Fotómetro

Un fotómetro es un instrumento para medir cantidades fotométricas como el flujo luminoso , la iluminancia o la luminancia . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Históricamente, la fotometría se realizaba mediante estimación, comparando el flujo luminoso de una fuente con una fuente estándar. En el siglo XIX, entre los fotómetros más comunes se encontraban el fotómetro de Rumford, que comparaba la profundidad de las sombras proyectadas por diferentes fuentes de luz, y el fotómetro de Ritchie, que se basaba en la iluminación uniforme de las superficies. Otro tipo se basaba en la extinción de las sombras.

La mayoría de los fotómetros modernos detectan la luz convirtiéndola en corriente eléctrica mediante una fotorresistencia , un fotodiodo o un fotomultiplicador . Algunos modelos emplean el conteo de fotones , midiendo la luz mediante el recuento de fotones individuales. Son especialmente útiles en zonas con baja irradiancia. Los fotómetros tienen aplicaciones muy diversas, como en fotografía, donde determinan la exposición correcta, y en ciencia, donde se utilizan en espectroscopia de absorción para calcular la concentración de sustancias en una disolución, en espectroscopia infrarroja para estudiar la estructura de las sustancias y en espectroscopia de absorción atómica para determinar la concentración de metales en una disolución.

Antes del desarrollo de los elementos electrónicos fotosensibles, la fotometría se realizaba mediante estimación visual. El flujo luminoso relativo de una fuente se comparaba con el de una fuente estándar. El fotómetro se colocaba de manera que la iluminancia de la fuente investigada fuera igual a la de la fuente estándar, ya que el ojo humano puede percibir la igualdad de iluminancia. Los flujos luminosos relativos se calculaban entonces a medida que la iluminancia disminuía proporcionalmente al inverso del cuadrado de la distancia. Un ejemplo estándar de este tipo de fotómetro consiste en un trozo de papel con una mancha de aceite que lo vuelve ligeramente más transparente. Cuando la mancha no es visible desde ninguno de los lados, la iluminancia de ambos lados es igual.

Para 1861, tres tipos eran de uso común. ^{[ 3 ]} Estos eran el fotómetro de Rumford, el fotómetro de Ritchie y los fotómetros que utilizaban la extinción de sombras, que se consideraba el más preciso.

Fotómetro de Rumford

El fotómetro de Rumford (también llamado fotómetro de sombra) se basaba en el principio de que una luz más brillante proyecta una sombra más profunda. Las dos luces que se comparaban se utilizaban para proyectar una sombra sobre un papel. Si las sombras tenían la misma profundidad, la diferencia en la distancia de las luces indicaría la diferencia de intensidad (por ejemplo, una luz al doble de distancia tendría cuatro veces la intensidad).

El fotómetro de Ritchie

El fotómetro de Ritchie se basa en la iluminación uniforme de las superficies. Consiste en una caja (a,b) de seis u ocho pulgadas de largo y una de ancho y profundidad. En el centro, una cuña de madera (f,e,g) se inclinaba hacia arriba y se cubría con papel blanco. El usuario observaba a través de un tubo (d) situado en la parte superior de la caja. La altura del aparato también era ajustable mediante el soporte (c). Las luces que se comparaban se colocaban a los lados de la caja (m, n), iluminando las superficies de papel de manera que el ojo las viera simultáneamente. Al cambiar la posición de las luces, se lograba que iluminaran ambas superficies por igual, correspondiendo la diferencia de intensidad al cuadrado de la diferencia de distancia.

La mayoría de los fotómetros detectan la luz mediante fotorresistencias , fotodiodos o fotomultiplicadores . Para analizar la luz, el fotómetro puede medirla después de que haya pasado por un filtro o un monocromador , para determinar su longitud de onda o para analizar su distribución espectral .

Algunos fotómetros miden la luz contando fotones individuales en lugar del flujo incidente . Los principios de funcionamiento son los mismos, pero los resultados se dan en unidades como fotones/cm² ^o fotones·cm⁻² ^· sr⁻¹ ^en lugar de W/cm² ^o W· ^cm⁻² · ^sr⁻¹ .

Debido a su naturaleza de conteo de fotones individuales, estos instrumentos se limitan a observaciones con baja irradiancia. La irradiancia está limitada por la resolución temporal de la electrónica de lectura del detector. Con la tecnología actual, esta resolución se encuentra en el rango de los megahercios. La irradiancia máxima también está limitada por los parámetros de transmisión y ganancia del propio detector.

El elemento sensor de luz en los dispositivos de conteo de fotones en longitudes de onda infrarrojas cercanas, visibles y ultravioletas es un fotomultiplicador para lograr una sensibilidad suficiente.

En la teledetección aérea y espacial, estos contadores de fotones se utilizan en las regiones superiores del espectro electromagnético , desde los rayos X hasta el ultravioleta lejano . Esto se debe generalmente a la menor intensidad radiante de los objetos que se miden, así como a la dificultad de medir la luz a energías más altas debido a su naturaleza corpuscular, en comparación con la naturaleza ondulatoria de la luz a frecuencias más bajas. Por el contrario, los radiómetros se utilizan normalmente para la teledetección en el rango visible , infrarrojo y de radiofrecuencia .

Los fotómetros se utilizan para determinar la exposición correcta en fotografía . En las cámaras modernas , el fotómetro suele estar integrado. Dado que la iluminación varía en diferentes partes de la imagen, los fotómetros avanzados miden la intensidad de la luz en distintas zonas de la imagen potencial y utilizan un algoritmo para determinar la exposición más adecuada para la imagen final, adaptando el algoritmo al tipo de imagen deseada (véase Modo de medición ). Históricamente, el fotómetro era independiente de la cámara y se conocía como exposímetro . Los fotómetros avanzados podían utilizarse para medir la luz de la imagen potencial en su conjunto, para medir la luz de elementos de la imagen y asegurar que las partes más importantes estuvieran expuestas de forma óptima, o para medir la luz incidente en la escena con un adaptador integrador.

Un fotómetro de reflectancia mide la reflectancia de una superficie en función de la longitud de onda. La superficie se ilumina con luz blanca y la luz reflejada se mide tras pasar por un monocromador. Este tipo de medición tiene principalmente aplicaciones prácticas, por ejemplo, en la industria de la pintura para caracterizar objetivamente el color de una superficie.

Se trata de instrumentos ópticos para medir la absorción de luz de una longitud de onda determinada (o un rango específico de longitudes de onda) por sustancias coloreadas en solución. A partir de la absorción de luz, la ley de Beer permite calcular la concentración de la sustancia coloreada en la solución. Gracias a su amplia gama de aplicaciones, su fiabilidad y su robustez, el fotómetro se ha convertido en uno de los instrumentos principales en bioquímica y química analítica . Los fotómetros de absorción para trabajar en soluciones acuosas operan en los rangos ultravioleta y visible, desde aproximadamente 240  nm hasta 750  nm.

El principio de funcionamiento de los espectrofotómetros y fotómetros de filtro consiste en hacer pasar luz monocromática (en la medida de lo posible) a través de un recipiente (celda) con ventanas ópticamente planas que contiene la solución. Esta luz llega a un detector que mide su intensidad, comparándola con la intensidad que recibe al pasar por una celda idéntica con el mismo disolvente, pero sin la sustancia coloreada. A partir de la relación entre las intensidades de luz, y conociendo la capacidad de la sustancia coloreada para absorber luz (la absorbancia de la sustancia coloreada, o el área de la sección transversal de los fotones de las moléculas de la sustancia coloreada a una longitud de onda determinada), es posible calcular la concentración de la sustancia mediante la ley de Beer .

Se utilizan dos tipos de fotómetros: espectrofotómetros y fotómetros de filtro . En los espectrofotómetros, se emplea un monocromador (con prisma o rejilla ) para obtener luz monocromática de una longitud de onda definida. En los fotómetros de filtro, se utilizan filtros ópticos para generar la luz monocromática. Los espectrofotómetros se pueden configurar fácilmente para medir la absorbancia a diferentes longitudes de onda y también se pueden usar para escanear el espectro de la sustancia absorbente. De esta manera, son más flexibles que los fotómetros de filtro, proporcionan una mayor pureza óptica de la luz analizada y, por lo tanto, se prefieren para fines de investigación. Los fotómetros de filtro son más económicos, robustos y fáciles de usar, por lo que se utilizan para análisis de rutina. Los fotómetros para placas de microtitulación son fotómetros de filtro.

La espectrofotometría en luz infrarroja se utiliza principalmente para estudiar la estructura de las sustancias, ya que ciertos grupos presentan absorción en longitudes de onda definidas. Generalmente, no es posible realizar mediciones en solución acuosa, dado que el agua absorbe fuertemente la luz infrarroja en algunos rangos de longitud de onda. Por lo tanto, la espectroscopia infrarroja se realiza en fase gaseosa (para sustancias volátiles) o con las sustancias comprimidas en pastillas junto con sales transparentes en el rango infrarrojo. El bromuro de potasio (KBr) se utiliza comúnmente para este fin. La sustancia que se analiza se mezcla completamente con KBr purificado y se comprime en una pastilla transparente, que se coloca en el haz de luz. El análisis de la dependencia de la longitud de onda generalmente no se realiza con un monocromador, como en UV-Vis, sino con un interferómetro . El patrón de interferencia se puede analizar mediante un algoritmo de transformada de Fourier . De esta manera, se puede analizar simultáneamente todo el rango de longitudes de onda, ahorrando tiempo, y un interferómetro también es menos costoso que un monocromador. La luz absorbida en la región infrarroja no corresponde a la excitación electrónica de la sustancia estudiada, sino a diferentes tipos de excitación vibracional. Las excitaciones vibracionales son características de diferentes grupos dentro de una molécula, lo que permite identificarlos. El espectro infrarrojo suele presentar líneas de absorción muy estrechas, lo que lo hace inadecuado para el análisis cuantitativo, pero proporciona información muy detallada sobre las moléculas. Las frecuencias de los diferentes modos de vibración varían con el isótopo, por lo que cada isótopo produce picos distintos. Esto también permite estudiar la composición isotópica de una muestra mediante espectrofotometría infrarroja.

Los fotómetros de absorción atómica miden la luz emitida por una llama muy caliente. La solución a analizar se inyecta en la llama a un ritmo constante y conocido. Los metales presentes en la solución se encuentran en forma atómica dentro de la llama. La luz monocromática en este tipo de fotómetro se genera mediante una lámpara de descarga, donde la descarga tiene lugar en un gas que contiene el metal a determinar. La descarga emite luz con longitudes de onda que corresponden a las líneas espectrales del metal. Se puede utilizar un filtro para aislar una de las líneas espectrales principales del metal. La luz es absorbida por el metal en la llama, y ​​esta absorción se utiliza para determinar la concentración del metal en la solución original.

Los luminómetros son fotómetros sensibles que se utilizan para medir la luminiscencia y la fluorescencia en biología y química.

• Radiometría
• espectroscopia Raman
• Fotodetector : un transductor capaz de recibir una señal óptica y producir una señal eléctrica que contiene la misma información que la señal óptica.

Artículo basado parcialmente en el artículo correspondiente de la Wikipedia en sueco.