Фотометрические приборы

Термин «фотометрия» образован от двух греческих слов: «фос» - свет и «метрео» - измеряю. В измерительных приборах, регистрирующих область спектра, видимую человеческим глазом (λ = 350 - 760 нм) важно не только измерить энергетические характеристики, но и изготовить прибор таким образом, чтобы его чувствительность к излучению соответствовала бы чувствительности человеческого глаза. Такие приборы измеряют оптические величины в оптических единицах, основной из которых является кандела (свеча). Сила света определяется как энергия потока, видимого человеческим глазом, т. е. механическая энергия, умноженная на видность глаза, распространяющая в единичном телесном угле, т. е.

(8.1)

Если сила света выражена в канделах, а телесный угол в стерадианах, то световой поток выразится в люменах.

Освещенность какой-либо поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, есть поверхностная плотность светового потока, т. е.

(8.2)

Связь освещенности и силы света дается фундаментальным законом фотометрии, гласящем, что освещенность от точечного источника изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности, т. е.

(8.3)

где φ - угол между нормалью к поверхности и направлением распределения света. Освещенность выражается в люменах. Если поставлена задача охарактеризовать фотометрические параметры самосветящегося объекта: нити накаливания лампы, экрана монитора, колбы люминесцентной лампы и т. д., измерять следует величину, называемую светимостью:

(8.4)

где dS - элемент светящейся поверхности. Светимость в оптических единицах выражается в люменах с квадратного метра (лм/м²).

Еще одной распространенной оптической физической величиной, измеряемой на практике, является яркость. Яркость определяется для светящегося объекта как сила света с единицы поверхности, перпендикулярной лучу:

(8.5)

 

Рис. 8.2. К определению яркости: а) самосветящаяся поверхность; б) поверхность, освещенная сторонним источником света

Для поверхности, освещенной сторонним источником света, яркость определяется как отношение освещенности поверхности к телесному углу, опирающемуся на эту поверхность, и имеющему вершину в точке наблюдения:

(8.6)

Еще одно определение яркости относится к лучу света безотносительно к тому, является он исходящим от самосветящейся поверхности или падает на какую-либо поверхность. Яркость элементарного луча определяется как освещенность, которую он создает на перпендикулярной к нему поверхности в единичном телесном угле, который он заполняет:

(8.7)

В тех случаях, когда создаются приборы, работающие в инфракрасном или в ультрафиолетовом диапазонах, вместо оптических единиц, как уже указывалось, используются механические единицы, т. е. мощность измеряется в ваттах, энергетическая освещенность - в ваттах на квадратный метр, энергетическая сила света - в ваттах на стерадиан, энергетическая яркость - в ваттах на метр квадратный на стерадиан. В главе «Метрология» указано, что связь между относительными фотометрическими единицами осуществляется использованием понятия механического эквивалента света и функции видности человеческого глаза. Напомним, что механический эквивалент света есть мощность светового потока на длине волны 555 мкм, равная 1 Ватту механической энергии. В оптических единицах эта мощность равна 683 люмена, т. е.

(8.8)

В приборах для измерения силы света - свечемерах - используется закон измерения освещенности в зависимости от расстояния. В этом случае сила света какого-либо источника измеряется сравнением (компарированием освещенности, создаваемой этим источником с освещенностью, создаваемой источником, с известной силой света I,). Схема подобного прибора дана на рис. 8.3 .

Рис. 08.03. Оптическая схема свечемера

 

 

Перемещением экрана и лампы добиваются равенства сигналов с фотоприемника при освещении обеими лампами. Затем измеряют расстояние r₁ и r₂, соответствующие этому положению. Сила света источника I₂ находится из очевидного равенства:

(8.9)

Существует достаточное количество различных реализаций этого метода как по компарированию ламп с различным спектральным составом излучения, так и с различными интенсивностями. Вместо фотоприемника часто используют какое-либо визуальное устройство, и равенство освещенностей фиксируют без измерений фототоков.

Тот же самый принцип в отношении измерения силы света мощных источников или при большом расстоянии от источника света до фотоприемника реализован в так называемом телеметрическом методе. Сущность этого метода основана на выделении и измерении светового потока ΔФ, распространяющегося от источника в пределах малого телесного угла Δω и определения таким образом силы света в соответствующем направлении. Рисунок 8.4 поясняет сущность телеметрического метода.

Рис. 08.04. Телецентрический метод измерения силы света

 

 

Излучение источника И, силу света которого надо определить, падает на положительную линзу Л, оптическая ось которой совпадает с направлением измеряемой силы света. В фокальной плоскости F устанавливается диафрагма D с площадью отверстия S, равной δ. Телесный угол, в пределах которого лучи, падающие на линзу Л, достигнут фотоэлемента, равен Δω=δ/f², где f - фокусное расстояние линзы. Фототек в цепи фотоэлемента должен быть пропорционален световому потоку ΔФ, используемому в пределах постоянного для данного прибора телесного угла Δω. В этом случае фототек равен

(8.10)

где К - постоянный коэффициент, I - искомая сила света. Коэффициент К определяется при градуировке, и шкала электроизмерительного прибора комбинируется непосредственно в единицах силы света - в канделах или в ваттах на стерадиан.

Для измерения светового потока проводят измерения освещенности внутренней поверхности белого матового шара. Если в фотометрическом шаре между источником света, поток от которого нужно измерить, и фотоприемником установить экран Э, то освещенность в точке расположения фотоприемника пропорциональна полному световому потоку:

(8.11)

где ρ - коэффициент отражения внутренней поверхности шара; r - радиус шара; а - фотометрическая константа шара - коэффициент пропорциональности между величиной светового потока от источника и освещенностью поверхности фотоприемника. В большинстве практических случаев коэффициент а определяется экспериментально измерениями светового потока источника с известными значениями полного светового потока.

Измерители освещенности - люксметры - являются наиболее массовыми оптическими приборами, используемыми на практике. Именно этими приборами контролируется уровень освещенности во всех случаях - в помещении, на улице, при выполнении каких-либо технологических измерений и т.д.

Люксметры по принципиальной схеме являются наиболее простыми из всех фотометрических приборов. Фотоэлектрические люксметры состоят, как правило, из фотоэлемента и чувствительного электроизмерительного прибора. Необходимым условием правильности показаний люксметра является соответствие спектральной чувствительности фотоприемника функции видности человеческого глаза, т. е. максимальная чувствительность должна быть в желто-зеленой области со спадом в ультрафиолетовую (до 380 нм) область и в инфракрасную (более 760 нм) область. Поскольку площадь фотоприемника строго фиксирована, сигнал с него пропорционален освещенности, и шкала прибора, соответственно, может быть проградуирована в люксах.

При создании фотометров для измерения энергетической освещенности в ультрафиолетовой или в инфракрасной областях в приборы устанавливаются светофильтры, выделяющие определенный участок спектра излучения. Например, в переносных фотометрах отечественной фирмы ТКА есть вариант установки трех поддиапазонов ультрафиолетового излучения: так называемая зона А от 400 нм до 314 нм, зона В с диапазоном от314 до 280 ими зона С с диапазоном от 280 до 200 нм.

Приборы для измерений энергетических потоков в инфракрасной области называют радиометрами, поскольку они, как правило, измеряют суммарный поток инфракрасного излучения. Поскольку связь общей энергии теплового излучения с температурой дается законом Стефана-Больцмана, показания спектрофотометров зависят от того, какой источник света освещает данный объект. В большинстве случаев приборы градуируются для освещения лампами накаливания, т. н. Источник типа А. Если объект освещен другими типами источников, например люминесцентными лампами или ртутными дуговыми лампами, то показания по шкале люксметра можно исправить с помощью поправочного коэффициента N, на который нужно умножить результат, чтобы найти правильное значение измеряемой освещенности. Значения поправочного коэффициента N для наиболее часто используемых источников света приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Поправочные коэффициенты для измерения
энергетических потоков источников света
с различными цветовыми температурами

Цветовая температура источника света, К
Поправочный коэффициент, N	1,003	1,00	0,99	0,975	0,973	0,843	0,78

 

Для измерения яркости в соответствии с 8.5 - 8.7 необходимо измерить энергию светового пучка, ограниченного двумя диафрагмами. Для реализации этого яркомер содержит, как правило, ахроматический объектив, проектирующий изображение объекта в плоскость диафрагмы D, за которой устанавливают фотоприемник. Схема яркомера дана на рис. 8.5 .

Рис. 08.05. Оптическая схема яркомера

 

 

Прибор, построенный по такой схеме, реагирует на световой поток, исходящий с поверхности определяемого размера dS под определенным углом dω. Следовательно, регистрируемый фототек будет пропорционален яркости объекта, и прибор может быть проградуирован в единицах яркости. На практике яркомеры имеют визирное устройство, позволяющее видеть глазом тот участок поверхности, яркость которого измеряется.

При измерении яркости протяженных самосветящихся объектов можно воспользоваться прибором для измерения освещенности - люксметром,- расположив его непосредственно на светящейся поверхности. В этом случае фотоприемник соберет все излучение объекта, исходящее в телесном угле в 2π стерадиан, и яркость самосветящейся поверхности будет отличаться от освещенности на 2π, т. е.

(8.12)

Этим способом часто пользуются на практике. Существуют также промежуточные приборы, проградуированные в единицах яркости, хотя по своей схеме они идентичны обычным люксметрам.