В каком световом режиме измеряется пигментация

Обновлено: 10.05.2024

Одним из средств повышения производительности труда, создания комфорта в помещении для отдыха и обеспечения безопасности труда является правильное освещение. Правильность освещения означает соответствие нормам освещённости и рекомендациям эргономики по использованию света и цвета в оформлении рабочего места и в быту. Для выполнения этих рекомендаций необходимо знать соответствующие световые и цветовые величины, единицы их измерений и принципы работы приборов и датчиков контроля освещённости.

Свет – электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемом человеческим глазом (f = 7,5·10 14 – 4,0·10 14 Гц). Этот интервал соответствует длинам волн в вакууме λ = с/f = 400 – 760 нм (с – скорость света). Длина волны 400 нм принимается за фиолетовую границу области видимого света, а 760 нм считается красной границей. Этот диапазон воспринимаемого глазом света относится к умеренным интенсивностям света, то-есть к тем, с которыми человек имеет дело постоянно. Свет очень высокой интенсивности глаз воспринимает в несколько более широком диапазоне длин волн.

Для измерения интенсивности света как электромагнитных волн используются энергетические величины и единицы измерения. Энергия электромагнитных волн или лучистая энергия измеряется в системе СИ в джоулях. Мощность электромагнитных волн – соответственно в ватах. Поток мощности во фронте световой волны, приходящийся на единицу площади, измеряется в Вт/м 2 .

Световые величины –это характеристики процессов излучения и распространения света, определяемые по действию лучистой энергии на глаз, то-есть по зрительному ощущению воспринимаемого излучения. А это ощущение меняется количественно и качественно в зависимости от мощности лучистой энергии (т.е. от величины, измеряемой в энергетических единицах – Дж, Дж/м 2 , Вт, Вт/м 2 и т.д.) и от характера распределения лучистой энергии по длинам волн.

Световые единицы характеризуют либо источник света как осветитель, либо освещённую поверхность. Основная световая величина – световой поток Ф. В международной системе единиц СИ эта величина измеряется в люменах – лм. Этой единице соответствует энергетическая единица мощности излучения – Вт, а коэффициент их связи определяется спектральным составом излучения. Производными световыми величинами и единицами их измерения являются – светимость поверхности самосветящегося источника лм/м 2 , освещённость Е (лм/м 2 или люкс – лк), сила света источника I (единица силы света – кандела кд), яркость В источника в заданной точке и в заданном направления (кд/м 2 ).

Светимость и освещённость имеют одинаковые размерности, но надо помнить, что эти единицы относятся к разным физическим величинам. Представим себе источник света в виде сферы радиуса r, например, матовый сферический плафон. Тогда можно говорить о светимости М единицы площади сферы, как об отношении светового потока Ф к площади участка сферы, испускающего этот поток.

Светимость в этом случае зависит от интенсивности излучения лампочки внутри плафона и радиуса плафона. Другой пример, когда на поверхность приходит расходящийся поток света Ф. Тогда освещённость площадки dS равна E = dФ/ dS и в рассматриваемом случае зависит не только от интенсивности источника света, но и от расстояния до освещаемой поверхности и угла падения света на поверхность. Именно эта величина измеряется в люксах.

Сила света I– это отношение светового потока к телесному углу, в котором он распространяется.

В случае распространения света от точечного источника равномерно во все стороны телесный угол составляет 4π стерадиан. Поэтому . Если световой поток выражен в люменах, то сила света источника – в канделах. Кандела – одна из семи основных единиц системы СИ и была реализована в виде эталона. Эталон канделы – это один из многих эталонов световых величин. Световые эталона – устройства для воспроизведения, хранения и передачи световых единиц рабочим средствам измерений, обеспечивающие единство световых измерений с наивысшей достижимой точностью. В качестве эталона канделы применяется излучатель типа абсолютно чёрного тела, которым служит тигель с расплавленной платиной при температуре её замерзания Т = 2042 К. Эта температура, кстати, является одной из реперных точек международной практической температурной шкалы МПТШ – 68.

Согласно определению, принятому в 1979 г. Международным комитетом по световым стандартам, кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой f = 5,4·10 14 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении равна 1/683 Вт/ср. Данная частота f соответствует длине волны излучения 555 нм. Новое определение канделы установило её связь с ваттом монохроматического излучения вне зависимости от способа воспроизведения единицы силы света.

Яркость В – это отношение силы света I в данном направлении к площадке, перпендикулярной к этому направлению.

Получающаяся величина имеет размерность кд/м 2 и называется нит. Для нахождения освещённости Е, создаваемой точечным источником с силой света I на расстоянии r от него применяется формула

В световых расчётах применяется также величина – количество освещения, которое есть произведение освещённости на время экспозиции (лк·с).

Как следует из определения канделы, связь световых единиц с энергетическими устанавливаются при длине волны монохроматического излучения λ = 0,555 мкм, которая соответствует максимуму спектральной чувствительности усреднённого человеческого глаза. Многочисленные исследования восприятия света человеком позволили определить спектральную световую эффективность К(λ) монохроматического излучения на различных длинах волн. К(λ) – это отношение светового потока на длине волны λ к соответствующему потоку энергии излучения. Зависимость К(λ) имеет максимум при длине волны 555нм при дневном освещении. Этот максимум имеет значение 683 лм/Вт. Спектральную световую эффективность К(λ) нормируют (делят) на величину К(λ_m) в максимуме и получают относительную спектральную световую эффективность V(λ) Часто эту величину называют относительной видностью монохроматического излучения с длиной волны λ. V(λ) имеет смысл относительной спектральной чувствительности зрительной системы человека, определяемой как отношение двух потоков излучения , соответственно с длинами волн λ и λ_m, вызывающих одинаковые по уровню зрительные ощущения. При практическом определении функции V(λ) для усреднённого человеческого глаза поступают следующим образом. Так как сравнение яркости излучений далёких друг от друга длин волн затруднительно для человека, то для определения V(λ) обычно

Рис. Относительная спектральная световая эффективность V(λ) : 1 – при дневном освещении, 2 – при сумеречном зрении

применяют «метод малых ступеней». Это означает попарное сравнение излучений столь близких длин волн, чтобы разница в цветности не затрудняла сравнения яркостей.

Относительная спектральная световая эффективность одобрена для применений в световых измерениях в 1924 г. Международной комиссией по освещению (МКО). Таблица значений функции V(λ) имеет статус стандарта ГОСТ 8.332 – 72. Приёмник излучения, обладающий относительной спектральной чувствительностью, совпадающей с V(λ), называется стандартным фотометрическим наблюдателем МКО.

Пример светотехнического расчёта с участием функции V(λ). Если источник излучения имеет произвольное распределение энергии e(λ), то яркость излучения рассчитывается по формуле

На рисунке обозначена цифрой 2 кривая V I (λ) для сумеречного освещения, которая иллюстрирует эффект Пуркинье. Эффект Пуркинье состоит в кажущемся изменении яркости различно окрашенных предметов при изменении их освещения. Это явление обусловлено физиологией зрения. При дневном освещении (Е не менее 100 лк) в глазе функционируют в основном колбочки, максимум чувствительности которых лежит вблизи 0,56 мкм. При сумеречных освещённостях (Е < 0,01 лк) работают только палочки, относительная спектральная чувствительность которых сдвинута в коротковолновую область на 0,05 мкм. Соответственно, красная и голубая поверхности , которые днём представляются одинаково яркими, в сумерках резко различаются по яркости. Голубая поверхность кажется почти белой, а красная – почти чёрной.

Для измерения светотехнических величин - освещённости, силы света, светового потока, яркости, коэффициентов пропускания и отражения – используются фотометрические приборы.

Освещённость поверхностей измеряется люксметрами, построенными по фотоэлектрической схеме. Приёмник люксметра представляет собой обычно фотоэлемент, фототок которого измеряется микроамперметром, проградуированным в люксах. Поскольку спектральная чувствительность фотоэлемента отличается от функции V(λ), т о люксметры снабжены корректирующими светофильтрами.

Световой поток измеряется с помощью шарового фотометра. Для измерения силы света используется фотометрическая скамья. Яркость измеряют яркомером. Коэффициенты пропускания и отражения света различными поверхностями определяются расчётным путём по результатам измерения освещённости и яркости.

Для измерения силы света в лабораторных условиях применяют фотометрическую скамью

Фотометрическая скамья состоит из двух направляющих длиной от 3 до 5 метров, на которых устанавливаются источники света, а также экраны, которые защищают фотометр от постороннего света. При измерении силы света лампы 1 уравнивают световые потоки, приходящие на фотометрическую головку от ламп 1 и 2, меняя расстояния Х₁ и Х₂ . Сравнение силы света источников на фотометрической скамье проводят либо визуально, либо с использованием фотоприёмников. При визуальной регистрации в окуляр зрительной тубы, направленной на освещённую лампами 1 и 2 призму, сравнивают освещённость двух белых смежных граней призмы. При уравнивании световых потоков от двух ламп сила света I₁ лампы 1 равна

Световой поток, создаваемый источником излучения, измеряется шаровым интегрирующим фотометром. Он называется так потому, что суммирует световой поток, излучаемый источником во все стороны. Для измерения светового потока источник света помещается внутрь шара, стенки которого покрыты белой диффузно отражающей свет краской. В стенке фотометра имеется маленькое окошко, за которым располагается фотоприёмник. Свет от источника создаёт внутри шара освещённость Е, которая равна:

, где R – радиус шара, ρ – коэффициент отражения света поверхностью сферы. Таким образом, освещённость Е пропорциональна общему световому потоку источника света Ф. Световой поток измеряемого источника света определяется путём сравнения его с потоком от образцовой лампы. Сравнение проводится по величине тока, создаваемого в фотоприёмнике. Шаровой фотометр применяется также для измерения коэффициентов отражения и пропускания прозрачных материалов. При этом сфера должна иметь второе окно, к которому прикладывается измеряемый образец.

Измерение яркости объектов производится прибором яркомером. Это тоже прибор, в котором излучение регистрируется фотоприёмником. Обычно люксметры снабжаются окошком, которое необходимо устанавливать на определённом расстоянии от светящейся поверхности, чтобы измерить её яркость. Получается люксметр- яркомер. Например, таким прибором измерят яркость дисплеев.

Градуировка фотометров проводится по образцовых светоизмерительным лампам. Для ослабления светового потока применяются ослабители в виде стеклянных или кварцевых пластинок, на которые нанесены напылением тонкие металлические плёнки, частично пропускающие свет. На одной пластинке бывает 3, 7 и более ступеней ослабления света. Такие серые (т.е. не обладающие избирательностью по длинам волн) фильтры называются ступенчатыми ослабителями. Кроме того, для ослабления света часто применяются быстро вращающиеся диски с прорезями. Степень ослабления определяется отношением суммарной площади прорезей к полной площади диска, освещённой пучком света за один оборот.

ФОТОМЕТРИЯ, раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Фотометрические величины.

Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была «свеча», которая считалась единицей силы света. Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 – лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята «международная свеча», которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540 Ч 10 12 Гц ( l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный источник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4 p лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м 2 , т.е. одному люксу.

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м 2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м 2 . (Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.)

Виды фотометрических измерений.

Основные виды фотометрических измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) измерение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

ОБЩИЕ МЕТОДЫ ФОТОМЕТРИИ

Существуют два общих метода фотометрии: 1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости; 2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода – вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура. В самых точных фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 – 3) Ч 10 –3 %.

Визуальная фотометрия.

История визуальной фотометрии начинается с П.Бугера (1698–1758), замечательного ученого, который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии. И.Ламберт (1728–1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов. В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно – при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии. Дело в том, что при уровнях яркости в диапазоне 0,01–1 кд/м спектральная чувствительность глаза плавно изменяется от соответствующей адаптации к свету (дневной, или фотопической) до соответствующей адаптации к темноте (суперечной, или скотопической), а потому здесь невозможно предсказать, какой должна быть спектральная чувствительность физического (электрического) фотометра, чтобы обеспечивалось согласие с возможными результатами визуальной фотометрии. Правильная методика для этого диапазона яркостей состоит в визуальном сравнении с источником света, энергетическое распределение которого соответствует высокотемпературному полому телу, фигурирующему в определении канделы. (Таким источником света может служить электрическая лампа накаливания при некотором значении силы тока.) При очень низких уровнях световых потоков используется второй (сумеречный) эталон, принятый международным соглашением в 1959, что позволяет проводить фотоэлектрические измерения без каких-либо неоднозначностей.

Визуально невозможно определить, насколько яркость одной поверхности больше, чем яркость другой. Но если две поверхности непосредственно примыкают друг к другу, то по исчезновению разграничивающей линии между ними равенство их яркостей можно установить визуально с точностью до 1% и даже еще точнее. Было разработано много различных устройств для образования таких полей сравнения; одно из них, т.н. кубик Люммера – Бродхуна, показано на рис. 2,а. Это две сложенные вместе трехгранные призмы из оптического стекла, причем контактная грань одной призмы слегка закруглена. Вследствие этой закругленности призмы имеют лишь частичный оптический контакт, через который свет может проходить прямо. Но в тех местах, где грани призм не соприкасаются, свет полностью отражается. Часто бывает желательно, чтобы свет от двух источников падал с противоположных сторон, и поэтому применяются схемы типа показанной на рис. 2,б. Наблюдатель, глядя в микроскоп с небольшим увеличением, видит поля сравнения, показанные на рис. 2,в.

Чтобы добиться одинаковой яркости двух полей сравнения, нужно регулировать световой поток хотя бы одного из сравниваемых источников света. В лабораторных измерениях сравниваемые лампы закрепляют в держателях, которые можно перемещать по направляющей. Такая направляющая, прямая и достаточно жесткая, называется фотометрической скамьей. Фотометрическая головка (типа показанной на рис. 2,б) устанавливается неподвижно. Если одна лампа закреплена на расстоянии (рис. 3) от экрана, а другая отодвинута на расстояние и при этом яркость полей сравнения одинакова, то отношение сил света и двух ламп определяется равенством I₁ /x₁ 2 = I₂ /x₂ 2 .

Это равенство выражает т.н. закон обратных квадратов расстояний И.Кеплера (1604), который является основным законом фотометрии. Согласно этому закону, если яркость двух полей сравнения одинакова, то силы света двух ламп обратно пропорциональны квадратам расстояний от соответствующих ламп до экрана фотометра. В справедливости этого соотношения легко убедиться, рассмотрев световую пирамиду с лампой в вершине (рис. 4). Свет, проходящий через сечение A пирамиды на единичном расстоянии от лампы, будет распределен по площади 4А на удвоенном расстоянии, по площади 9А – на утроенном расстоянии и т.д. Единственное условие применимости этого закона требует, чтобы размеры источника были малы по сравнению с расстоянием.

В некоторых специальных измерениях применяются другие средства изменения яркости поля сравнения, например, поляризатор с анализатором, которые поляризуют и ослабляют проходящий световой поток соответственно своей взаимной ориентации, клинья из серого стекла и быстро вращающиеся диски с секторными вырезами («вращающиеся секторы»). Диски имеют форму плоской крыльчатки вентилятора. Если диск вращается достаточно быстро, так что не заметно никакого мерцания, то свет ослабляется пропорционально доле полного круга, приходящейся на секторные вырезы. Каков бы ни был выбранный способ регулировки яркости, важно, чтобы изменялась только яркость, но не цвет поля.

Относительно световых источников разного цвета установлено, что если цвета различаются более или менее заметно, то результаты сравнения приобретают субъективный характер и даже у одного и того же наблюдателя могут меняться. При этом точность визуальной фотометрии сильно снижается.

Физическая фотометрия.

Начало физической фотометрии положили Ю.Эльстер и Г.Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш.Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях.

Электрические фотоприемники, используемые в физической фотометрии, реагируют на свет с разными длинами волн не в точном соответствии с эталоном МКО. Поэтому для них требуется светофильтр – тщательно изготовленная пластинка из цветного стекла или окрашенного желатина, которая пропускала бы свет разных длин волн так, чтобы фотоприемник со светофильтром по возможности точно соответствовал «стандартному наблюдателю». Следует учитывать, что если световые потоки, различающиеся цветом, сравниваются с применением такого устройства, то результаты сравнения верны лишь условно. На самом деле невозможно гарантировать, что источники, яркость которых одинакова по оценке, основанной на эталоне МКО, покажутся одинаково яркими любому человеку. Выделение признака яркости из общего внешнего вида по-разному окрашенных источников света есть акт мысленного абстрагирования, который даже у одного и того же индивидуума протекает по-разному в разное время, а потому в тех случаях, когда требуются численные оценки, необходима стандартизованная методика измерений.

Фотодиод (иногда называемый вентильным фотоэлементом) представляет собой металлическую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового материала (например, селена с напыленной поверх него тонкой пленкой золота или другого неокисляющегося металла) (рис. 5). Толщина пленки подобрана так, что она проводит электричество, но прозрачна и пропускает свет. Свет, падающий на селен, вызывает дрейф свободных электронов, которые заряжают металлическую пленку отрицательно относительно селена.

Если к такому фотодиоду присоединить микроамперметр с малым сопротивлением, то показываемый им ток будет почти строго пропорционален освещенности фотодиода. Если же сопротивление цепи велико, то это соотношение прямой пропорциональности нарушается, и в лабораторных условиях применяют специальные схемы, имитирующие нулевое внешнее сопротивление. Простая комбинация фотодиода с микроамперметром используется в фотографических экспонометрах.

На фотометрической скамье рис. 3 вместо визуального фотометра можно установить фотодиод. Более того, можно установить рядом два фотодиода, обращенных в противоположные стороны, и измерять разность их токов. В таком варианте лампа 1 служит лампой сравнения и остается на своем месте в ходе эксперимента, а лампа, которую требуется сравнить, устанавливается в положение 2, после чего ее перемещают так, чтобы разность токов была равна нулю.

Существуют люксметры, состоящие из фотодиода, корректирующего светофильтра и микроамперметра, широко применяемые инженерами по освещению и другими специалистами. В частности, фотодиод с корректирующим светофильтром используется для повседневных фотометрических измерений всех видов в заводских лабораториях. Если точность 1–2% приемлема, а сила света достаточно велика, то с такими устройствами можно работать без каких-либо затруднений.

В случае слабых источников света, а также в тех случаях, когда требуются повышенная точность и более надежная калибровка, фотометристы обращаются к вакуумным фотоэлементам. Такой фотоэлемент имеет фотокатод в виде металлической пластинки, обычно покрываемой одним или несколькими тонкими слоями металлов и их оксидов, и второй электрод – анод, причем оба они находятся в стеклянном высоковакуумном баллоне. Когда на фотокатод падает свет с длиной волны, превышающей некоторое «пороговое» значение (зависящее от материала фотокатода), из него выбиваются электроны. Если фотоэлемент включить последовательно с батареей и чувствительным измерительным прибором, как показано на рис. 6, то электроны, высвобождающиеся с катода, будут притягиваться анодом. Поток таких электронов, а следовательно, и ток в цепи пропорциональны освещенности.

Вместо измерительного прибора можно использовать электронный усилитель, и тогда слабые токи будут усиливаться. Можно также добавить дополнительные усилительные каскады; тщательно спроектированная аппаратура такого рода позволяет измерять свет звезд, слишком слабый, чтобы его можно было видеть простым глазом. Для повышения чувствительности и стабильности измерений перед фотоэлементом можно установить вращающийся прерыватель света и усиливать полученный переменный ток. Такой метод особенно эффективен, если усиливаемый ток выпрямляется в точном синхронизме с прерывателем. Это позволяет подавить шумы электронной схемы и прочие помехи.

Для усиления тока можно обойтись без внешнего усилителя, если использовать явление вторичной электронной эмиссии. Соответствующие устройства называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ); некоторые типы ФЭУ схематически изображены на рис. 7. Электроны, высвобождающиеся с фотокатода, притягиваются к первому из ряда электродов, называемых динодами. Каждый из них находится под более высоким напряжением, чем предыдущий. Электрон, падающий на динод, высвобождает несколько вторичных электронов; вторичные электроны идут к следующему диноду, и каждый высвобождает еще несколько электронов и т.д. Среднее отношение числа испущенных электронов к числу падающих (коэффициент усиления) можно легко регулировать, изменяя напряжение между соседними динодами. Коэффициент усиления может достигать миллиона и более, причем предел обусловлен только тем обстоятельством, что некоторое количество электронов высвобождается с фотокатода даже в темноте и они умножаются так же, как и другие.

Ни у одного фотоэлемента или фотоэлектронного умножителя кривая спектральной чувствительности не соответствует в точности кривой чувствительности для глаза. Спектральная чувствительность зависит от материала фотокатода. Поэтому в тех случаях, когда приходится сравнивать световые потоки разного цвета, необходим светофильтр, а расчет и градуировка светофильтра для точной фотометрии могут составить основную часть затрат на аппаратуру.

Измерение светового потока.

Одна из характеристик лампы или осветительной арматуры, необходимая инженеру по освещению, – это испускаемое ею полное количество света. Только измерив эту величину, можно определить относительную эффективность осветительных устройств. Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока: гониометрический метод и метод «интегрирующей сферы» («сферы Ульбрихта»).

Гониометр – это приспособление, позволяющее измерять освещенность, создаваемую лампой, в любом желаемом направлении. Лампа либо неподвижна, либо вращается вокруг вертикальной оси так, чтобы распределение света лампы не изменялось. Поэтому фотометр (обычно фотоэлектрический) закрепляют на конце длинного качающегося держателя, или используют подвижные зеркала. Во избежание больших поправок расстояние от лампы до фотометра выбирают на порядок больше максимального размера лампы; поэтому гониометр для больших люминесцентных ламп занимает много места. После того как измерена освещенность во многих направлениях, вычисляют полный световой поток.

Интегрирующая сфера (рис. 8) представляет собой полый шар, выкрашенный изнутри матовой белой краской. Внутри сферы подвешивается лампа или арматура с экраном, закрывающим ее со стороны небольшого окошка из опалового стекла (освещенность которого измеряется). Внутри подвешивается также эталонная лампа (световой поток которой точно измерен при помощи гониофотометра), закрытая экранами со стороны первой лампы и окошка. Освещенность окошка при включенной той или другой лампе пропорциональна ее полному световому потоку (если не считать поправок, которые существенны, когда лампы имеют разные размеры или форму либо заметно различаются цветом испускаемого света).

Специальные фотометры.

Кроме рассмотренных приборов, существуют специальные фотометры для измерения яркости поверхностей, коэффициентов пропускания и отражения разных образцов, характеристик световозвращающих отражателей (дорожно-маркировочной краски, дорожных знаков), освещенности улиц и пр.

Сапожников Р.А. Теоретическая фотометрия. Л., 1977
Гуревич М.М. Фотометрия: Теория, методы и приборы. Л., 1983
Кулагин С.В., Гоменюк А.С. и др. Оптико-механические приборы. М., 1984

Оптическое излучение охватывает диапазон длин волн от 100 нм до 1 мм спектра электромагнитного излучения.
Следует учитывать, что в отношении пределов спектрального диапазона, нет четкого разделения, которое обязательно только для определенных разделов прикладной оптики.
Измерение оптического излучения, например, может производиться в радиометрии, фотометрии, фотобиологии или физиологии растений, с соответствующими данным разделам измерительными величинами.

Определения фотометрических и радиометрических измерительных величин

Фотометрия
Ограничена диапазоном оптического спектра (свет), видимого человеческим глазом. Измеряемые фотометрические величины: световой поток, яркость и сила света. Основной функцией фотометрии является оценка восприятия яркости посредством функции спектральной световой чувствительности глаза — для фотопического (дневного) зрения или, в редких случаях, для скотопического (ночного) зрения (DIN 5031). Детекторы излучения для измерения фотометрических величин, должны обеспечивать одну из характеристик спектральной чувствительности.

Световой поток
Мощность светового потока источника света (лампы, светодиода и т.п.). Так как лампы обычно не испускают полностью параллельные световые лучи, измерение светового потока осуществляется с помощью измерительных геометрий (метод ≪интегрирующей сферы≫ или ≪сферы Ульбрихта≫), что позволяет точно определять световой поток, независимо от его геометрического распределения. В большинстве случаев, для измерения полного светового потока используются сферические фотометры Ульбрихта или гониометры.

Сила света
Часть светового потока, излучаемая в одном определенном направлении. Сила света является важной величиной для определения эффективности и качества светового оборудования. Измерение осуществляется детектором с ограниченной областью сектора обзора, который устанавливается на расстоянии, позволяющем рассматривать световой источник, как точечный источник света.

Яркость
Ощущение яркости, передаваемое освещенной или светящейся поверхностью глазу. Во многих случаях яркость обеспечивает значительно лучшую информацию относительно качества света, чем освещенность. Для измерения яркости используются измерительные головки (яркомеры) с определенным углом поля зрения.

Освещённость
Световой поток от одного или нескольких световых источников, падающий на определенную поверхность горизонтально или вертикально. В случае непараллельного падения светового потока к поверхности (что является типичным случаем в практической фотометрии), необходимо использование косинусного рассеивателя в качестве измерительной геометрии.

Радиометрия
Метрологическая оценка оптического излучения с использованием радиометрических величин: потока излучения, силы излучения, энергетической яркости и энергетической освещенности. Основной функцией радиометрии является исследование интенсивности облучения, независимо от длины волны. Это главное отличие между радиометрией и измерительными величинами, используемыми в фотометрии, фотобиологии, физиологии растений и т.д.

Сила излучения
Общая мощность, переносимая излучением.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, испускаемая источником света в определённом направлении, внутри малого телесного угла, к этому телесному углу. Интенсивность излучения используется для измерения геометрического распределения мощности излучения.

Энергетическая яркость
Отношение силы излучения, испускаемого с бесконечно малой площадки источника и распространяющегося в бесконечно малом телесном угле, к площади проекции этой площадки на плоскость, перпендикулярную направлению распространения и величине телесного угла. Энергетическая яркость используется для анализа и оценки свойств апертурных излучателей. Стерадианные или телескопические адаптеры могут использоваться как геометрии измерения.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, падающего на поверхность, к площади этого участка. Для измерения интенсивности излучения очень важно пространственное исследование падающего излучения (определение угла, который образует нормаль к поверхности с направлением на источник).

Сравнение фотометрических и радиометрических величин

Каждая фотометрическая величина соответствует радиометрической величине и содержит одни и те же взаимосвязи между ними. Величины можно разделить по их индексам: V (видимый) и E (энергетический) спектры.

Функция спектральной чувствительности человеческого глаза

Относительная спектральная чувствительность человеческого глаза определяется общим уровнем освещенности в момент наблюдения. Человеческий глаз реагирует на лучистую энергию, длина волны которой лежит в пределах приблизительно от 380 до 760 мкм. Эта реакция не остается постоянной. При высоких уровнях освещенности максимум чувствительности, так же как и вся кривая относительной спектральной чувствительности глаза, сдвигается в желто-зеленую область. При низких уровнях освещенности положение кривой изменяется и тогда ее максимум приходится на сине-зеленую область спектра. Глаз, адаптированный к свету, имеет функцию дневного (фотопического) зрения, а для глаз, адаптированный к темноте — ночного (скотопического) зрения. Подробная характеристика кривой спектральной чувствительности приводится в табличном формате, в стандарте DIN 5031.
Изменения спектральной чувствительности глаза происходят благодаря наличию в ретине двух типов светочувствительных элементов: палочек и колбочек. Колбочки работают главным образом при высоких уровнях освещенности, палочки — при низких уровнях освещенности. Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного/фотопического зрения (колбочки, > 10 кд/м2) описывается с помощью функции V(λ), которая является функцией, используемой в большинстве случаев. Световая эффективность для случая ночного/скотопического зрения (палочки,

Другие материалы:

Неудовлетворительное качество воздуха в закрытых помещениях с постоянным присутствием людей (например в офисах) может легко стать причиной усталости, упадка сил, снижения концентрации и даже привести к заболеваниям.

2) световые — характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.

1.Энергетические величины.

· Поток излучения Ф_е— величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:

Единица потока излучения — Ватт (Вт).

· Энергетическая светимость (излучательность) R_e — величина, равная отношению потока излучения Ф_e, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:

т. е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения.

Единица энергетической светимости — Ватт на метр в квадрате (Вт/м 2 ).

· Энергетическая сила света (сила излучения) I_e — это величина, равная отношению потока излучения Ф_eточечного источника света к телесному углу w, в пределах которого это излучение распространяется:

Единица энергетической силы света — Ватт на стерадиан (Вт/ср).

· Энергетическая яркость (лучистость) B_e — величина, равная отношению энергетической силы света DI_e, элемента излучающей поверхности к площади DS проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:

Единица энергетической яркости — Ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср×м 2 )).

· Энергетическая освещенность (облученность) – это величина потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности.

Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м 2 ).

2. Световые величины.

При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы, фотоумножители), которые не обладают одинаковой чувствительностью. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света.

Примечание. Основной световой единицей в СИ является единица силы света — свеча (св), значение которой принимается таким, чтобы яркость полного точечного излучателя при температуре затвердевания платины была равна 60 св на 1 см 2 .

Определение световых единиц аналогично энергетическим.

· Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью).

Единица светового потока — люмен (лм): 1 лм — это световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 св внутри телесного угла в 1 ср – стерадиан! (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм = 1 св × ср).

· Светимость Rопределяется соотношением

Единица светимости — люмен на метр в квадрате (лм/м 2 ).

· Яркость В_j светящейся поверхности в некотором направлении j есть величина, равная отношению силы света Iв этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

Единица яркости — свеча на метр в квадрате (св/м 2 ).

· Освещенность Е — величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:

Единила освещенности — люкс (лк): 1 лк — освещенность поверхности, на 1 м 2 которой падает световой поток в 1 лм (1 лк= 1 лм/м 2 ).

Фотометрия — раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины:

1) энергетические — характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;

2) световые — характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.

1. Энергетические величины. Поток излучения Ф_е — величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:

Единица потока излучения — ватт (Вт).

Энергетическая светимость (излучательность) R_e — величина, равная отношению потока излучения Ф_е, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:

т. е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения. Единица энергетической светимости — ватт на метр в квадрате (Вт/м 2 ).

Энергетическая сила света (сила излучения) I_е определяется с помощью понятия о точечном источнике света — источнике, размерами которого по сравнению с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света I_е — величина, равная отношению потока излучения Ф_е источника к телесному углу , в пределах которого это излучение распространяется:

Единица энергетической силы света — ватт на стерадиан (Вт/ср).

Энергетическая яркость (лучистость)B_e — величина, равная отношению энергетической силы света элемента излучающей поверхности к площади S проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:

Единица энергетической яркости — ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср×м 2 )).

Энергетическая освещенность (облученность) Е_е характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м 2 ).

2. Световые величины. При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы, фотоумножители), которые не обладают одинаковой чувствительностью к энергии различных длин волн, являясь, таким образом, селективными (избирательными). Каждый приемник излучения характеризуется своей кривой чувствительности к свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является единица силы света — кандела(кд), определение которой дано выше (см. Введение). Определение световых единиц аналогично энергетическим.

Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью). Единица светового потока — люмен (лм): 1 лм — световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм = 1 кд×ср).

Светимость R определяется соотношением

Единица светимости — люмен на метр в квадрате (лм/м 2 ).

Яркость светящейся поверхности в некотором направлении есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

Единица яркости — кандела на метр в квадрате (кд/м 2 ).

ОсвещенностьЕ — величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:

Единица освещенности — люкс (лк): 1 лк — освещенность поверхности, на 1 м 2 которой падает световой поток в 1 лм (1 лк = 1 лм/м 2 ).

Читайте также: