Основы световых измерений

Фотометрия – раздел оптики, изучающий методы и приемы измерения параметров световой энергии. Приборы, с помощью которых проводятся световые измерения, носят общее название фотометров.

При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью.

Освещённость и силу света измеряют люксметрами, яркость источника света или отражающей поверхности – яркомерами, световой поток – с помощью фотометра интегрирующего или фотометрического шара. Приборы для измерения цвета объекта называются колориметрами.

Яркомер-колориметр представляет собой измерительное устройство спектрального типа и предназначен для измерения яркости и цвета самых различных светоизлучающих устройств.

Спектрофотометр – прибор для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне. Применяется в колориметрии и спектральном анализе.

Спектрофотометры могут работать в различных диапазонах длин волн – от ультрафиолетового до инфракрасного и имеют различную разрешающую способность. Обычно шаг, на который изменяется величина длины волны, равен 10 нм. Такой шаг позволяет с высокой степенью точности производить измерения спектра любых излучений. Более точные спектрофотометры, применяемые для исследовательских целей, могут производить измерения спектра и в более узких интервалах равных 5 нм и 1 нм.

Если в качестве приёмника используется глаз, фотометры называются визуальными, или зрительными, если же применяется какой-либо физический приёмник, фотометры называются физическими. Оптический блок фотометра, иногда называемый фотометрической головкой, содержит линзы, светорассеивающие пластинки, ослабители света, светофильтры, диафрагмы и приёмник излучения.

Чаще всего в фотометрах с физическими приёмниками поток излучения преобразуется в электрический сигнал, регистрируемый устройствами типа микроамперметра, милливольтметра и т. д.

Наиболее широко применяемым в практике измерений фотометром является люксметр, принципиальная схема которого показана на рис. 1.6, а.

Люксметр состоит из фотоэле­мента 1, подключенного к гальванометру 2. Гальванометр может шунтироваться сопротивлениями R 1 и R 2 при помощи переключа­телей 3. Чувствительная часть фотоэлемента может прикрываться специальными насадками 4. Использование шунтов и насадок позволяет изменять пределы измерений освещенности.

а) б)

Рис. 1.6. Принципиальная схема люксметра (а), измерение светового потока с помощью фотометрического шара (б)

 

Измерение переносным люксметром проводится следую­щим образом. Фотоэлемент располагается в той плоскости, освещенность которой измеряется. Искомая освещенность определяется по отклонению стрелки гальванометра.

Люксметры периодически проверяют и градуируют с помощью источника света, характеристики которого известны.

Измерения с помощью люксметра достаточно точны, когда спектральный состав излучения источника, применяемого при градуи­ровке люксметра, близок к спектральному составу источников, освещенность от которых измеряется. Если указанные спектральные составы сильно отличаются, необходимо применять фотоэлемент с коррегирующим светофильтром. Например, если градуировка производилась при помощи лампы нака­ливания, а освещенность нужно измерять от люминесцент­ного источника света, измерения без корригирующего светофильтра могут иметь по­грешности, превышающие 10 %.

Измерение освещенности, создаваемой осветительными установками на промышленных предприятиях, с помощью переносного люксметра представляет собой до­статочно простое и быстро выполнимое действие. Погреш­ность измерения освещенности составляет не более ±10 %. Для периодического контроля условий освещенности рабо­чих мест в промышленности такая ошибка вполне допу­стима.

В соответствии с первым законом фотометрии (1.9) силу света можно определить путем измерения освещенности и последующим расчетом по формуле

(1.16)

Для измерения светового потока источников света служит шаровой фото­метр – фотометрический шар (шар Ульбрихта). Схематиче­ский разрез его показан на рис. 1.6, б.

Шаровой фотометр − полый шар, внутренняя поверхность которого выкрашена бе­лой рассеянно отражающей свет краской. Шар имеет дверку, позволяющую помещать источник света (И) внутри шара. Дверка является частью шаровой поверхности, внутренняя сторона дверки окрашена бе­лой рассеянно отражающей свет краской.

Шар имеет небольшое отверстие, закрытое молочным стеклом (МС). Внутри шара поме­шается экран (Э), кото­рый защищает молочное стекло от прямых потоков источника света. За молочным стеклом располагается фотоэлемент (ФЭ), в цепь которого включен градуированный в люменах гальванометр (Г), показывающий результат измерения.