โฟโตมิเตอร์

โฟโตมิเตอร์เป็นเครื่องมือสำหรับวัด ปริมาณ โฟโตเมตริกเช่นฟลักซ์ส่องสว่างความสว่างหรือความส่องสว่าง^{[ 1 ] [ 2 ]}

ในอดีต การวัดแสงทำโดยการประมาณค่า โดยเปรียบเทียบฟลักซ์แสงของแหล่งกำเนิดแสงกับแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐาน ในศตวรรษที่ 19 เครื่องวัดแสงที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ เครื่องวัดแสงของรัมฟอร์ด ซึ่งเปรียบเทียบความลึกของเงาที่เกิดจากแหล่งกำเนิดแสงที่แตกต่างกัน และเครื่องวัดแสงของริตชี ซึ่งอาศัยหลักการส่องสว่างพื้นผิวอย่างเท่าเทียมกัน อีกประเภทหนึ่งคือเครื่องวัดแสงที่ใช้หลักการดับแสงของเงา

เครื่องวัดแสงสมัยใหม่ส่วนใหญ่ตรวจจับแสงโดยการแปลงแสงเป็นกระแสไฟฟ้าโดยใช้ตัวต้านทานแสงไดโอดแสงหรือตัวคูณแสงบางรุ่นใช้การนับโฟตอนโดยวัดแสงโดยการนับโฟตอนแต่ละตัว เครื่องวัดแสงมีประโยชน์อย่างยิ่งในพื้นที่ที่มีความเข้มของแสงต่ำ เครื่องวัดแสงมีการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการถ่ายภาพ ซึ่งใช้ในการกำหนดค่าแสงที่ถูกต้อง และในวิทยาศาสตร์ ซึ่งใช้ในสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงเพื่อคำนวณความเข้มข้นของสารในสารละลายสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดเพื่อศึกษาโครงสร้างของสาร และสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงอะตอมเพื่อกำหนดความเข้มข้นของโลหะในสารละลาย

ก่อนที่จะมีการพัฒนาองค์ประกอบไวแสงอิเล็กทรอนิกส์การวัดแสงจะทำโดยการประมาณด้วยสายตา โดย เปรียบเทียบ ฟลักซ์แสงสัมพัทธ์ของแหล่งกำเนิดแสงกับแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐาน เครื่องวัดแสงจะถูกวางในตำแหน่งที่ความสว่างจากแหล่งกำเนิดแสงที่กำลังตรวจสอบเท่ากับแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐาน เนื่องจากสายตาของมนุษย์สามารถตัดสินได้ว่าความสว่างเท่ากัน จากนั้นจึงสามารถคำนวณฟลักซ์แสงสัมพัทธ์ได้ เนื่องจากความสว่างจะลดลงตามสัดส่วนผกผันของกำลังสองของระยะทาง ตัวอย่างมาตรฐานของเครื่องวัดแสงดังกล่าวคือกระดาษแผ่นหนึ่งที่มีคราบน้ำมันอยู่ ทำให้กระดาษโปร่งแสงขึ้นเล็กน้อย เมื่อมองไม่เห็นคราบน้ำมันจากด้านใดด้านหนึ่ง ความสว่างจากทั้งสองด้านจะเท่ากัน

ภายในปี พ.ศ. 2404 มีการใช้งานเครื่องวัดแสงสามประเภทที่ใช้กันทั่วไป^{[ 3 ]}ได้แก่ เครื่องวัดแสงของรัมฟอร์ด เครื่องวัดแสงของริตชี และเครื่องวัดแสงที่ใช้การดับของเงา ซึ่งถือว่ามีความแม่นยำที่สุด

เครื่องวัดแสงของรัมฟอร์ด (หรือเรียกว่าเครื่องวัดแสงเงา) อาศัยหลักการที่ว่าแสงที่สว่างกว่าจะทำให้เกิดเงาที่ลึกกว่า โดยใช้แสงสองดวงที่ต้องการเปรียบเทียบกันมาฉายเงาลงบนกระดาษ ถ้าเงาทั้งสองมีความลึกเท่ากัน ความแตกต่างของระยะห่างระหว่างแสงจะบ่งบอกถึงความแตกต่างของความเข้มของแสง (เช่น แสงที่อยู่ไกลเป็นสองเท่าจะมีความเข้มเป็นสี่เท่า)

เครื่องวัดแสงของริตชีอาศัยหลักการส่องสว่างพื้นผิวอย่างเท่าเทียมกัน ประกอบด้วยกล่อง (a,b) ยาวหกหรือแปดนิ้ว กว้างและลึกหนึ่งนิ้ว ตรงกลางมีลิ่มไม้ (f,e,g) เอียงขึ้นและหุ้มด้วยกระดาษสีขาว ผู้ใช้มองผ่านท่อ (d) ที่ด้านบนของกล่อง ความสูงของอุปกรณ์สามารถปรับได้โดยใช้ขาตั้ง (c) ไฟที่ใช้เปรียบเทียบวางไว้ด้านข้างของกล่อง (m, n) ซึ่งส่องสว่างพื้นผิวกระดาษเพื่อให้ดวงตาเห็นทั้งสองพื้นผิวพร้อมกัน โดยการเปลี่ยนตำแหน่งของไฟ จะทำให้ส่องสว่างทั้งสองพื้นผิวอย่างเท่าเทียมกัน โดยความแตกต่างของความเข้มจะสอดคล้องกับกำลังสองของความแตกต่างของระยะทาง

เครื่องวัดแสงชนิดนี้อาศัยข้อเท็จจริงที่ว่า หากแสงตกกระทบเงาของวัตถุทึบแสงลงบนจอสีขาว จะมีระยะห่างระยะหนึ่งที่หากนำแสงที่สองมาส่องที่ระยะนั้น เงาทั้งหมดจะหายไป

เครื่องวัดแสงส่วนใหญ่ตรวจจับแสงด้วยตัวต้านทานแสงไดโอดแสงหรือตัวคูณแสงในการวิเคราะห์แสง เครื่องวัดแสงอาจวัดแสงหลังจากที่แสงผ่านตัวกรองหรือผ่านเครื่องแยกแสงเพื่อหาความยาวคลื่น ที่กำหนด หรือเพื่อวิเคราะห์การกระจายสเปกตรัมของแสง

โฟโตมิเตอร์บางชนิดวัดแสงโดยการนับโฟตอน แต่ละตัว แทนที่จะ วัด ฟลักซ์ ที่เข้ามา หลักการทำงานเหมือนกัน แต่ผลลัพธ์จะแสดงในหน่วย เช่น โฟตอน/cm² หรือ ^โฟตอน·cm⁻² ^· sr⁻¹ ^{แทนที่จะ}เป็น W/cm² ^หรือ W· ^cm⁻² · ^sr⁻¹

เนื่องจากลักษณะการนับโฟตอนแต่ละตัว เครื่องมือเหล่านี้จึงมีข้อจำกัดในการสังเกตการณ์เฉพาะบริเวณที่มีความเข้มของแสงต่ำ ความเข้มของแสงถูกจำกัดด้วยความละเอียดเชิงเวลาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการอ่านค่าจากตัวตรวจจับ ซึ่งด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน ความละเอียดนี้อยู่ในช่วงเมกะเฮิร์ตซ์ ความเข้มของแสงสูงสุดยังถูกจำกัดด้วยอัตราการส่งผ่านและพารามิเตอร์การขยายสัญญาณของตัวตรวจจับเองด้วย

องค์ประกอบตรวจจับแสงในอุปกรณ์นับโฟตอนในย่านความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ แสงที่มองเห็นได้ และรังสีอัลตราไวโอเลต คือ โฟโตมัลติพลายเออร์ เพื่อให้ได้ความไวที่เพียงพอ

ใน การสำรวจระยะไกลทางอากาศและอวกาศนั้น เครื่องนับโฟตอนจะถูกใช้ในย่านความถี่สูงของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเช่น ตั้งแต่ รังสีเอ็กซ์ไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลตไกล โดยปกติแล้วจะเป็นเพราะความเข้มของการแผ่รังสีของวัตถุที่วัดนั้นต่ำกว่า รวมถึงความยากลำบากในการวัดแสงที่มีพลังงานสูงโดยใช้ลักษณะที่เป็นอนุภาคของแสงเมื่อเทียบกับลักษณะที่เป็นคลื่นของแสงที่ความถี่ต่ำกว่า ในทางกลับกัน เครื่องวัดรังสีมักใช้สำหรับการสำรวจระยะไกลในช่วง คลื่นแสง ที่มองเห็นได้อินฟราเรดไปจนถึงคลื่นวิทยุ

เครื่องวัดแสง (Photometer) ใช้ในการกำหนดค่าแสง ที่ถูกต้อง ในการถ่ายภาพ ใน กล้องสมัยใหม่เครื่องวัดแสงมักจะติดตั้งมาในตัวกล้องอยู่แล้ว เนื่องจากความสว่างของส่วนต่างๆ ในภาพแตกต่างกัน เครื่องวัดแสงขั้นสูงจะวัดความเข้มของแสงในส่วนต่างๆ ของภาพที่ต้องการถ่าย และใช้อัลกอริทึมในการกำหนดค่าแสงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับภาพสุดท้าย โดยปรับอัลกอริทึมให้เข้ากับประเภทของภาพที่ต้องการถ่าย (ดูโหมดการวัดแสง ) ในอดีต เครื่องวัดแสงจะแยกออกจากกล้องและเรียกว่า เครื่องวัด ค่าแสง (Exposure Meter ) เครื่องวัดแสงขั้นสูงในสมัยนั้นสามารถใช้ได้ทั้งวัดแสงจากภาพโดยรวม วัดจากองค์ประกอบต่างๆ ของภาพเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนที่สำคัญที่สุดของภาพได้รับแสงอย่างเหมาะสม หรือวัดแสงที่ตกกระทบลงบนฉากโดยใช้อะแดปเตอร์รวมแสง (Integrating Adapter)

เครื่อง วัด การสะท้อนแสง (Reflectance photometer) วัดค่าการสะท้อนแสงของพื้นผิวโดยขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น โดยจะฉายแสงสีขาวไปยังพื้นผิว และวัดแสงสะท้อนหลังจากผ่านตัวกรองแสง (Monochromator) การวัดประเภทนี้ส่วนใหญ่มีประโยชน์ในทางปฏิบัติ เช่น ในอุตสาหกรรมสี เพื่อใช้ในการระบุสีของพื้นผิวอย่างเป็นกลาง

เครื่องมือเหล่านี้เป็นเครื่องมือทางแสงสำหรับวัดการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นที่กำหนด (หรือช่วงความยาวคลื่นที่กำหนด) ของสารสีในสารละลาย จากการดูดกลืนแสงนั้นกฎของเบียร์ทำให้สามารถคำนวณความเข้มข้นของสารสีในสารละลายได้ เนื่องจากมีขอบเขตการใช้งานที่กว้างขวาง ความน่าเชื่อถือ และความทนทาน เครื่องวัดการดูดกลืนแสงจึงกลายเป็นเครื่องมือหลักอย่างหนึ่งในชีวเคมีและเคมีวิเคราะห์เครื่องวัดการดูดกลืนแสงที่ใช้ในสารละลายในน้ำทำงานในช่วงอัลตราไวโอเลตและช่วงแสงที่มองเห็นได้ ตั้งแต่ความยาวคลื่นประมาณ 240 นาโนเมตรถึง 750 นาโนเมตร

หลักการของสเปกโตรโฟโตมิเตอร์และฟิลเตอร์โฟโตมิเตอร์คือ การปล่อยให้แสงเอกรงค์ผ่านภาชนะ (เซลล์) ที่มีหน้าต่างเรียบ ทางแสงซึ่งบรรจุสารละลาย (ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้) จากนั้นแสงจะไปถึงตัวตรวจจับแสง ซึ่งจะวัดความเข้มของแสงเมื่อเทียบกับความเข้มของแสงหลังจากผ่านเซลล์ที่เหมือนกันซึ่งมีตัวทำละลายชนิดเดียวกันแต่ไม่มีสารสี จากอัตราส่วนระหว่างความเข้มของแสง โดยทราบความสามารถในการดูดซับแสงของสารสี (ค่าการดูดซับของสารสี หรือพื้นที่หน้าตัดของโมเลกุลของสารสีที่ความยาวคลื่นที่กำหนด) ก็สามารถคำนวณความเข้มข้นของสารได้โดยใช้กฎของเบียร์

เครื่องวัดแสงมีสองประเภท ได้แก่ สเปกโตรโฟโตมิเตอร์และฟิลเตอร์ โฟโตมิเตอร์ ในสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ จะใช้โมโนโครมาเตอร์ (ที่มีปริซึมหรือตะแกรง ) เพื่อให้ได้แสง เอกรงค์ที่มีความยาวคลื่นที่กำหนดไว้ ในฟิลเตอร์โฟโตมิเตอร์ จะใช้ตัวกรองแสงเพื่อให้ได้แสงเอกรงค์ สเปกโตรโฟโตมิเตอร์จึงสามารถตั้งค่าเพื่อวัดการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ ได้ง่าย และยังสามารถใช้สแกนสเปกตรัมของสารที่ดูดกลืนแสงได้ด้วย ในแง่นี้ สเปกโตรโฟโตมิเตอร์จึงมีความยืดหยุ่นมากกว่าฟิลเตอร์โฟโตมิเตอร์ ให้ความบริสุทธิ์ทางแสงของแสงที่วิเคราะห์ได้สูงกว่า และจึงนิยมใช้ในงานวิจัยมากกว่า ฟิลเตอร์โฟโตมิเตอร์มีราคาถูกกว่า ทนทานกว่า และใช้งานง่ายกว่า จึงใช้สำหรับการวิเคราะห์ทั่วไป เครื่องวัดแสงสำหรับไมโครไทเทอร์เพลทเป็นฟิลเตอร์โฟโตมิเตอร์

การวัดสเปกตรัมด้วยแสงอินฟราเรดส่วนใหญ่ใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างของสาร เนื่องจากหมู่ฟังก์ชันที่กำหนดจะให้การดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นที่แน่นอน การวัดในสารละลายในน้ำโดยทั่วไปเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากน้ำดูดกลืนแสงอินฟราเรดอย่างรุนแรงในช่วงความยาวคลื่นบางช่วง ดังนั้นการวัดสเปกตรัม ด้วยแสงอินฟราเรด จึงทำในสถานะก๊าซ (สำหรับสารระเหย) หรือกับสารที่อัดเป็นเม็ดพร้อมกับเกลือที่โปร่งใสในช่วงอินฟราเรดโพแทสเซียมโบรไมด์ (KBr) มักใช้สำหรับวัตถุประสงค์นี้ สารที่ต้องการทดสอบจะถูกผสมอย่างทั่วถึงกับ KBr ที่บริสุทธิ์เป็นพิเศษและอัดเป็นเม็ดโปร่งใส จากนั้นวางไว้ในลำแสง การวิเคราะห์การพึ่งพาความยาวคลื่นโดยทั่วไปไม่ได้ทำโดยใช้โมโนโครมาเตอร์เหมือนใน UV-Vis แต่ใช้อินเตอร์เฟอโรเมตรรูปแบบการรบกวนสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้อัลกอริธึมการแปลงฟูริเยร์ ด้วยวิธีนี้ สามารถวิเคราะห์ช่วงความยาวคลื่นทั้งหมดได้พร้อมกัน ประหยัดเวลา และอินเตอร์เฟอโรเมตรยังมีราคาถูกกว่าโมโนโครมาเตอร์อีกด้วย แสงที่ถูกดูดกลืนในย่านอินฟราเรดไม่ได้สอดคล้องกับการกระตุ้นทางอิเล็กตรอนของสารที่ศึกษา แต่สอดคล้องกับการกระตุ้นการสั่นสะเทือนประเภทต่างๆ การกระตุ้นการสั่นสะเทือนเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะของกลุ่มต่างๆ ในโมเลกุล ซึ่งสามารถระบุได้ด้วยวิธีนี้ สเปกตรัมอินฟราเรดโดยทั่วไปมีเส้นดูดกลืนที่แคบมาก ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณ แต่ให้ข้อมูลที่ละเอียดมากเกี่ยวกับโมเลกุล ความถี่ของโหมดการสั่นสะเทือนต่างๆ จะแตกต่างกันไปตามไอโซโทป ดังนั้นไอโซโทปที่แตกต่างกันจึงให้ยอดที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถศึกษาองค์ประกอบไอโซโทปของตัวอย่างด้วยสเปกโทรโฟโตเมตรีอินฟราเรดได้เช่นกัน

เครื่องวัดแสงแบบดูดกลืนอะตอม (Atomic absorption photometer) เป็นเครื่องวัดแสงที่วัดแสงจากเปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูงมาก สารละลายที่จะวิเคราะห์จะถูกฉีดเข้าไปในเปลวไฟด้วยอัตราคงที่ที่ทราบค่า โลหะในสารละลายจะอยู่ในรูปอะตอมในเปลวไฟ แสงเอกรงค์ในเครื่องวัดแสงชนิดนี้ถูกสร้างขึ้นโดยหลอดปล่อยประจุ ซึ่งการปล่อยประจุเกิดขึ้นในก๊าซที่มีโลหะที่จะวิเคราะห์ การปล่อยประจุจะปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นตรงกับเส้นสเปกตรัมของโลหะ อาจใช้ตัวกรองเพื่อแยกเส้นสเปกตรัมหลักเส้นใดเส้นหนึ่งของโลหะที่จะวิเคราะห์ แสงจะถูกดูดกลืนโดยโลหะในเปลวไฟ และการดูดกลืนนี้จะถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดความเข้มข้นของโลหะในสารละลายเริ่มต้น

ลูมิโนมิเตอร์เป็นโฟโตมิเตอร์ที่มีความไวสูง ซึ่งใช้ในการวัดการเรืองแสงและฟลูออเรสเซนซ์ในทางชีววิทยาและเคมี

• การวัดรังสี
• สเปกโทรสโกปีรามาน
• โฟโตดีเทคเตอร์ – อุปกรณ์แปลงสัญญาณที่สามารถรับสัญญาณแสงและสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่มีข้อมูลเดียวกันกับสัญญาณแสงนั้น