Valoanturit vaikuttavat melko yksinkertaisilta. Ne aistivat valoa, aivan kuten lämpömittari aistii lämpötilan ja nopeusmittari aistii nopeuden. Lämpötila ja nopeus on helppo ymmärtää, koska aistimme ne suoraviivaisesti. Mutta valo on hyvin monimutkainen. Lämpötila ja nopeus ovat intensiivisiä ominaisuuksia, joten ne eivät riipu esineen massasta tai koosta. Valoa voidaan mitata ekstensiivisenä ominaisuutena, jolloin kerätyn valon kokonaismäärä riippuu keräimen koosta (esim. kaatopaikan aurinkokenno kerää enemmän valoa kuin pikkuruinen aurinkopuhelinlaturi), tai intensiivisesti jakamalla pinta-alalla.

Mutta mitä valosensorit edes mittaavat? Fotoneja? Energiaa? Se on monimutkaista. Yksiköt on tärkeää ymmärtää, ennen kuin yritämme ymmärtää valosensoreita.

Valosensoreiden yksiköt

Ennen kuin voimme kunnolla ymmärtää valosensoreita ja niiden soveltamista, meidän on kyettävä määrittämään valon määrä. Valitettavasti valon mittaamisessa käytetään outoja yksiköitä. Esimerkiksi hehkulamput mitataan yleensä lumeneita käyttäen, mutta valosensorit mittaavat yleensä luksia. Kaiken lisäksi sekä lumenit että luxit perustuvat salaperäiseen perusyksikköön nimeltä kandela.

Kandela

Tätä yksikköä käytetään kuvaamaan valon voimakkuutta eli sitä, kuinka voimakkaana valo näkyy ihmissilmälle. Se perustuu SI-viralliseen kaavaan, jossa valonsäteen jokainen aallonpituus painotetaan sen mukaan, kuinka herkkä ihmissilmä on sille. Mitä suurempi valonsäteen valovoima on, sitä herkempi ihmissilmä on sille. (Kandelat tunnettiin aiemmin nimellä ”kynttilät”, ja tavallisen kynttilän valovoima on noin yksi kandela. Eikö olekin fiksua?) Kandelaa ei käytetä hehkulamppujen ja taskulamppujen vertailuun siksi, että valonsäteen voimakkuus ei riipu vain lampun tehosta, vaan myös siitä, kuinka suuri osa tästä tehosta keskittyy tiettyyn suuntaan. Useimmissa taskulampuissa käytetään lampun takana olevia peilejä, jotka keskittävät enemmän valoa ulostulosuuntaan ja näyttävät siten kirkkaammilta. Tämä tarkoittaa, että lampun voimakkuus tietyssä suunnassa kasvaa, vaikka se käyttää saman verran tehoa ja säteilee saman kokonaisvalomäärän. Jotta hehkulampun tehoa voidaan mitata oikein, tarvitaan uusi yksikkö: lumen.

Lumen

Lumenia käytetään hehkulampun kokonaisvalovirran mittaamiseen. Se on valovoiman (kandeloissa) ja säteen täyttämän avaruuskulman (steradiaaneissa) tulo. Kaikkiin suuntiin valoa säteilevän lampun valovoima voi olla 10 kandelaa, joka kerrottuna täydellä 4π steradiaanilla on 126 lumenin valovirta. Kuten taskulampun sisällä, lampun toisella puolella oleva peili saisi toisen puolen näyttämään kirkkaammalta, koska puolet lampun tehosta heijastuu. Valon voimakkuus kaksinkertaistuisi 20 kandelaan, mutta avaruuskulma puolittuisi 2π steradiaaniin. Kun peiliä vastapäätä olevan valon voimakkuus ja uusi avaruuskulma kerrotaan, saadaan edelleen 126 lumenin valovirta. Riippumatta siitä, miten valo heijastetaan ja keskitetään, tämä lamppu tuottaa aina 126 lumenin valovirran.

Lux

Jos hehkulamput mitoitetaan käyttäen lumenia, miksi valoantureiden on käytettävä eri yksikköä? Sen takia muusikot eivät sokeudu konserteissa. Yksittäinen taskulamppu saattaa vaikuttaa häikäisevältä, kun se loistaa tuuman päässä Draken silmistä, mutta meri puhelimien taskulamppuja, jotka on suunnattu lavalle, ei ole lainkaan kirkas. Koska valo hajoaa, kun se lähtee puhelimesta, vain pieni määrä valoa osuu hänen silmiinsä lavalla. Kun kohde etääntyy valonlähteestä, myös sen saama osuus valosta pienenee. Pinnan havaitseman valovirran eli valaistusvoimakkuuden mittaamiseen käytetään yksikköä nimeltä luksi, joka vastaa yhtä lumenia neliömetriä kohti. Samalla etäisyydellä valonlähteestä yhden neliömetrin levyyn kohdistuu sama valaistusvoimakkuus kuin 10 neliömetrin levyyn. Suurempi levy kerää kymmenen kertaa enemmän valoa, jos valovirta mitataan lumeina, mutta sen pinta-ala on yhtä suuri, joten valaistusvoimakkuus on sama. Jos levyt liikkuvat kohti valonlähdettä, kunkin levyn peittämä avaruuskulma kasvaa ja siten myös valaistusvoimakkuus kasvaa. Valon voimakkuus on vakio, ja levyjen pinta-ala on vakio, mutta niiden täyttämä avaruuskulma kasvaa, joten niiden saama valaistusvoimakkuus kasvaa. Valoantureiden on mitattava valaistusvoimakkuutta, koska se edustaa valoa, joka kohdistuu pinta-alayksikköön, ja koska ne eivät voi tietää, minkä avaruuskulman ne valtaavat.

Valoantureiden käyttötarkoitukset

Sijoituspaikan havaitseminen

Valoanturit mittaavat valaistusvoimakkuutta, jolla voidaan mitata muutakin kuin valonlähteen kirkkautta. Koska valaistusvoimakkuus pienenee, kun anturi etääntyy tasaisesta valosta, valosensorin avulla voidaan mitata suhteellista etäisyyttä valonlähteestä.

Kuvio 1: Kuvaaja näyttää valaistusvoimakkuuden ja etäisyyden suhteen

Valosensorit ovat lähes aina tasainen, yksipuolinen pinta, joten valonlähteestä katsottuna anturin valtaama avaruuskulma voi muuttua sen suuntauksesta riippuen. Kun valoanturi on kohtisuorassa valon suuntaan nähden, se on suurimmassa mahdollisessa avaruuskulmassa. Kun valoanturi kääntyy poispäin valosta, sen avaruuskulma pienenee, jolloin myös valaistusvoimakkuus pienenee, kunnes lopulta valoanturi ei havaitse suoraa valaistusvoimakkuutta, kun se on samansuuntainen valonsäteiden kanssa tai kun se on suunnattu poispäin. Tätä tosiasiaa voidaan käyttää valonsäteen anturiin osuvan kulman määrittämiseen.

Kuva 2: Kuvaaja osoittaa valaistusvoimakkuuden ja kulman välisen suhteen

Kirkkauden säätö

Valoantureilla on monia käyttötarkoituksia. Yleisin käyttö jokapäiväisessä elämässämme on matkapuhelimissa ja tableteissa. Useimmissa kannettavissa henkilökohtaisissa elektroniikkalaitteissa on nykyään ympäristön valoisuusanturit, joita käytetään kirkkauden säätämiseen. Jos laite havaitsee, että se on pimeässä paikassa, se pienentää näytön kirkkautta säästääkseen virtaa eikä yllättää käyttäjää erittäin kirkkaalla näytöllä.

Toinen yleinen käyttötapa valosensoreille on autojen ja katulamppujen automaattivalojen ohjaus. Käyttämällä valotunnistinta lampun käynnistämiseen, kun ulkona on pimeää, säästytään pieneltä vaivannäöltä valojen sytyttämiseltä ja säästetään virtaa päivällä, kun aurinko on riittävän kirkas.

Turva

Käyttökohteita on kuitenkin paljon muitakin kuin kuluttajan mukavuus. Säiliöihin tai huoneisiin tunkeutumisen havaitseminen on tärkeä turvallisuussovellus. Kun kuljetetaan kallista rahtia, voi olla tärkeää tietää, milloin kuljetuskontti on avattu, jotta tapaukset, joissa tuote on kadonnut, voidaan ratkaista helpommin. Halpaa valovastusta voitaisiin käyttää kirjaamaan joka kerta, kun kontti avataan, jolloin voidaan selvittää, missä vaiheessa prosessia varkaat ryöstivät kontin, tai jos lähettäjä oli epärehellinen ja väitti, että kontti on täytynyt ryöstää.

Vaikka valosensorit ovat ainoat tuotteet, jotka pystyvät antamaan mielekkäitä tietoja valosta, monet muutkin tavarat ovat herkkiä valolle. Esimerkiksi paperille painetut maalaukset ja valokuvat sekä vanhemmat taideteokset voivat vahingoittua auringonvalolle altistumisesta, joten on tärkeää tietää, kuinka paljon valoa ne altistuvat. Taideteosta kuljetettaessa valoisuusanturia voitaisiin käyttää varmistamaan, ettei sitä ole jätetty liian pitkäksi aikaa auringonpaisteeseen.

Suunnittelu

Valoisuusanturia voitaisiin käyttää myös taideteoksen sijoittamisessa pysyvään paikkaan. Museon sisäänkäynnin tai ikkunoiden läheisyydessä olevilla alueilla auringonvalo voi olla liian voimakasta tietyille materiaaleille, joten valotunnistinta voitaisiin käyttää taiteen sijoittamiseen sopivasti. Tämä on samanlainen menetelmä kuin aurinkopaneelien sijoittamisessa koteihin tai pelloille. Ei ole järkevää rakentaa ja asentaa aurinkopaneelia tiettyyn paikkaan, jos se ei saa paljon suoraa auringonvaloa, joten valotunnistimen avulla etsitään paras paikka, jossa on voimakkain suora auringonvalo. (Kuten mainitsin, aurinkopaneeli on vain hyvin suuri valoanturi, mutta on helpompaa käyttää kädessä pidettävää laitetta auringonvalon testaamiseen kuin itse paneelia.)

Viljely

Auringonvalolla on tärkeitä vaikutuksia maatalouteen, erityisesti vesipulassa elävässä Amerikan lännessä. Eri viljelykasvit tarvitsevat eri määrän auringonvaloa, joten on tärkeää tietää, mitkä tontit saavat eniten valoa. Koska Utahin kaltaisissa paikoissa vesivarannot käyvät yhä ahtaammiksi, maanviljelijöillä on taloudellinen ja sosiaalinen velvollisuus rajoittaa vedenkulutusta ja samalla pitää viljelykasvit kosteina. Yksi käytössä oleva taktiikka on kastella viljelykasvit iltapäivällä tai illalla, jotta kuuma aurinko ei keittäisi vettä pois ennen kuin maaperä ja kasvit ehtivät imeä sitä kunnolla. Valoanturia voitaisiin käyttää sprinklerijärjestelmän automaattiseen ohjaukseen, jolloin kastelu tapahtuisi vain silloin, kun aurinko ei ole kirkkaimmillaan. Kun järjestelmä yhdistetään muihin säävalvontalaitteisiin lämpötilaa, painetta ja kosteutta koskevien tietojen keräämiseksi, se voi paitsi kastella silloin, kun aurinko on hämärässä, myös havaita älykkäästi tulevan sateen tai pilvet ja optimoida kasteluohjelman.

Miten valosensorit toimivat

Nyt kun ymmärrät valoa määrittelevien yksiköiden sekamelskan, voimme alkaa ymmärtää, miten valaistusvoimakkuus määritetään valosensoreiden avulla.

Fotodiodi

Valosensorit käyttävät joskus valaistusvoimakkuuden mittaamiseen komponenttia nimeltä fotodiodi. Kun valonsäteet osuvat fotodiodiin, niillä on taipumus irrottaa elektroneja, jolloin sähkövirta virtaa. Mitä kirkkaampi valo on, sitä voimakkaampi sähkövirta on. Virta voidaan sitten mitata valon valaistusvoimakkuuden palauttamiseksi. Jos valon aiheuttama sähkövirta kuulostaa tutulta, se johtuu siitä, että tämä on liikennemerkeissä ja kodeissa käytettävien aurinkopaneelien toimintaperiaate. Aurinkopaneelit ovat pohjimmiltaan hyvin suuria fotodiodivaloantureita.

Fotoresistori

Toinen valoisuusanturityyppi on fotoresistori. Valoresistori on valosta riippuvainen vastus, mikä tarkoittaa, että jos siihen kohdistuvan valon kirkkaus muuttuu, vastus muuttuu. Valoresistorit ovat halvempia kuin valodiodit, mutta ne ovat paljon epätarkempia, joten niitä käytetään lähinnä suhteellisten valotasojen vertailuun tai yksinkertaisesti siihen, onko valo päällä vai pois päältä.

Käytettävissä olevat valoisuusanturit

Kuten aiemmin mainittiin, valoisuusanturit (valoresistorit ja valodiodit) ovat monikäyttöisiä eivätkä kovin kalliita, joten tarjolla on paljon vaihtoehtoja peruskomponenteista erittäin tarkkoihin tiedonkeruulaitteisiin.

Yksi tapa kerätä valaistusvoimakkuusdataa on käyttää tavanomaisia pieniä laskenta-alustoja, kuten Arduinoa tai Raspberry Pi:tä. Näiden alustojen käyttäminen valaistusvoimakkuuden mittaamiseen on hyödyllistä, koska ohjelmointi ja liittäminen tietokoneeseen on yksinkertaista ja valovastukset ovat erittäin edullisia. Lisäksi valoisuusanturia on mahdollista käyttää yhdessä muiden tiedonkeruulaitteistojen kanssa. Tällainen järjestelmä ei kuitenkaan olisi kovin tarkka tai käyttäjäystävällinen.

Amazonissa on paljon kuluttajille tarkoitettuja valotusmittareita, joita käytetään tyypillisesti valokuvaukseen. Ne ovat kaikki kompakteja ja helppokäyttöisiä, ja tiedot näkyvät näytöllä reaaliajassa, ja kaikissa on kohtuullisen hyvä muutaman hertsin virkistystaajuus. Niitä käytettäisiin todennäköisesti parhaiten huoneiden välisen suhteellisen kirkkauden vertailuun sisätiloissa, mutta useimmissa on laaja vaihteluväli, joten ulkokäyttö on myös mahdollista.

Itse asiassa me itse asiassa myymme valoisuusanturia osana enDAQ-antureitamme. Se käyttää Si1133-fotodiodia ja kirjaa laitteeseen valaistustiedot yhdessä kiihtyvyys-, lämpötila- ja painetietojen kanssa. Koska valaistusvoimakkuuden perusyksikkönä on kandela, valon mittauksia on mukautettava näkymättömän sähkömagneettisen säteilyn huomioon ottamiseksi. Si1133 tekee tämän mittaamalla infrapunavalon erikseen ja käyttämällä sitä valaistusvoimakkuutta koskevien tietojen asianmukaiseen säätämiseen. EnDAQ-anturin valoanturi mittaa näkyvän valon lisäksi myös UV-indeksiä.