Световые измерения. Визуальные величины

1. Криваявидности. Человеческий глаз является селективным приемником света. Это значит, что световые волны разных длин, имеющие одинаковую интенсивность, вызывают в глазу разные физиологические ощущения. Один свет, например зеленый, кажется ярким, а другой, например фиолетовый, кажется слабым, хотя энергетически они равноценны.

Селективными приемниками являются также фотоэлементы и фотопластинки. Поэтому для характеристики света с учетом его восприятия человеческим глазом нужны не энергетические величины, а другие, привязанные к свойствам человеческого глаза. Такие величины называются визуальными (от лат. visus - зрение).

С помощью специальных измерений, определив сравнительные критерии физиологического ощущения в глазу, можно установить зависимость чувствительности человеческого глаза к световым волнам определенных длин. Эта зависимость представляется графически в виде кривой видности (рис.9).

Значение чувствительности v_l принята за единицу при l = 555 нм. К свету с такой длиной волны глаз имеет максимальную чувствительность. При построении кривой видности лучи всех длин волн имеют одинаковую энергетическую интенсивность.

В таблице 3.1 представлены численные значения чувствительности среднего глаза v_l при монохроматическом освещении с длиной волны с шагом Dl = 10 нм.

2. Силасвета. Для построения системы визуальных единиц нужно ввести независимую единицу измерения – эталон, ориентированный на свойства человеческого глаза. Поскольку между всеми фотометрическими единицами есть однозначная связь, то такой основной величиной может быть любая – сила света, световой поток и другие. Приоритет при выборе отдается здесь простоте реализации.

В системе СИ основной визуальной единицей является единица силы света кандела (кд) (от лат. candela - свеча). Все визуальные величины обозначаются так же, как и соответствующие им энергетические. Визуальная сила света обозначается .

Кандела – это такая сила света, при которой яркость полного излучателя (оксид тория Th₂O₃) при температуре затвердевания платины (2046,6 К) равна в направлении нормали 60 канделам с одного квадратного сантиметра.

Термин «полный излучатель» означает, что излучатель подобен абсолютно черному телу.

Кандела – одна из 7 основных единиц в СИ (в их число входят метр, килограмм, секунда, моль, ампер, кельвин, кандела).

Таблица 3.2
Источник света	I, кд
Светлячок	0,01
Пламя свечи
Эл. лампа 100 Вт
Люминесцентная лампа 40 Вт
Электрическая дуга	10 000
Солнце

В таблице 3.2 приведены значения силы света некоторых источников.

3. СветовойпотокФ. Единица измерения светового потока люмен (лм) (от лат. lumen – свет). Связь между визуальными единицами такая же, как и между энергетическими. Поэтому, люмен – это световой поток, создаваемый равномерным точечным источником с силой света 1 кандела в единице телесного угла.

Для изотропного точечного источника Ф = IW. Следовательно, 1 лм = 1 кд×ср. Источник в 1 канделу создает вокруг себя световой поток 4p = 12,57 лм.

Поскольку определен эталон силы света, то путем прямых измерений можно уста-новить, какая энергетическая мощность излучения соответствует световому потоку 1 люмен. При l = 555 нм 1 люмену соответствует поток энергии Ф₅₅₅ = 1,6×10^-3 Втçлм. Для других длин волн поток энергии Ф_l, соответствующий 1 люмену, больше, . (3.1)

Этот соответствующий 1 люмену поток Ф называется механическим эквивалентом света. Величина, обратная механическому эквиваленту света определяет световую эффективность потока излучения. . (3.2)

Очевидно, при l = 555 нм 1çФ_l = 1ç1,6×10^-3 = 625 лмçВт. С уходом от l = 555 нм в обе стороны световая эффективность потока излучения уменьшается в соответствии с кривой видности v_l, которая в формулах (3.1) и (3.2) есть ордината кривой видности (рис.9).

4. Световаяяркостьповерхности В. В отличие от энергетической яркости будем говорить в дальнейшем просто яркость. Единица яркости в СИ – кандела на квадратный метр (кд/м²). Это яркость плоской поверхности, создающей в перпендикулярном направлении силу света в одну канделу с каждого квадратного метра. Эту единицу называют также нит (нт) (от лат. niteo - блещу).

Единица яркости стильб (сб) (от греч. stilb’o – сверкаю) соответствует при тех же условиях силе света в 1 кд с квадратного сантиметра. Очевидно, 1 сб = 10⁴ кдçм².

Таблица 3.3
Светящаяся поверхность	B кд|м2
Ночное небо	0,0001
Снег в безлунную ночь	0,0005
Снег в полнолуние
Планета Юпитер (ночью)
Планета Марс (ночью)	2 000
Диск полной Луны	2 500
Пламя стеариновой свечи	5 000
Люминесцентные лампы	8 000
Планета Венера (ночью)	30 000
Нить накаливания в эл. лампах
Солнце в зените

В таблице 3.3 приведены значения яркости некоторых поверхностей.

Источники света, яркость В которых не зависит от направления излучения, также называются ламбертовыми. Однородный светящийся шар с ламбертовой поверхностью кажется одинаково ярким в середине и по краям. Таким источником света является, например, Солнце.

5. Светимостьповерхности R. Единица светимости в СИ – люмен на квадратный метр (лм/м²). Светимость 1 лм/м² соответствует излучению с единицы поверхности (с 1 м²) в телесном угле W = 2p стерадиан светового потока 1 лм.

Все формулы, определяющие соотношения между энергетическими величинами (§2), остаются справедливыми и для визуальных величин. Поэтому связь светимости R матовой излучающей поверхности с яркостью B этой поверхности так же определяется формулой (2.22): R = pB. Умножив значения яркостей различных светящихся поверхностей, приведенные в таблице 3.3, на число p = 3,14, получаем светимости R этих поверхностей.

6. Освещенность E. Единица освещенности в СИ – люкс (лк). Это – освещенность, создаваемая световым потоком 1 лм, равномерно распределенным по площади 1 м².

Освещенность 1 лк создается изотропным точечным источником с силой света 1 кд на внутренней поверхности шара радиусом 1 м, если он помещен в центре шара.

Примеры освещенности некоторых поверх-ностей приведены в таблице 3.4.

Измеряется освещенность с помощью фотоэлектрических люксметров. Измерительными датчиками этих приборов является фотоэлемент – пластинка с покрытием из полупроводника, способного вырабатывать электрический ток за счет энергии падающего на фотоэлемент светового потока.

При измерении освещенности, создаваемой люминесцентными лампами, такие люксметры обычно завышают показания. Это объясняется тем, что в спектре ртутных паров, использующемся для возбуждения люминесценции, велика интенсивность фиолетовых лучей. Глаз к ним малочувствителен, а фотоэлемент под действием этих лучей вырабатывает значительный ток. Поэтому для правильной оценки освещения от люминесцентных ламп показания фотоэлектрического люксметра следует уменьшить в 2 раза.

7. Энергетическиеивизуальныевеличины сведены в таблице 3.5. Из энергетических величин только интенсивность светового потока не имеет формального аналога среди визуальных величин. Однако численно она равна яркости светящейся поверхности, излучающей такую волну. Поэтому вместо «интенсивность светового потока» говорят часто «яркость светового потока».

8. Фотометрия (световыеизмерения). Различают объективные фотометрические измерения, выполняемые с помощью приборов, например фотоэлементов, без участия глаза, и субъективные, или визуальные, выполняемые с помощью глаза.

Визуальные измерения построены, в основном, на способности глаза с большой точностью устанавливать равенство освещенностей двух соприкасающихся поверхностей. Для достижения равенства освещенностей от двух сравниваемых источников применяются различные ослабители светового потока – поглощающие клинья, диафрагмы, поляризационные призмы.

Схема простейшего фотометра показана на рис.10. Здесь S₁ и S₂ – сравниваемые источники света, Кл1 и Кл2 – фотометрические клинья.

Если источники S₁ и S₂ точечные, а прибор расположен на оптической скамье, то фотометр позволяет сравнивать силы света источников и без специальных ослабителей на основе закона освещенности. При равенстве освещенностей граней призмы фотометра получаем: .

Если источники не точечные или неподвижны, то величины световых потоков от них изменяются с помощью заранее проградуированных поглощающих клиньев, как на рис.10, или с помощью диафрагм, изменяющих сечение пучков.