند کنترل کیفیت، تطابق رنگ، شناسایی رنگ، ارتباط رنگی و غیره استفاده شود. این تکنیک می‌تواند به مواد و اجسام مختلفی مانند رنگ‌ها، پارچه‌ها، پلاستیک‌ها، فلزات و سرامیک‌ها اعمال شود.