5.4. Фотометрия.

Системы единиц параметров оптического излучения. Фотометрия – часть оптики, включающая в себя видимый диапазон электромагнитного излучения. Выделение этого диапазона шкалы электромагнитного излучения связано с тем, что оно воспринимается человеческим глазом, и необходимо учитывать особенности человеческого глаза, как приемника излучения (оптического прибора).

Для указанного диапазона кроме энергетической системы величин применяют фотометрическую систему, опирающуюся на единицу силы света – канделу, которая входит в число основных единиц системы СИ.

Основные энергетические и фотометрические величины в соответствии с системой СИ и светотехническим словарем.

Энергетические			Фотометрические
Наименование	Символ	Единица измерения	Наимен.	Символ	Единица измер.
Поток излучения	Ф е	Вт	Световой поток	Ф v	лм
Энергия излучения	Q e	Дж	Световая энергия	Q v	лм*с
Энергетическая сила излучения (сила излучения)	I e	Вт/ср	Сила света	I v	лм/ср =кд
Поверхностная плотность потока излучения (энергетическая светимость)	M e	Вт/м 2	Поверхностная плотность светового потока (светимость)	M v	лм/м 2
Энергетическая освещенность (облученность)	E e	Вт/м 2	Освещенность	E v	лк
Энергетическая яркость	L e	Вт/ср*м 2	Яркость	L v	лм/ср*м 2 = кд/м 2 = нит

1кд=1/638вт/ср 1вт=638кд*ср =638лм. Энергетическая яркость - это величина потока, излучаемого единицей площади в единицу телесного угла в данном направлении.

Глаз как оптический прибор обладает рядом особенностей. Свет попадает на роговицу глаза (рис.5.8), на которой испытывает преломление. Хрусталик – линза из нескольких слоев с разным коэффициентом преломления по поверхности. Кривизна хрусталика изменяется с помощью мышц. Сетчатка является экраном, на который проецируется изображение. Сетчатка состоит из нервных окончаний 2- видов – палочек (130млн) и колбочек (7млн), которые располагаются в нижнем слое сетчатки. Отверстие в радужке выполняет роль диафрагмы. При попадании света на чувствительные элементы сетчатки происходят химические процессы, в результате которых раздражаются нервные окончания и подаются сигналы в мозг, вызывая определенные зрительные ощущения.

Световая чувствительность глаза — возникновение зрительных ощущений на минимальные электромагнитные излучения определенной длины волны (от 350 до 750 нм). Она зависит как от длины волны, так и от внешних условий. Зависимость чувствительности от длины волны света называется спектральной чувствительностью. Одна и та же энергия при разных длинах волн вызывает разное ощущение. Зависимость чувствительности от длины волны характеризуется кривой видности (рис.5.9). Зависимость от внешних условий (освещенности) объясняется тем, что при слабой освещенности работают палочки, на свету колбочки. Наличие двух типов чувствительных элементов приводит к тому, что человек приспосабливается к изменению интенсивности в миллион раз. У разных людей разная чувствительность, поэтому введено понятие стандартного наблюдателя.

Восприятие цвета. Поверхности, не изменяющие спектрального состава падающего на них облучения и имеющие коэффициент отражения не менее 85% , называются белыми. Среды, через которые световой поток проходит, не меняя своего спектрального состава, называются бесцветными. Тела и среды, обладающие избирательным отражением или пропусканием, имеют при освещении белым светом ту или иную окраску и называются цветными. Следовательно, цвет окружающих нас предметов зависит от их избирательного отражения или пропускания, а также от спектрального состава, падающего на предметы лучистого потока. Всякий цвет можно получить путем смешения трех цветовых компонентов в надлежащих пропорциях при условии, что длины их волн достаточно отличаются друг от друга. В этом заключается трихроматичность цвета. Дополнительными называются два цвета, которые образуют при смешении ахроматический цвет.- т.е. при смешении дают в глазу ощущение белого цвета. В природе существует множество пар дополнительных цветов, в том числе и спектральных.

Адаптация. Человек может воспринимать огромные перепады яркости. При переходе со света в темноту яркость может изменяться от 10-5 до 10-17 лк. Это происходит прежде всего за счет изменения размера зрачка. На изменение чувствительности рецепторов также нужно время. После минутного пребывания в темноте чувствительность глаза к свету возрастает в 10 раз, через 20 минут в 6000 раз, а после 10 минут пребывания в темноте достигает предела и увеличивается в 25 000 раз. Время полной адаптации в темноте составляет 30 минут.

Контрастная чувствительность. Оптический контраст — различимость предмета наблюдения от окружающего его фона. Визуальное восприятие объекта возможно только при наличии контраста между объектом и фоном. Контраст К определяется отношением разности яркостей объекта наблюдения B₁ и фона B₂ к одной из этих яркостей: . Когда объект имеет абсолютный контраст, то К=1, при его отсутствии (объект сливается с фоном) К=0. Глаз различает только определенные перепады яркости. Минимальная величина контраста, при которой глаз воспринимает соседние детали, зависит от яркости объекта и фона, его углового размера и чёткости контура объекта на фоне. Величина, обратная минимальной величине контраста, воспринимаемой глазом, называется контрастной чувствительностью глаза. Зависимость контрастной чувствительности от яркости представлена на рис.5.10. Из графика видно, при малых и больших значениях яркости контрастная чувствительность падает. Так как маленькие перепады яркости глаз не воспринимает, то для восприятия деталей объекта надо усилить переменную составляющую яркости. Такой прием называется γ-коррекцией.

Инерция зрения. Инерция зрения есть его способность некоторое время сохранять результат светового воздействия на глаз и, таким образом, накапливать результаты таких воздействий за некоторое время. Инерция способствует устойчивости зрительного ощущения и, в сущности, обеспечивает саму возможность осмысления зрительных впечатлений. Если сигнал быстро меняется, то глаз не успевает заметить эти изменения и воспринимает только среднее значение яркости. (С частоты 20Гц.). Причины инерционности глаза кроятся во времени, необходимого для протекания химических реакций и восстановления чувствительности рецепторов.

Измерение светового излучения. Методы измерения светового излучения делятся на объективные и визуальные. В отличие от объективных методов, в которых приемником излучения является физический прибор, визуальные методы измерения ориентированы на глаз, как приемник светового излучения, хотя результаты измерений могут оцениваться как глазом, так и физическим прибором. Визуальные методы применяются в основном для измерения характеристик источников освещения и освещенности рабочих мест.

Визуальная фотометрия. 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 до соответствующей адаптации к темноте, а потому здесь невозможно предсказать, какой должна быть спектральная чувствительность физического (электрического) фотометра, чтобы обеспечивалось согласие с возможными результатами визуальной фотометрии. 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, называемое кубиком Люммера – Бродхуна, показано на рис. 5.11. 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. Свет от источника S1 проходит прямо в телескопическую трубку, а от источника S2 попадает в нее после внутреннего отражения в призме 2. В результате формируется изображение в виде двух соосных эллипсов. Часто бывает желательно, чтобы свет от двух источников падал с противоположных сторон, и поэтому применяются схемы типа показанной на рис. 5.11б. Наблюдатель, глядя в микроскоп с небольшим увеличением, видит поля сравнения, показанные на рис. 5.11в.

Простейший метод визуальной фотометрии основан на том, что освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния, изменяя расстояния до одного из источников, добиваются одинаковой освещенности от измеряемого источника и эталонного. Если одна лампа закреплена на расстоянии х₁ (рис.5.12) от экрана, а другая отодвинута на расстояние х₂ и при этом яркость полей сравнения одинакова, то отношение сил света I₁и I₂ двух ламп определяется равенством I₁ /x₁² = I₂ /x₂². Это равенство выражает так называемый закон обратных квадратов расстояний, 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. Единственное условие применимости этого закона требует, чтобы размеры источника были малы по сравнению с расстоянием.

Кроме фотометрической скамьи равенства световых потоков от двух источников добиваются с помощью различных устройств – ослабителей света. Ослабитель света - оптическое устройство, предназначенное для ослабления светового потока. Изготовляются в виде сеток, диафрагм, рассеивающих пластин, вращающихся дисков с вырезами, светофильтров, интерференционных светофильтров, клиньев фотометрических.

Клин фотометрический, представляет собой клин из ахроматического (имеющего нейтрально-серый цвет) вещества, коэффициент поглощения которого не зависит от длины световой волны (специальное стекло, желатиновая плёнка, содержащая коллоидные графит или серебро, и др.). Степень ослабления светового потока каким-либо участком клина определяется толщиной поглотителя. Смещая один клин относительно другого по горизонтали, изменяют величину ослабления светового потока.

Быстро вращающиеся диски с секторными вырезами («вращающиеся секторы») ослабляют свет 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. На рис.5.13 показаны ослабители в виде фотометрического клина и диска.

Объективные методы измерения параметров оптического излучения. Чаще всего используются такие физические явления как внешний и внутренний фотоэффект, фотогальванический эффект и изменение оптической плотности среды под воздействием оптического излучения.

В случае слабых источников света, а также в тех случаях, когда требуются повышенная точность и 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 (рис.5.14), то электроны, высвобождающиеся с катода, будут притягиваться анодом. Поток таких электронов, а следовательно, и ток в цепи пропорциональны освещенности. Газонаполненные фотодиоды обладают более высокой чувствительностью, чем вакуумные, т.к. в них за счет ионизации газа происходит усиление фототока. Для усиления тока можно использовать явление вторичной электронной эмиссии. Соответствующие устройства называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Типичная конструкция ФЭУ показана на рис. 5.15. 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

.

Фотометр интегрирующий, шаровой фотометр, прибор, позволяющий определять световой поток по одному измерению. Основной частью прибора является фотометрический шар (шар Ульбрихта), который представляет собой полый шар с внутренней поверхностью, окрашенной неселективной белой матовой краской. Диаметр шара должен значительно превышать размеры фотометрируемых источников света, вследствие чего для измерения световых потоков, например люминесцентных светильников, строят фотометры диаметром до 5 м. Освещённость любой точки шара, защищенной небольшим экраном от прямых лучей горящего в шаре источника, пропорциональна световому потоку этого источника (в общем случае – потоку излучения). Освещённость экранированного участка измеряется тем или иным способом, например с помощью встроенного в шар фотодиода. Такие приборы широко применяется при световых и цветовых измерениях, в частности для измерения световых потоков ламп и светильников, отражения коэффициентов и пропускания коэффициентов.