مضواء

مقياس الضوء هو أداة لقياس الكميات الضوئية مثل التدفق الضوئي أو الإضاءة أو السطوع . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تاريخياً، كانت القياسات الضوئية تُجرى بالتقدير، بمقارنة التدفق الضوئي لمصدر ما بمصدر معياري. وبحلول القرن التاسع عشر، شملت أجهزة القياس الضوئي الشائعة مقياس رومفورد الضوئي، الذي يقارن عمق الظلال التي تُلقيها مصادر ضوئية مختلفة، ومقياس ريتشي الضوئي، الذي يعتمد على تساوي إضاءة الأسطح. كما وُجد نوع آخر يعتمد على انطفاء الظلال.

تعتمد معظم أجهزة قياس الضوء الحديثة على تحويل الضوء إلى تيار كهربائي باستخدام مقاوم ضوئي أو ثنائي ضوئي أو مضاعف ضوئي . وتستخدم بعض الطرازات تقنية عد الفوتونات ، حيث تقيس الضوء عن طريق عد الفوتونات الفردية. وتُعد هذه الأجهزة مفيدة بشكل خاص في المناطق ذات الإشعاع الشمسي المنخفض. وتتعدد تطبيقات أجهزة قياس الضوء، بما في ذلك التصوير الفوتوغرافي، حيث تُستخدم لتحديد التعريض الضوئي الصحيح، والعلوم، حيث تُستخدم في مطيافية الامتصاص لحساب تركيز المواد في المحلول، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء لدراسة بنية المواد، ومطيافية الامتصاص الذري لتحديد تركيز المعادن في المحلول.

قبل تطوير العناصر الإلكترونية الحساسة للضوء، كانت قياسات الضوء تُجرى بالعين المجردة. حيث تتم مقارنة التدفق الضوئي النسبي لمصدر ضوئي بمصدر مرجعي. يُوضع مقياس الضوء بحيث تتساوى شدة الإضاءة الصادرة من المصدر قيد الدراسة مع شدة الإضاءة الصادرة من المصدر المرجعي، إذ تستطيع العين البشرية تمييز تساوي شدة الإضاءة. ومن ثم، يُمكن حساب التدفقات الضوئية النسبية، حيث تتناقص شدة الإضاءة تناسبياً مع مربع المسافة. يتكون مثال نموذجي على هذا النوع من مقاييس الضوء من ورقة عليها بقعة زيتية تجعلها أكثر شفافية قليلاً. عندما لا تكون البقعة مرئية من أي من الجانبين، تكون شدة الإضاءة من كلا الجانبين متساوية.

بحلول عام 1861، كانت ثلاثة أنواع شائعة الاستخدام. ^{[ 3 ]} وهي مقياس الضوء الخاص برومفورد، ومقياس الضوء الخاص بريتشي، ومقاييس الضوء التي تستخدم انطفاء الظلال، والتي كانت تعتبر الأكثر دقة.

مقياس الضوء الخاص برامفورد

يعتمد مقياس الضوء الخاص برامفورد (ويُسمى أيضًا مقياس الظل) على مبدأ أن الضوء الأكثر سطوعًا يُلقي ظلًا أعمق. يُستخدم مصدران ضوئيان للمقارنة لإلقاء ظل على ورقة. إذا كان الظل متساوي العمق، فإن الفرق في المسافة بين المصدرين الضوئيين يُشير إلى الفرق في شدة الإضاءة (على سبيل المثال، الضوء الذي يبعد ضعف المسافة يُعطي شدة إضاءة أعلى بأربع مرات).

مقياس الضوء الخاص بريتشي

يعتمد مقياس ريتشي الضوئي على الإضاءة المتساوية للأسطح. يتكون من صندوق (أ، ب) طوله ستة أو ثمانية بوصات، وعرضه وعمقه بوصة واحدة. في المنتصف، وُضعت قطعة خشبية (و، هـ، ز) بزاوية للأعلى ومغطاة بورق أبيض. ينظر المستخدم من خلال أنبوب (د) في أعلى الصندوق. كما يمكن تعديل ارتفاع الجهاز بواسطة الحامل (ج). وُضعت المصابيح المراد مقارنتها على جانبي الصندوق (م، ن) - مما أدى إلى إضاءة سطحي الورق بحيث ترى العين كلا السطحين في آن واحد. بتغيير موضع المصابيح، يتم إضاءة كلا السطحين بالتساوي، بحيث يتناسب الفرق في شدة الإضاءة مع مربع الفرق في المسافة.

تعتمد معظم أجهزة قياس الضوء على المقاومات الضوئية أو الثنائيات الضوئية أو المضاعفات الضوئية للكشف عن الضوء . ولتحليل الضوء، قد يقيس جهاز قياس الضوء الضوء بعد مروره عبر مرشح أو عبر مُوحِّد اللون لتحديد أطوال موجية معينة أو لتحليل التوزيع الطيفي للضوء.

تقيس بعض أجهزة قياس الضوء الضوء عن طريق عدّ الفوتونات الفردية بدلاً من التدفق الوارد . مبادئ التشغيل هي نفسها، لكن النتائج تُعطى بوحدات مثل فوتونات/سم² ^أو فوتونات·سم⁻² ^· ستراديان⁻¹ ^بدلاً من واط/سم² ^أو واط· ^سم⁻² · ^{ستراديان⁻¹} .

نظراً لطبيعة هذه الأجهزة التي تعتمد على عدّ الفوتونات الفردية، فإنها تقتصر على عمليات الرصد في المناطق ذات الإشعاع المنخفض. ويُحدَّد الإشعاع بدقة زمنية عالية لأجهزة قراءة البيانات المرتبطة بها، والتي تصل في التقنيات الحالية إلى نطاق الميغاهرتز. كما أن الحد الأقصى للإشعاع محدود أيضاً بمعاملات الإنتاجية والتضخيم الخاصة بالكاشف نفسه.

إن عنصر استشعار الضوء في أجهزة عد الفوتونات في أطوال الموجات القريبة من الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية هو مضاعف ضوئي لتحقيق حساسية كافية.

في الاستشعار عن بُعد المحمول جوًا والفضائي، تُستخدم عدادات الفوتونات هذه في الأجزاء العليا من الطيف الكهرومغناطيسي ، مثل الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية البعيدة . ويعود ذلك عادةً إلى انخفاض شدة الإشعاع للأجسام المراد قياسها، بالإضافة إلى صعوبة قياس الضوء عند الطاقات العالية نظرًا لطبيعته الجسيمية مقارنةً بطبيعته الموجية عند الترددات المنخفضة. في المقابل، تُستخدم أجهزة قياس الإشعاع عادةً للاستشعار عن بُعد في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء وصولًا إلى نطاق الترددات الراديوية .

تُستخدم مقاييس الضوء لتحديد التعريض الضوئي الأمثل في التصوير الفوتوغرافي . في الكاميرات الحديثة ، يكون مقياس الضوء مدمجًا عادةً. ونظرًا لاختلاف إضاءة أجزاء الصورة المختلفة، تقيس مقاييس الضوء المتطورة شدة الضوء في أجزاء مختلفة من الصورة المحتملة، وتستخدم خوارزمية لتحديد التعريض الضوئي الأنسب للصورة النهائية، مع تكييف الخوارزمية مع نوع الصورة المراد التقاطها (انظر وضع القياس ). تاريخيًا، كان مقياس الضوء منفصلًا عن الكاميرا ويُعرف باسم مقياس التعريض . ويمكن استخدام مقاييس الضوء المتطورة إما لقياس الضوء الصادر من الصورة المحتملة ككل، أو لقياس الضوء الصادر من عناصر الصورة للتأكد من أن أهم أجزاء الصورة مُعرَّضة بشكل مثالي، أو لقياس الضوء الساقط على المشهد باستخدام محول تكاملي.

يقيس مقياس الانعكاس الضوئي انعكاس سطح ما كدالة للطول الموجي. يُضاء السطح بضوء أبيض، ويُقاس الضوء المنعكس بعد مروره عبر مُوحِّد اللون. لهذا النوع من القياس تطبيقات عملية في المقام الأول، على سبيل المثال في صناعة الدهانات لتحديد لون السطح بموضوعية.

هذه أجهزة بصرية لقياس امتصاص الضوء عند طول موجي محدد (أو نطاق محدد من الأطوال الموجية) للمواد الملونة في المحلول. ومن خلال قياس امتصاص الضوء، يُمكن حساب تركيز المادة الملونة في المحلول باستخدام قانون بير . وبفضل نطاق تطبيقاته الواسع وموثوقيته ومتانته، أصبح مقياس الضوء أحد الأدوات الرئيسية في الكيمياء الحيوية والكيمياء التحليلية . تعمل مقاييس امتصاص الضوء المخصصة للمحاليل المائية في نطاقي الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي، من طول موجي يبلغ حوالي 240  نانومتر إلى 750  نانومتر.

يعتمد مبدأ عمل أجهزة قياس الطيف الضوئي وأجهزة قياس الضوء المرشحة على السماح (قدر الإمكان) بمرور ضوء أحادي اللون عبر وعاء (خلية) ذي نوافذ مسطحة بصريًا تحتوي على المحلول. يصل الضوء بعد ذلك إلى كاشف ضوئي، يقيس شدته مقارنةً بشدته بعد مروره عبر خلية مماثلة تحتوي على نفس المذيب ولكن بدون المادة الملونة. من خلال نسبة شدتي الضوء، ومعرفة قدرة المادة الملونة على امتصاص الضوء (امتصاصية المادة الملونة، أو مساحة المقطع العرضي للفوتون لجزيئات المادة الملونة عند طول موجي معين)، يمكن حساب تركيز المادة باستخدام قانون بير .

يُستخدم نوعان من أجهزة قياس الضوء: مطياف الضوء ومقياس الضوء المرشح . في مطياف الضوء، يُستخدم مُوحِّد اللون (باستخدام موشور أو محزز حيود ) للحصول على ضوء أحادي اللون بطول موجي مُحدد. أما في مقياس الضوء المرشح، فتُستخدم مرشحات ضوئية لتوفير الضوء أحادي اللون. وبذلك، يُمكن ضبط مطياف الضوء بسهولة لقياس الامتصاص عند أطوال موجية مختلفة، كما يُمكن استخدامه لمسح طيف المادة الماصة. وبهذه الطريقة، يُعد مطياف الضوء أكثر مرونة من مقياس الضوء المرشح، كما أنه يُوفر نقاءً بصريًا أعلى للضوء المُحلل، ولذلك يُفضل استخدامه لأغراض البحث. أما مقياس الضوء المرشح فهو أرخص وأكثر متانة وأسهل استخدامًا، ولذلك يُستخدم في التحليلات الروتينية. وتُعد أجهزة قياس الضوء المستخدمة في صفائح المعايرة الدقيقة من نوع مقياس الضوء المرشح.

يُستخدم قياس الطيف الضوئي بالأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي لدراسة بنية المواد، حيث تمتص مجموعات معينة أطوال موجية محددة. لا يُمكن عادةً إجراء القياس في المحاليل المائية، لأن الماء يمتص الأشعة تحت الحمراء بقوة في بعض نطاقات الأطوال الموجية. لذلك، يُجرى التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء إما في الحالة الغازية (للمواد المتطايرة) أو باستخدام المواد المضغوطة على شكل أقراص مع أملاح شفافة في نطاق الأشعة تحت الحمراء. يُستخدم بروميد البوتاسيوم (KBr) عادةً لهذا الغرض. تُخلط المادة المراد اختبارها جيدًا مع بروميد البوتاسيوم النقي، ثم تُضغط على شكل قرص شفاف، يُوضع في مسار شعاع الضوء. لا يُجرى تحليل اعتماد الطول الموجي عادةً باستخدام مُوحِّد اللون كما هو الحال في الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، بل باستخدام مقياس التداخل . يُمكن تحليل نمط التداخل باستخدام خوارزمية تحويل فورييه . بهذه الطريقة، يُمكن تحليل نطاق الطول الموجي بأكمله في وقت واحد، مما يوفر الوقت، كما أن مقياس التداخل أقل تكلفة من مُوحِّد اللون. لا يرتبط الضوء الممتص في منطقة الأشعة تحت الحمراء بالإثارة الإلكترونية للمادة المدروسة، بل بأنواع مختلفة من الإثارة الاهتزازية. وتُعدّ هذه الإثارات الاهتزازية سمة مميزة لمجموعات مختلفة في الجزيء، ما يُتيح تحديدها. يتميز طيف الأشعة تحت الحمراء عادةً بخطوط امتصاص ضيقة جدًا، مما يجعله غير مناسب للتحليل الكمي، ولكنه يُوفر معلومات دقيقة للغاية عن الجزيئات. وتختلف ترددات أنماط الاهتزاز المختلفة باختلاف النظائر، وبالتالي تُعطي النظائر المختلفة قممًا مختلفة. وهذا يُتيح أيضًا دراسة التركيب النظائري للعينة باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء.

مقاييس الامتصاص الذري هي مقاييس ضوئية تقيس الضوء المنبعث من لهب شديد الحرارة. يُحقن المحلول المراد تحليله في اللهب بمعدل ثابت ومعروف. توجد المعادن في المحلول على شكل ذرات داخل اللهب. يُولّد الضوء أحادي اللون في هذا النوع من المقاييس بواسطة مصباح تفريغ كهربائي، حيث يحدث التفريغ في غاز يحتوي على المعدن المراد تحديده. ثم يُصدر التفريغ ضوءًا بأطوال موجية تتوافق مع الخطوط الطيفية للمعدن. يمكن استخدام مرشح لعزل أحد الخطوط الطيفية الرئيسية للمعدن المراد تحليله. يمتص المعدن الضوء في اللهب، ويُستخدم هذا الامتصاص لتحديد تركيز المعدن في المحلول الأصلي.

أجهزة قياس الإضاءة هي أجهزة قياس ضوئية حساسة تستخدم لقياس الإضاءة والتألق في علم الأحياء والكيمياء.

• القياس الإشعاعي
• مطيافية رامان
• كاشف ضوئي – محول طاقة قادر على استقبال إشارة ضوئية وإنتاج إشارة كهربائية تحتوي على نفس المعلومات الموجودة في الإشارة الضوئية.

هذا المقال مستوحى جزئياً من المقال المقابل في ويكيبيديا السويدية.