Luku III

Radiometria ja fotometria

Radiometriset suureet karakterisoivat säteilyä alueilla, jotka on lueteltu taulukossa 3.1 [2].

Taulukko 3.1. Aallonpituusalueet.
Alue Aallonpituus
UV-C (Ultravioletti)100-280 nm
UV-B 280-315 nm
UV-A 315-400 nm
Näkyvä (Vis) 380-780 nm
IR-A 780-1400 nm
IR-B 1,4-3 mm
IR-C 3-1 mm

Fluoresoivien värien mittausten kannalta tärkeimmät alueet ovat näkyvän valon alue ja ultraviolettialue. Radiometriassa määritetään sähkömagneettisen säteilyn ominaisuudet, esimerkiksi kappaleen säteilemän säteilyn teho, SI-järjestelmän perusyksiköiden, metrin, kilogramman ja sekunnin sekä täydennysyksikön steradiaanin avulla.

Fotometriassa käsitellään vain ihmisen silmällä näkyvän valon ominaisuuksia. Fotometria jaetaan kahteen pääluokkaan: visuaaliseen ja fysikaaliseen fotometriaan. Visuaalisessa fotometriassa valosuureitten ilmaisimena toimii ihminen. Fysikaalisessa fotometriassa suureet mitataan radiometriassa käytetyillä fysikaalisilla ilmaisimilla siten, että tulokset ovat mahdollisimman yhteneviä ihmisen visuaalisen aistimuksen kanssa. Fysikaalisessa fotometriassa on otettu mukaan ihmisen silmän suhteellinen herkkyys sähkömagneettisen säteilyn valon aallonpituuden funktiona. Ihmisen silmä on herkimmillään päivänäkemisessä aallonpituudella λ=555 nm, joka on myös lähellä auringosta maan pintaan tulevan säteilyspektrin huippua. Silmän spektrinen päivänäkemisen herkkyyskäyrä V(λ) ja hämäränäkemisen herkkyyskäyrä V'(λ) aallonpituuden λ funktiona ovat kuvassa 3.1.

Kuva 3.1. Silmän spektrinen päivänäkemisen herkkyyskäyrä V(λ) ja hämäränäkemisen herkkyyskäyrä V'(λ) aallonpituuden λ funktiona.

3.1 Foto- ja radiometrian suureista

Fysikaalisessa fotometriassa ja radiometriassa sähkömagneettiselle säteilylle määritellyt suureet kytkeytyvät toisiinsa integraalina aallonpituuden yli silmän suhteellisen herkkyyskäyrän V(λ) ollessa painofunktiona. CIE (Comission Internationale de l'Eclairage-Kansainvälinen valaistusjärjestö) on määritellyt yleisesti, että mikä tahansa radiometrinen suure Qe, jonka spektritiheys Qe,λ on
, (3.1)
kytkeytyy vastaavaan fotometriseen suureeseen Qv seuraavan integraalin kautta
. (3.2)

Kaavassa 3.2 Km on vakio, jonka kiinnittäminen määrittelee fysikaalisen fotometrian suureet radiometristen suureiden avulla.

Taulukossa 3.2 on lueteltu tärkeimmät radio- ja fotometriset suureet.

Taulukko 3.2. Tärkeimmät radio- ja fotometriset suureet.
Radiometria Yksikkö Fotometria Yksikkö
Säteilyintensiteetti[W/sr] Valovoima [candela, (cd)]
Säteilyteho [W] Valovirta [lumen, (lm)]
Säteilyenergia [J] Valoenergia [lumensekunti, (lms)]
Säteilyn tehotiheys l.
Irradianssi 		[W/m2] Valaistusvoimakkuus [luksi, (lx)]
Radianssi [W/m2/sr] Luminanssi [cd/m2]

Useimmiten suureista tarvitaan aallonpituudesta riippuva versio, sillä valonlähde voi säteillä rajoitetulle kaistalle tai epätasaisesti koko näkyvällä alueella. Spektraalisia suureita merkitään seuraavasti
, (3.3)
missä Q on jokin radiometrinen suure, jonka aallonpituusriippuvuus merkitään Qλ(λ).

3.1.1 Säteilyteho ja valovirta

Radiometrinen suure säteilyteho Φ (radiant flux) on lähteen säteilyenergia Q aikayksikköä kohti.
, yksikkö: W (3.4)

Fotometrinen suure valovirta Φv (luminous flux) on säteilytehosta selektiiviselle detektorille johdettu suure, joka ilmoittaa kuinka suuren valoaistimuksen tietty säteilyteho synnyttää. Olkoon V(λ) detektorin herkkyyskäyrä. Tällöin
, (3.5)
missä Km on spektraalisen valotehokkuuden maksimi. Lisäksi
. (3.6)

Ihmissilmälle Km = 683 lm/W aallonpituudella 555 nm. Valovirran yksikkö on lumen.

3.1.2 Säteilyenergia ja valoenergia

Radiometrinen suure säteilyenergia eli säteilymäärä on säteilyn tuoma kokonaisenergia tiettynä aikana (tässä aallonpituusriippuvuus, koska kyseessä on spektrinen säteilyenergia)
, yksikkö: J/nm. (3.7)
Ilman aallonpituusriippuvuutta yksikkö on Joule. Vastaava fotometrinen suure valoenergia eli valomäärä
, yksikkö: lms (lumensekunti). (3.8)

3.1.3 Säteilyintensiteetti ja valovoima

Radiometrinen suure säteilyintensiteetti eli säteilyvoima on pistemäisen lähteen tiettyyn suuntaan avaruuskulmaa kohti säteilemä teho
, yksikkö: W/sr. (3.9)

Vastaava fotometrinen suure on valovoima
, (3.10)
Valovoiman yksikkö on kandela.

3.1.4 Säteilyn tehotiheys ja valaistusvoimakkuus

Nämä kaksi suuretta on määritelty karakterisoimaan tietylle pinnalle tulevaa säteilyä. Radiometrinen suure säteilyn tehotiheys eli säteilytysvoimakkuus (irradianssi) on säteilyn kohteena olevalle pinnalle tuleva säteilyteho pinta-alayksikköä kohti
, yksikkö: W/m2. (3.11)

Vastaava fotometrinen suure on valaistusvoimakkuus Ev, joka on pintaelementtiä kohti tuleva valovirta ja saadaan kaavasta
, yksikkö: lm/m2=lx. (3.12)
Irradianssin yksikkö on luksi.

3.1.5 Radianssi ja luminanssi

Radiometrinen suure radianssi eli säteilytys kuvaa pintaelementille saapuvaa, siitä lähtevää tai sen läpäissyttä tehoa annetussa suunnassa ja määritellään kulmaan ?? kaavalla
, yksikkö: W/m2sr. (3.13)

Vastaava fotometrinen suure luminanssi eli valotiheys määritellään kaavalla
, yksikkö: lm/m2sr=cd/m2. (3.14)

Radiometrian suureita käytetään apuna fluoresoivien värien mittausgeometrioita ja mittausvirheitä tarkastelevassa luvussa, jossa esitellään myös suureiden johdannaisia.