Фотометрия. Терминология. Световые эталоны

Фотометрия представляет собой область технической физики, разрабатывающей способы измерения видимого света, поэтому этот отдел физики тесно связан с физиологической оптикой.

Все фотометрические измерения основаны на выборе образцового источника света (светильника), каким является международная свеча (сокращенно — м. св.), представляющая собой с 1921 г. международный эталон света, сохраняющийся посредством электрических ламп накаливания в государственных лабораториях. В СССР этот эталон принят в 1925 г. и сохраняется в Всесоюзном институте метрологии и стандартизации в Ленинграде.

В Германии до сих пор допускается применение старого эталона - свечи Гефнера, равной 0,9 международной свечи.

Международная свеча при равномерном испускании света во все стороны дает световой поток, равный 4х люменов. Отсюда люмен (сокращенно—лм)— единица светового потока, равная потоку внутри телесного угла в один стерадиан, исходящему из 1 международной свечи.

Световой поток, падая на ту или иную поверхность, создает освещенность — плотность светового потока в данной точке. При равномерной освещенности освещенность есть отношение светового потока к площади.

Фот (сокращенно — ф) — единица поверхностной освещенности, равная плотности светового потока в 1 лм, равномерно распределенного на 1 см²; 0,0001 фота = 1 люксу, т. е. 1 люкс (л/с) — освещенность в 1 лм на 1 м², или освещенность сферы радиусом в 1 м помещенным в ее центре равномерным источником света с силой света в 1 международную свечу. Сила света точечного источника в некотором направлении — приходящийся на единицу телесного угла световой поток, излучаемый этим источником в данном направлении.

Средняя сила света источника — среднее из значений силы света по всем направлениям, или частное от деления полного светового потока источника на 4π.

Стильб (сб) — яркость равномерно светящейся поверхности спускающей в перпендикулярном к ней направлении свет силой в 1 м. св с 1 см².

Светимостью какой-либо светящей поверхности (самостоятельно испускающей свет или освещенной) называется световой поток, испускаемый единицей поверхности. Светимость измеряется в люксах или фотах.

Светимость или освещенность — величины одной и той же размерности: первый термин применяется, когда речь идет об испускании какой-либо поверхностью, например белым экраном, отражающим свет; второй термин применяется, когда речь идет об освещении каким-либо источником света этого экрана.

Например: проекционный фонарь освещает и дает освещенность в 200 лк; светимость экрана, определяющая яркость проекции, будет меньше в зависимости от качества экрана и будет составлять около 25—30% от освещенности.

Мы приводим здесь эти определения единиц, применяемых в современной фотометрии, так как они необходимы для определения количественных условий самых элементарных опытов по фотометрии.

Световые эталоны. Источники света, которые могут быть применены в качестве эталонов в школе, с очень малой точностью могут быть выражены в международных единицах.

Обычная стеариновая свеча с нормальной величиной пламени по указанию Фабри дает в горизонтальном направлении силу света, мало отличающуюся от 1 международной свечи.

Электрические лампы накаливания по стандарту определяются не силой света в данном направлении, а полным световым потоком. Полный световой поток, выраженный а люменах, деленных на 4π:, дает силу света лампы в международных свечах.

По стандарту СССР 1928 г. (ОСТ 195) электрические газополные лампы дают при мощности в 100 вт и напряжении в 120 в световой поток в 1256 лм, или почти 1 св на 1 вт. При большей мощности световая отдача увеличивается и при 1000 вт достигает 1,5 св на 1 вт. При меньшей мощности световая отдача уменьшается и при 15 вт достигает 0,86 св на 1 вт. Лампы низкого напряжения дают до 1,5 св на 1 вт. Сила света электрической лампы весьма сильна зависит и от напряжения и от срока службы лампы, почему напряжение необходимо строго контролировать.

Рис. 469. Эталонная электрическая лампа

Эталонные электрические лампы (рис. 469) ничем особо существенным не отличаются от обычных, и с некоторой степенью точности любая электрическая лампа может служить эталоном, если ее световой поток будет определен в фотометрической лаборатории сравнением с эталоном того или иного класса. При этом чрезвычайно важно иметь совершенно то же напряжение на зажимах лампы при сравнении ее с эталоном и при употреблении ее в качестве эталонного светильника.

При этом надо иметь в виду, что постоянство силы света лампа дает после некоторого предварительного горения и что, применяя обычные лампы в качестве эталонов, выгоднее пользоваться несколько пониженным напряжением против того, на которое лампа изготовлена (например 105—110 в для 120-вольтовой лампы).

Пламя ацетилена имеет яркость примерно в 8 сб, т. е. каждый квадратный сантиметр в перпендикулярном направлении испускает силу света в 8 св. Яркость освещенной искусственным светом поверхности бумаги равна 0,001 сб.

Исходя из этих данных, имеет смысл показать электрическую лампу в 100 вт, питая ее от слегка повышенного трансформатора и измеряя ее напряжение вольтметром. При напряжении в 120 в для новой лампы можно считать, что сила света будет около 100 международных свечей (±15%).

Полезно зажечь стеариновую свечу, затемнив помещение и потушив- все другие источники света. Эти демонстрации дают представление о силе света 1 международной свечи.

Если имеется возможность использовать какую-либо фотометрическую лабораторию, важно отобрать несколько подержанных ламп: разной мощности и определить их силу света в международных свечах.

Одновременно с лампами необходимо отправить в лабораторию и вольтметр. По этому вольтметру в лаборатории будет отмечено то напряжение, под которым лампа горела при сравнении с эталоном, и внесено в протокол испытания.

Вольтметр надо хранить вместе с лампами и при употреблении ламп в качестве светового эталона, по этому же вольтметру нужно доводить напряжение до той величины, которая указана в протоколе. Это исключает ошибку в показаниях вольтметра, и от вольтметра требуется только сохранение одинаковой чувствительности, а не абсолютно правильные показания.