Oœwietlenie s³oneczne

lub sztuczne jest wa¿nym

zjawiskiem wp³ywaj¹cym

na otaczaj¹ce nas

œrodowisko. Zawartoœæ

widma œwiat³a ma

bezpoœredni wp³yw na

bioreakcje organizmów

¿ywych _ roœlin, zwierz¹t

i cz³owieka, a tak¿e na

inne zjawiska przyrodnicze

jak pogoda, erozja itp.

Jasnoœæ oœwietlenia

oczywiœcie wp³ywa na

mo¿liwoœci zwi¹zane

z postrzeganiem kszta³tu,

wielkoœci i koloru

obiektów. Obecnie

istnieje taki kierunek

wspó³czesnej nauki jak

psychologia kolorów.

Natura œwiat³a

Œwiat³o to promieniowanie elektromagnetycz-

ne o d³ugoœci fali od 380 do 780 nm (1 nm =

10

_9

m) zwane promieniowaniem widzialnym,

czêsto tak¿e œwiat³em nazywa siê promienio-

wanie w pobli¿u tych granic. Oko ludzkie na

ogó³ reaguje na fale z zakresu 400

÷

750 nm

(tzw. widzenie dzienne). D³ugoœæ fali decydu-

je o barwie, a jej intensywnoœæ o jaskrawoœci

widzianych obrazów. I tak promieniowanie

o d³ugoœci fali 100

÷

400 nm to promieniowanie

ultrafioletowe (bardzo s³abo widzialne), 430

nm _ to kolor niebieski, 550 nm _ kolor zielo-

ny (tu oko jest najczulsze, kilkakrotnie czulsze

ni¿ na pozosta³e kolory), 565 nm _ kolor ¿ó³-

tozielony, 585 nm _ kolor ¿ó³ty (znów coraz

s³absza widocznoœæ), 610 nm _ kolor pomarañ-

czowy, 635 nm _ kolor czerwony, 660 nm _ ko-

lor jasnoczerwony, 695 nm _ kolor ciemno-

czerwony, 70

÷

1000 nm _ podczerwieñ i na-

stêpnie tzw. daleka podczerwieñ. Kolejne ko-

lory przenikaj¹ siê przechodz¹c z jednego

w drugi _ zjawisko widoczne w efekcie roz-

szczepienia œwiat³a bia³ego.

W zakresie promieniowania podczerwonego

i dalekiej podczerwieni oraz czêœciowo w ultra-

fiolecie zawarte s¹ g³ównie informacje o tempe-

raturze obiektów. W warunkach naturalnych te

pasma wykorzystuj¹ do komunikacji zwierzêta.

Podstawowym Ÿród³em œwiat³a jest S³oñce

emituj¹ce energiê w bardzo szerokim widmie,

a tak¿e inne Ÿród³a œwiat³a zarówno zimnego

(niektóre reakcje chemiczne, zjawiska w pó³-

przewodnikach i gazach, w tym luminescencja

i elementy LED), jak i ciep³ego, najczêœciej

&

POMIARY

OŒWIETLENIA

(1)

H

ELEKTRO

NIKA W PRZEMYŒLE i LABORATORIACH

powsta³ego z nagrzania ró¿nych materia³ów,

g³ównie metali, do bardzo wysokiej tempera-

tury (to zjawisko wykorzystuje siê w ¿arówkach

¿arowych). ród³a te maj¹ bardzo ró¿noro-

dnie ukszta³towane widmo promieniowania

od ¿arówek ¿arowych maj¹cych widmo podob-

ne do widma s³onecznego do np. diod elektro-

luminescencyjnych (LED) maj¹cych œciœle

okreœlone w¹skie widmo, a wiêc generuj¹-

cych œwiat³o monochromatyczne. Innymi

Ÿród³ami fal o jednej d³ugoœci (monochroma-

tycznych) s¹ lasery lub pewne reakcje che-

miczne. Widzenie okreœlonego koloru polega

na tym, ¿e oœwietlony obiekt odbija jakiœ kolor

lub kolory, a absorbuje inne. JasnoϾ koloru

wi¹¿e siê z temperatur¹ obiektu emituj¹cego.

I tak, jasnobia³y odpowiada temperaturze ok.

3000 K, bia³y ok. 3500 K, s³oñcu w po³udnie _

ok. 5000 K. Jako wzorcowych Ÿróde³ œwiat³a

mo¿na u¿yæ np. wolframowych lamp ¿aro-

wych o temperaturze w³ókna 2854 K (Ÿród³o ty-

pu A wed³ug standardu CIE _ normalizacje

w tym standardzie istniej¹ od 1924 roku. Stan-

dard CIE okreœla tak¿e 28 podstawowych ko-

lorów powsta³ych z przemieszania siê trzech

kolorów pierwotnych (razem okreœla siê 267

kolorów wtórnych). Wszystkie je definiuje siê

za pomoc¹ sk³adu trzech podstawowych kolo-

rów: czerwonego (red, X), zielonego (green, Y)

i niebieskiego (blue Z).

Jednostki zwi¹zane

z oœwietleniem

Pomiarami zwi¹zanymi z oœwietleniem zaj-

muje siê fotometria, a g³ówne wielkoœci mierzo-

ne to strumieñ œwietlny, œwiat³oœæ i natê¿enie

oœwietlenia.

Strumieñ œwietlny

Φ

to liczba kwantów œwie-

tlnych (fotonów) przechodz¹cych w jednostce

czasu przez powierzchniê obserwacji (S) (rys.

1). Jego miara to lumen [lm]. Dla punktowego

Ÿród³a œwiat³a o symetrii kulistej (gdzie œwiat³o

rozchodzi siê we wszystkich kierunkach _ np.

w przybli¿eniu ¿arówka wolframowa to Ÿród³o

œwiat³a o charakterystyce kulistej _ rys. 2) stru-

mieñ

Φ

jest proporcjonalny do k¹ta bry³owego

(

Ω

) i jest zdefiniowany jako powierzchnia ca³ej

kuli przez kwadrat jej promienia (r) _ dla wycin-

ka kuli k¹t bry³owy wynosi 2 .

Π

. (1 _ cos

ϕ

) czy-

li dla k¹ta widzenia

ϕ

ok.

±

33

o

k¹t bry³owy wy-

nosi 1 steradian _ dla ca³ej kuli wynosi 4

Π

.

Œwiat³oœæ, zwi¹zana z jaskrawoœci¹ Ÿród³a

œwiat³a jest to strumieñ emitowany przez po-

wierzchniê (S) widzian¹ pod k¹tem 1 sr _ œwia-

t³oœæ wyra¿a siê w kandelach [cd]. Z definicji cia-

³o czarne o powierzchni 1/60 cm

2

i temperatu-

rze 2041 K ma œwiat³oœæ 1 cd. Podobn¹ œwia-

t³oœæ ma p³omieñ œwiecy (ang. candle _ œwieca).

Dla niepunktowych Ÿróde³ podaje siê luminan-

cjê w stilbach [1 sb = 1 cd/cm

2

] _ powierzchni¹

czynn¹ jest rzut powierzchni Ÿród³a œwiat³a

w kierunku obserwacji (w uproszczeniu po-

wierzchnia niekulista _ rys. 2).

Miar¹ jasnoœci œwiat³a jest natê¿enie oœwie-

tlenia z jednostk¹ o nazwie luks [lx] (1 lx =

= 1 lm/1 m

2

).

Podstawowe zale¿noœci, jednostki pochod-

ne i inne spotykane jednostki:

1 lx = 1 lm/m

2

1 lx = 0,0929 stopokandeli (footcandle)

1 stilb = 1 cd/cm

2

1 nit = 1 cd/m

2

Typowe wartoœci natê¿enia oœwietlenia od

ró¿nych Ÿróde³ œwiat³a:

0,1

÷

0,5 lx _ oœwietlenie Ksiê¿yca

0,5

÷

2 lx _ minimalna jasnoϾ potrzebna do

czytania

10

÷

300 lx _ typowa jasnoœæ w pokoju oœwie-

tlonym œwiat³em s³onecznym

500

÷

3000 lx _ jasnoϾ potrzebna do precyzyj-

nych, dok³adnych prac

50 000

÷

150 000 lx _ jasnoœæ w s³oneczny dzieñ.

Przybli¿onym wzorcem jasnoœci oœwietlenia

mo¿e byæ 40-watowa ¿arówka ¿arowa (w wy-

konaniu typowym!), która w odleg³oœci 18 cm

wytwarza jasnoϾ ok. 1000 lx. Obecnie budo-

wane mierniki natê¿enia oœwietlania maj¹ za-

kresy nawet do 2 Mlx (2 000 000 lx) przy do-

k³adnoœci do 1% i rozdzielczoœci 10

_6

lx (od-

powiednio ok. 10

_5

lm).

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2000

ród³o

œwiat³a

ϕ

Rys. 1. Ogólny model Ÿród³a œwiat³a

o symetrii kulistej

Rys. 2. Przybli¿ony model Ÿród³a œwiat³a o syme-

trii kulistej za pomoc¹ ¿arówki (pokazano rzut

œwiat³a na powierzchniê kulist¹ i normaln¹)

trii (w tym popularne zastosowania w fotogra-

fii i sprzêcie wizyjnym) oraz w badaniach sk³a-

du chemicznego w analizie widmowej.

Detektory (czujniki) œwiat³a

Fotodetektory zamieniaj¹ energiê promienio-

wania œwiat³a bezpoœrednio na napiêcie, pr¹d

lub poœrednio przez zmianê np. rezystancji.

Najprostsza detekcja promieniowania œwietlne-

go polega na pomiarze jego natê¿enia lub

d³ugoœci fali, g³ównie za pomoc¹ ró¿nego ty-

pu detektorów pó³przewodnikowych lub lamp

zwanych fotokomórkami oraz fotopowielacza-

mi. Wœród detektorów pó³przewodnikowych

pracuj¹cych w ró¿nych fragmentach zakresu

widma œwiat³a wyró¿niamy:

q

fotorezystory (rezystancja zale¿na od oœwie-

tlenia w wyniku pojawienia siê elektronów

w warstwie przewodz¹cej),

q

ffotodiody lub fotoogniwa w tym fotodiody

PIN (wykorzystuj¹ce zjawiska fotowoltaiczne),

q

ffototranzystory wykorzystuj¹ce tak¿e zja-

wisko fotowoltaiczne i dodatkowo efekt wzmoc-

nienia pr¹du.

Do budowy tych czujników wykorzystuje siê po-

pularne pó³przewodniki jak krzem do zakresu

300

÷

1000 nm, german (400

÷

1800 nm), zwi¹z-

ki indu, selenu, kadmu, arsenu i galu oraz

obecnie zwi¹zki telluru. Czujniki szerokopa-

smowe lub w¹skopasmowe s¹ konstruowane

(stosuje siê specjalne zwi¹zki pó³przewodniko-

we na struktury lub po prostu odpowiednie fil-

try optyczne) do pomiaru oœwietlenia, transmi-

sji danych cyfrowych œwiat³em widzialnym lub

niewidzialnym (podczerwieni¹), co wykorzystu-

je siê w telefonii i do zdalnego sterowania

sprzêtu powszechnego u¿ytku. G³ówne firmy

produkuj¹ce sprzêt optoelektroniczny (czujni-

ki) to Alcatel, Hamamatsu, Hewlett Packard,

OKI, Optek, Philips, Sharp, Siemens, Vishay

Telefunken (przyrz¹dy pomiarowe), New Fo-

cus, Ocean Optics, Optronik, Photo Rese-

arch. Jest to jedna z prê¿niej rozwijaj¹cych

siê dziedzin elektroniki.

n

Miros³aw Gieroñ

Elementy optoelektroniczne

Elementy optoelektroniczne to elementy, które

emituj¹ albo absorbuj¹ energiê œwietln¹ lub ³¹-

cz¹ te funkcje. Najbardziej znane to fotorezy-

stor, fotodioda, fototranzystor, dioda elektrolu-

minescencyjna (LED) oraz inne (np. optotrony

i podobne). Elementy te wykonuje siê z typo-

wych pó³przewodników _ german, krzem,

a tak¿e specjalnych jak arsenek galu (ele-

menty dla podczerwieni), arsenek-fosforek ga-

lu (dla czerwieni i ¿ó³ci), fosforek galu (dla zie-

leni) i azotanek galu (dla œwiat³a niebieskiego)

_ rys. 3.

Fotorezystor to element bezz³¹czowy o rezy-

stancji (R) zale¿nej od oœwietlenia (i ). Rezy-

stancjê okreœla wzór R = R

c

e

-ik

, gdzie k (0,5

÷

1)

i R

c

to sta³e materia³owe. Rezystancja jasna

i ciemna to graniczne wartoœci rezystancji fo-

torezystora oœwietlonego i bez oœwietlenia _

stosunek ich siêga nawet 10

6

. Przy ma³ych

oœwietleniach istnieje dodatkowo silna zale¿-

noϾ rezystancji od temperatury. Fotorezysto-

ry wykonywane najczêœciej z kadmu (dla de-

tekcji fali 400

÷

800 nm), a dla podczerwieni

z siarczku o³owiu lub antymonu indu (detekcja

promieniowania do 7000 nm) maj¹ d³ugie cza-

sy reakcji na zmianê oœwietlenia od milise-

kund do kilku sekund.

W fotodiodzie zwarciowy pr¹d wsteczny jest

proporcjonalny w du¿ym zakresie do natê¿enia

oœwietlenia _ jest to zjawisko wykorzystywane

w fotometrii, jednak¿e typowe czu³oœci fotodiod

wynosz¹ poni¿ej 1

µ

A/lx. Przy du¿ej powierzch-

ni pola fotodiody pr¹d ten jest wiêkszy i mo¿e

mieæ wartoœæ nawet kilkanaœcie miliamperów

(przy 1000 lx). Tak¹ fotodiodê mo¿na nazwaæ

ogniwem s³onecznym, z którego w odpowiedniej

konfiguracji (zwielokrotnieniu lub po zastosowa-

niu przetwornicy) mo¿na czerpaæ moc elek-

tryczn¹ w celu zasilania. Fotodiody maj¹ o wie-

le krótsze czasy zadzia³ania ni¿ fotorezystory,

czêstotliwoœci pracy wynosz¹ do 100 kHz

÷

10

MHz, a dla fotodiod PIN (diody z rozdzielonym

z³¹czem p-n) nawet wielu gigaherców. Coraz

czêœciej stosowane fotodiody PIN maj¹ce bar-

dzo du¿¹ czu³oœæ (stosowane w pomiarach

ma³ych natê¿eñ oœwietlenia lub w telekomuni-

kacji) wymagaj¹ specjalnych, z³o¿onych uk³a-

dów pracy. Do wzmocnienia pr¹du fotodiody

o ma³ym pr¹dzie ciemnym (bez oœwietlenia

pr¹d zaporowy diody powinien mieæ wartoœæ

blisk¹ 0, praktycznie kilka nA) mo¿na wykorzy-

staæ typowy przetwornik pr¹d-napiêcie. Re-

zystor R

f

mo¿e mieæ rezystancjê nawet 1 G

Ω

,

co przy paso¿ytniczej pojemnoœci bocznikuj¹-

cej C

f

tylko 1 pF ogranicza pasmo przeno-

szenia przetwornika do czêstotliwoœci ok.

160 Hz; f = 1/(2

Π

R

f

C

f

) (rys. 4). W celu posze-

rzenia pasma stosuje siê uk³ad z dodatko-

wym Ÿród³em napiêcia, unikaj¹c prze³adowa-

nia pojemnoœci warstwy zaporowej _ rys. 5.

Fototranzystor to fotoelement, w którym z³¹-

cze kolektor-baza jest fotodiod¹. Dziêki temu

otrzymujemy czulszy ale wolniejszy i bardziej

nieliniowy element ni¿ fotodioda. Elementy

optoelektroniczne _ Ÿród³a i odbiorniki œwiat³a,

w tym elementy pracuj¹ce w pobli¿u zakresu

'

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2000

widma œwiat³a, stosuje siê w wielu dziedzi-

nach techniki, biologii i chemii, medycyny i in-

nych. Najprostsze zastosowania w technice

wi¹¿¹ siê z identyfikacj¹ optyczn¹ obiektów tak

œwiat³em widzialnym, jak i niewidzialnym (g³ów-

nie podczerwieni¹) odbitym lub zas³anianym.

Wykorzystanie promieniowania podczerwo-

nego najczêœciej w zakresie 700

÷

1100 nm

dotyczy sterowania w sprzêcie radiowo-telewi-

zyjnym oraz transmisji danych w urz¹dze-

niach komputerowych oraz w telekomunikacji.

Bardziej specjalistyczne wykorzystanie przyrz¹-

dów optoelektronicznych ma miejsce w fotome-

Rys. 3. Porównanie wzglêdnych czu³oœci oka oraz czujników z germanu i krzemu

Rys. 4. Podstawowy uk³ad pracy przetwornika

oœwietlenie (pr¹d) _ napiêcie

Rys. 5. Poszerzony uk³ad pracy przetwornika

oœwietlenie (pr¹d) _ napiêcie z likwidacj¹ efektu

prze³adowania pojemnoœci warstwy zaporowej

fotodiody

D³ugoœæ fali [

µ

m]

Czu³oœæ wzglêdna [%]