Световые измерения (фотометрия)

Фотометрические измерения разделяют на объективные (произ­водимые с помощью приборов, не требующих участия глаза, напри­мер, с помощью фотоэлементов) и субъективные, или визуальные, в которых измерения основаны на показаниях глаза.

Объективные (фотоэлектрические) фотометры за последние годы получают все большее и большее развитие, постепенно вытесняя приборы, основанные на визуальных методах измерения. Мы позна­комимся более подробно с этими приборами в главе о фотоэффекте. Укажем только, что все они основаны на зависимости, в силу кото­рой фотоэлектрический ток прямо пропорционален поглощенному фотоэлементом световому потоку. Поэтому шкалу электроизмери­тельного прибора, соединенного с фотоэлементом, можно градуиро­вать непосредственно в тех или иных фотометрических единицах, например в люксах.

Визуальные измерения производятся непосредственно глазом. При этом надо иметь в виду, что глаз очень хорошо устанавливает равенство освещенностей двух каких-либо соприкасающихся поверх­ностей, но очень плохо непосредственно оценивает, во сколько раз освещенность одной поверхности больше освещенности второй. Поэтому все приборы, служащие для сравнения двух источников (так называемые фотометры), устроены так, что роль глаза сводится к установлению равенства освещенностей двух соприкасающихся полей, освещаемых сравниваемыми источниками. Для достижения равенства освещенностей применяются разнообразные приемы, веду­щие к ослаблению освещенности, создаваемой более сильным ис­точником. Принципиально наиболее простым является измене­ние расстояния от источника до фотометра и применение соот­ношения . (4.1)

Невозможность в очень широких пределах варьировать отноше­ние расстояний заставляет прибегать к другим способам ослабления потока. К ним относятся поглощение света фильтром переменной толщины (клином) (рис. 7) или сетками с большим или меньшим отношением площади ячеек и проволок, введение в пучок вращающе­гося круга с секториальным вырезом большей или меньшей площади (рис.8), а также ослабление света системой поляризационных призм (рис.9).

Применение всех этих приспособлений требует тех или иных пре­досторожностей. Закон обратных квадратов справедлив лишь для точечных источников; фильтры должны в одинаковой сте­пени поглощать свет различной длины волны (нейтральные фильтры); сетки не должны отбрасывать теней и поэтому употребляются пред­почтительно в соединении с линзами, вблизи которых они располагаются. Наконец, вращающиеся секторы меняют, по существу, не поток, а время его действия и, следовательно, пригодны лишь тогда, когда уменьшение среднего по времени значения потока эквива­лентно уменьшению величины потока; это имеет место, как показали

 

Рис.7 Фотометрический ослабитель: поглощающий клин.	Рис.8 Фотометический ослабитель: вращающийся диск с вырезом.

психофизиологические исследования, лишь при достаточной частоте прерывания (закон Тальбота).

Уравнивая тем или иным способом освещенности, создаваемые сравниваемыми источниками, мы находим отношение сил света источников

Рис.9 Фотометрический ослабитель: система двух поляризационных призм. Яркость прошедшего света зависит от угла поворота призм вокруг горизонтальной оси.

Если сила одного из источни­ков известна (эталонный источ­ник), то таким образом можно измерить силу второго источника в выбранном направлении. Измерив силу источника по разным направлениям, можно вычислить световой поток, освещенность и т. д. Установление равенства освещенностей делается глазом достаточно точно, если оба поля имеют одинаковый цвет. В противном случае сравнение не только затруднено, но иногда и вообще не имеет смысла. Для сравнения источников разного цвета (гетерохромная фотометрия) исходят из определения равенства освещенностей, основываясь на различных психофизиологических наблюдениях, которые и кла­дутся в основу измерений (например, исчезновение явления мига­ния при освещении прерывистым светом разной интенсивности и разного цвета).

Рис.10 Схема простейшего фотометра.

Существуют также фотометры, позволяющие непосредственно определять суммарный световой поток, а следовательно, и среднюю сферическую силу света источника (шаровой фотометр или интегра­тор), освещенность поверхности (люксметр), яркость источника и т. д.

Во всяком фотометре рассматривается некоторое поле, одна часть которого освещена только одним источником, а другая — только другим. При этом надо позаботиться о том, чтобы обе сравниваемые части поля фотометра освещались соответственными источниками под одним и тем же углом; глаз наблюдателя также должен рассмат­ривать оба поля под одинаковыми углами. Рис.10 показывает, как осуществляется этот принцип в од­ной из простейших моделей фото­метров.

Устройство этого фотометра крайне просто: глаз наблюдателя А рассмат­ривает белую трехгранную призму MPN, помещенную внутри зачерненной трубки и освещаемую источниками L₁ и L₂. Варьируя расстояния от источников до призмы, можно урав­нять освещенности поверхностей МР и РN. Для удобного изме­рения расстояний L₁ Р и L₂ Р приборы располагают на оптической скамье.

Более совершенно устроен фотометр Люммера-Бродхуна. Существенную часть фотометра составляет кубик Люммера, входя­щий как составная часть и во многие другие фотометрические аппа­раты, Кубик Люммера (рис.11) состоит из двух прямоугольных призм, у одной из которых грань, соответствующая гипотенузе, оставлена плоской только в центре, края же сошлифованы. Призмы тщательно приполированы и плотно прижаты друг к другу, так что в месте соприкосновения представляют как бы один кусок и ведут себя подобно прозрачному телу (оптический контакт).

Схема фотометра с применением кубика Люммера показана на рис.12. Здесь L₁ и L₂ -два сравниваемых источника света; S - белый диффузно разбрасывающий свет экран, вполне идентич­ный с обеих сторон; S₁ и S₂ - два вспомогательных зеркала; P₁,P₂ - кубик Люммера; A - глаз наблюдателя и V - лупа, позво­ляющая визировать плоскость раздела кубика. При наблюдении мы видим центр кубика освещенным лучами, идущими от источника L₁, а внешняя часть поля освещается лучами от L₂, испытавшими пол­ное внутреннее отражение на грани P₁,P₂. Если освещенность экрана S с обеих сторон одинакова, то граница между полями исчезает. Определяя соответственные расстояния L₁Sи L₂S, мы найдем отно­шение сил света источников.

В осветительной технике очень важным является вопрос, как велика должна быть освещенность на данной плоскости или в данном месте рабочего помещения для разных видов работы: чтения, чер­чения, шитья и т. д.

Освещенность, как упоминалось выше, измеряется числом люк­сов. Инструкциями инспекции по охране труда устанавливается определенное число люксов освещенности рабочего помещения. Наименьшая освещенность рабочей поверхности (стола) ни для какого вида работы не должна быть ниже 10 лк. Ос­вещенность, при которой так же удобно шить, как при рассеянном дневном свете, составляет 60 лк. При освещенности порядка одного люкса можно с напряжением читать. Освещенность в одну-две десятых люкса создает при ясном небе полная луна. Этой освещенности достаточно летчику для прицельного бомбометания; такую освещенность, сле­довательно, нельзя допускать при светомаскировке. Освещенность в сотые доли люкса (молодая луна) позволяет производить неко­торые виды работ ночью, например земляные работы. Освещенность в тысячные доли люкса (звездное небо), по-видимому, допустима при светомаскировке. Освещенность в десятитысячные доли люкса позволяет с трудом ориентироваться ночью.

Рис.11. Фотометрический ку­бик Люммера.	Рис.12. Схема фотометра Люмме­ра - Бродхуна.

 

Существуют специальные модели фотометров, которые приспо­соблены для непосредственного определения освещенности (люкс­метры). В последнее время в качестве люксметров с успехом приме­няются фотоэлементы, шкала которых проградуирована соответ­ствующим образом.

Рис.13. Полярная диаграмма силы света лампы накаливания в арматуре. (Цифры выражают силу света по данному на­правлению в условных единицах).	Рис.14. Фотометрический шар, схематическое изобра­жение разреза.

Только точечный источник дает по любому направлению одну и ту же силу света, и, следовательно, для характеристики его достаточно произвести одно измерение на оптической скамье. Для реальных же источников сила света по различным направлениям различна, так что для полной характеристики распределения света от источника требуется производить измерения в различных азиму­тах. Такого рода диаграммы (в полярных координатах) чрезвычайно показательны (рис.13). В тех случаях, когда источником света служит лампа, помещенная в соответствующую арматуру (светиль­ник), диаграммы могут приобретать весьма несимметрический вид (на­пример для автомобильных фар).

Во многих случаях достаточно знать среднюю сферическую силу света, т. е. значение полного потока, посылаемого источником, а не его распределение по различным направлениям. Такое измере­ние может быть произведено в так называемых интегральных фото­метрах. Одним из таких фотометров служит шаровой фотометр Ульбрехта. Исследуемый источник подвешивается внутри полого шара К (рис.14), внутренняя поверхность которого покрыта белой матовой краской. Белый матовый экран S защищает отверстие О на поверхности шара от действия прямых лучей источника. Если отражение света от внутренней поверхности шара К следует закону Ламберта, то освещенность Е отверстия О пропорциональна пол­ному световому потоку Ф лампы:

(4.2)

где с - множитель пропорциональности, зависящий от размеров шара и его окраски. Этот множитель определяется экспериментально путем замены испытуемой лампы нормальной. Отверстие О покрыто пластинкой из молочного стекла.

Для измерения Е определяют яркость этой пластинки обычным фотометром на оптической скамье или каким-либо иным. Обычно употребляют шары Ульбрехта не менее 1 м диаметром. Нередко применяются и большие шары.

Своеобразной разновидностью визуального метода, пригодного для измерения самых малых яркостей, является метод, разработан­ный акад. С. И. Вавиловым и известный под названием «метода гашения». Основоположником этого метода С. И. Вавилов считал Франсуа Мари (1700 г.), но следует отметить, что лишь после тща­тельных исследований С. И. Вавилова метод этот приобрел харак­тер важного способа оценки слабых интенсивностей. Метод покоится на способности глаза довольно хорошо оценивать пороговое значение яркости, т. е. минимальную, еще воспринимаемую отдохнувшим глазом яркость. Это пороговое значение оказывается для каждого наблюдателя довольно устойчивым. Метод гашения заключается в том, что каким-либо способом ослабляют наблюдаемую яркость до порогового значения. Зная, во сколько раз пришлось произвести ослабление, наблюдатель может определить исходную яркость. Таким путем удается оценивать яркости в десятитысячные кд/м² и ниже, что почти недоступно никаким другим методам.

Литература.

1. Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954, с. 253.

2. Там же, с. 256.

3. Там же, с. 254.

4. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. Т. 3. М., 1959, сер. XIX.

5. Vardet E. -C. r. Acad. sci. Paris, 1856, 43, p. 529; 1857, 44, p. 1209.

6. Максвелл Дж. К. Цит. соч., с. 255.

7. Фарадей М. Цит. соч., с. 461.

8. Максвелл Дж. К. Цит. соч., с. 317.

9. Weber W. Werke. Bd 3. Berlin, 1893.

10. Максвелл Дж. К. Цит. соч., с. 321.

11. Fizeau H. -C. r. Acad. sci. Paris, 1862, 55, p. 501, 762.

12. Максвелл Дж. К. Цит. соч., с. 321.

13. Там же, с.530.