Owietlenie s³oneczne
lub sztuczne jest wa¿nym
zjawiskiem wp³ywaj¹cym
na otaczaj¹ce nas
rodowisko. Zawartoæ
widma wiat³a ma
bezporedni wp³yw na
bioreakcje organizmów
¿ywych _ rolin, zwierz¹t
i cz³owieka, a tak¿e na
inne zjawiska przyrodnicze
jak pogoda, erozja itp.
Jasnoæ owietlenia
oczywicie wp³ywa na
mo¿liwoci zwi¹zane
z postrzeganiem kszta³tu,
wielkoci i koloru
obiektów. Obecnie
istnieje taki kierunek
wspó³czesnej nauki jak
psychologia kolorów.
Natura wiat³a
wiat³o to promieniowanie elektromagnetycz-
ne o d³ugoci fali od 380 do 780 nm (1 nm =
10
_9
m) zwane promieniowaniem widzialnym,
czêsto tak¿e wiat³em nazywa siê promienio-
wanie w pobli¿u tych granic. Oko ludzkie na
ogó³ reaguje na fale z zakresu 400
÷
750 nm
(tzw. widzenie dzienne). D³ugoæ fali decydu-
je o barwie, a jej intensywnoæ o jaskrawoci
widzianych obrazów. I tak promieniowanie
o d³ugoci 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 widocznoæ), 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 wiat³a bia³ego.
W zakresie promieniowania podczerwonego
i dalekiej podczerwieni oraz czêciowo w ultra-
fiolecie zawarte s¹ g³ównie informacje o tempe-
raturze obiektów. W warunkach naturalnych te
pasma wykorzystuj¹ do komunikacji zwierzêta.
Podstawowym ród³em wiat³a jest S³oñce
emituj¹ce energiê w bardzo szerokim widmie,
a tak¿e inne ród³a wiat³a zarówno zimnego
(niektóre reakcje chemiczne, zjawiska w pó³-
przewodnikach i gazach, w tym luminescencja
i elementy LED), jak i ciep³ego, najczêciej
&
POMIARY
OWIETLENIA
(1)
H
ELEKTRO
NIKA W PRZEMYLE 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 cile
okrelone w¹skie widmo, a wiêc generuj¹-
cych wiat³o monochromatyczne. Innymi
ród³ami fal o jednej d³ugoci (monochroma-
tycznych) s¹ lasery lub pewne reakcje che-
miczne. Widzenie okrelonego koloru polega
na tym, ¿e owietlony obiekt odbija jaki kolor
lub kolory, a absorbuje inne. Jasnoæ 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 róde³ wiat³a
mo¿na u¿yæ np. wolframowych lamp ¿aro-
wych o temperaturze w³ókna 2854 K (ród³o ty-
pu A wed³ug standardu CIE _ normalizacje
w tym standardzie istniej¹ od 1924 roku. Stan-
dard CIE okrela tak¿e 28 podstawowych ko-
lorów powsta³ych z przemieszania siê trzech
kolorów pierwotnych (razem okrela 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 owietleniem
Pomiarami zwi¹zanymi z owietleniem zaj-
muje siê fotometria, a g³ówne wielkoci mierzo-
ne to strumieñ wietlny, wiat³oæ i natê¿enie
owietlenia.
Strumieñ wietlny
Φ
to liczba kwantów wie-
tlnych (fotonów) przechodz¹cych w jednostce
czasu przez powierzchniê obserwacji (S) (rys.
1). Jego miara to lumen [lm]. Dla punktowego
ród³a wiat³a o symetrii kulistej (gdzie wiat³o
rozchodzi siê we wszystkich kierunkach _ np.
w przybli¿eniu ¿arówka wolframowa to ród³o
wiat³a 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
.
wiat³oæ, zwi¹zana z jaskrawoci¹ ród³a
wiat³a jest to strumieñ emitowany przez po-
wierzchniê (S) widzian¹ pod k¹tem 1 sr _ wia-
t³oæ wyra¿a siê w kandelach [cd]. Z definicji cia-
³o czarne o powierzchni 1/60 cm
2
i temperatu-
rze 2041 K ma wiat³oæ 1 cd. Podobn¹ wia-
t³oæ ma p³omieñ wiecy (ang. candle _ wieca).
Dla niepunktowych róde³ podaje siê luminan-
cjê w stilbach [1 sb = 1 cd/cm
2
] _ powierzchni¹
czynn¹ jest rzut powierzchni ród³a wiat³a
w kierunku obserwacji (w uproszczeniu po-
wierzchnia niekulista _ rys. 2).
Miar¹ jasnoci wiat³a jest natê¿enie owie-
tlenia z jednostk¹ o nazwie luks [lx] (1 lx =
= 1 lm/1 m
2
).
Podstawowe zale¿noci, 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 wartoci natê¿enia owietlenia od
ró¿nych róde³ wiat³a:
0,1
÷
0,5 lx _ owietlenie Ksiê¿yca
0,5
÷
2 lx _ minimalna jasnoæ potrzebna do
czytania
10
÷
300 lx _ typowa jasnoæ w pokoju owie-
tlonym wiat³em s³onecznym
500
÷
3000 lx _ jasnoæ potrzebna do precyzyj-
nych, dok³adnych prac
50 000
÷
150 000 lx _ jasnoæ w s³oneczny dzieñ.
Przybli¿onym wzorcem jasnoci owietlenia
mo¿e byæ 40-watowa ¿arówka ¿arowa (w wy-
konaniu typowym!), która w odleg³oci 18 cm
wytwarza jasnoæ ok. 1000 lx. Obecnie budo-
wane mierniki natê¿enia owietlania maj¹ za-
kresy nawet do 2 Mlx (2 000 000 lx) przy do-
k³adnoci do 1% i rozdzielczoci 10
_6
lx (od-
powiednio ok. 10
_5
lm).
Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2000
ród³o
wiat³a
ϕ
Rys. 1. Ogólny model ród³a wiat³a
o symetrii kulistej
Rys. 2. Przybli¿ony model ród³a wiat³a o syme-
trii kulistej za pomoc¹ ¿arówki (pokazano rzut
wiat³a 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) wiat³a
Fotodetektory zamieniaj¹ energiê promienio-
wania wiat³a bezporednio na napiêcie, pr¹d
lub porednio przez zmianê np. rezystancji.
Najprostsza detekcja promieniowania wietlne-
go polega na pomiarze jego natê¿enia lub
d³ugoci fali, g³ównie za pomoc¹ ró¿nego ty-
pu detektorów pó³przewodnikowych lub lamp
zwanych fotokomórkami oraz fotopowielacza-
mi. Wród detektorów pó³przewodnikowych
pracuj¹cych w ró¿nych fragmentach zakresu
widma wiat³a wyró¿niamy:
q
fotorezystory (rezystancja zale¿na od owie-
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 owietlenia, transmi-
sji danych cyfrowych wiat³em 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 wietln¹ 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 wiat³a niebieskiego)
_ rys. 3.
Fotorezystor to element bezz³¹czowy o rezy-
stancji (R) zale¿nej od owietlenia (i ). Rezy-
stancjê okrela wzór R = R
c
e
-ik
, gdzie k (0,5
÷
1)
i R
c
to sta³e materia³owe. Rezystancja jasna
i ciemna to graniczne wartoci rezystancji fo-
torezystora owietlonego i bez owietlenia _
stosunek ich siêga nawet 10
6
. Przy ma³ych
owietleniach istnieje dodatkowo silna zale¿-
noæ rezystancji od temperatury. Fotorezysto-
ry wykonywane najczêciej 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 owietlenia od milise-
kund do kilku sekund.
W fotodiodzie zwarciowy pr¹d wsteczny jest
proporcjonalny w du¿ym zakresie do natê¿enia
owietlenia _ jest to zjawisko wykorzystywane
w fotometrii, jednak¿e typowe czu³oci fotodiod
wynosz¹ poni¿ej 1
µ
A/lx. Przy du¿ej powierzch-
ni pola fotodiody pr¹d ten jest wiêkszy i mo¿e
mieæ wartoæ nawet kilkanacie 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,
czêstotliwoci pracy wynosz¹ do 100 kHz
÷
10
MHz, a dla fotodiod PIN (diody z rozdzielonym
z³¹czem p-n) nawet wielu gigaherców. Coraz
czêciej stosowane fotodiody PIN maj¹ce bar-
dzo du¿¹ czu³oæ (stosowane w pomiarach
ma³ych natê¿eñ owietlenia lub w telekomuni-
kacji) wymagaj¹ specjalnych, z³o¿onych uk³a-
dów pracy. Do wzmocnienia pr¹du fotodiody
o ma³ym pr¹dzie ciemnym (bez owietlenia
pr¹d zaporowy diody powinien mieæ wartoæ
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 pojemnoci bocznikuj¹-
cej C
f
tylko 1 pF ogranicza pasmo przeno-
szenia przetwornika do czêstotliwoci ok.
160 Hz; f = 1/(2
Π
R
f
C
f
) (rys. 4). W celu posze-
rzenia pasma stosuje siê uk³ad z dodatko-
wym ród³em napiêcia, unikaj¹c prze³adowa-
nia pojemnoci 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 _ ród³a i odbiorniki wiat³a,
w tym elementy pracuj¹ce w pobli¿u zakresu
'
Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2000
widma wiat³a, 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
wiat³em widzialnym, jak i niewidzialnym (g³ów-
nie podczerwieni¹) odbitym lub zas³anianym.
Wykorzystanie promieniowania podczerwo-
nego najczêciej 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 czu³oci oka oraz czujników z germanu i krzemu
Rys. 4. Podstawowy uk³ad pracy przetwornika
owietlenie (pr¹d) _ napiêcie
Rys. 5. Poszerzony uk³ad pracy przetwornika
owietlenie (pr¹d) _ napiêcie z likwidacj¹ efektu
prze³adowania pojemnoci warstwy zaporowej
fotodiody
D³ugoæ fali [
µ
m]
Czu³oæ wzglêdna [%]