5.1. Цель работы

Ознакомиться с основными фотометрическими понятиями и единицами их измерений. Научиться измерять основные характеристики источников света.

5.2. Основные понятия и расчетные формулы

Основными фотометрическими величинами, характеризующими источники света, являются сила света, световой поток, светимость, яркость. Приборы, применяемые для сравнения источников света или световых потоков, называются фотометрами. Фотометры подразделяются на визуальные и объективные.

Визуальные фотометры основаны на способности глаза хорошо устанавливать равенство освещенности двух соприкасающихся поверхностей. Пусть два источника, сила света которых I₁ и I₂, находятся на расстоянии L₁ и L₂ от соприкасающихся поверхностей. Тогда освещенность этих поверхностей при условии нормального падения лучей будет соответственно:

.

Условие равенства освещенностей позволяет выразить силу света одного источника через силу света другого:

. (5.1)

Формула (5.1) может быть использована для определения силы света I₁ источника, если в качестве другого источника взять эталонный, сила света которого известна. Выражение (5.1) справедливо для так называемых точечных источников - источников, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием от места наблюдения до источника. Для действительных же источников (на расстояниях, сравнимых с их размерами) сила света по различным направлениям различна, так что для полной характеристики распределения силы света от источника требуется производить измерения в различных направлениях. В этом случае источники характеризуются так называемыми световыми диаграммами, которые строятся в полярных координатах. Для получения световой диаграммы источника можно использовать объективные методы фотометрии, в частности, фотоэлектрические методы. В фотоэлектрическом методе в качестве приемника света применяются фотосопротивления, фотоэлементы, фотоумножители, болометры и термопары.

Настоящая работа позволяет познакомиться с основными визуальными и фотоэлектрическими методами фотометрии на фотометрической скамье ФС-М.

5.3. Описание установки и методика измерения

Фотометрическая скамья ФС-М состоит (рис.5.1, рис.5.3) из фотометрической головки с экранами 1, держателей источников света 2, держателя источника света с лимбом 3, измерителя расстояний 4. Все детали закрепляются в передвижных каретках 6 с отсчетным устройством 7, позволяющим снимать показания местоположения каретки по шкале 8 скамьи. Перемещение каретки по скамье осуществляется вращением рукоятки 9 при отжатой тормозной рукоятке 10. Закрепленные детали в каретке совмещаются с оптической осью перемещением в двух взаимно-перпендикулярных направлениях винтами 11.

Фотометрическая головка 1 (рис.5.1.) устанавливается на одной из кареток между двумя источниками света, освещающими находящуюся в корпусе головки двухстороннюю приемную белую матовую пластинку. Свет, отраженный поверхностями пластинки, направляется призмами через фотометрический кубик в окулярную трубу головки 12, через которую наблюдается поле зрения фотометра. Оптическая схема фотометрической головки изображена на рис.5.2.

Рис.5.1. Фотометрическая скамья ФС-М.

В фотометрической головке применен кубик с контрастными полями. Через участки поля, имеющие на рис.5.2 слева одинаковую штриховку, видна одна из сторон приемной пластины.

При фотометрическом равновесии, когда яркость обеих сторон приемной пластины головки одинакова, видимое в окуляр поле представляет собой фон равномерной яркости с расположенными на нем двумя несколько более темными трапециями (рис.5.2, справа).

Проводя фотометрические измерения, необходимо все части установки (источник света, приемные пластины и т.д.) расположить по оси скамьи. Для этой цели служат визирные сетки 13 (рис.5.1) фотометрической головки. На время центровки приемную пластину вынимают из корпуса головки, нажимая пальцами на щечку замка оправы приемной пластины, а визирными сетками закрывают с обеих сторон образовавшиеся при этом в корпусе головки сквозные отверстия. Наблюдая через это отверстие, совмещают визирные сетки и устанавливают источник света так, чтобы прямая, проходящая через центры визирных сеток, проходила и через нить накала источника света.

Рис.5.2. Фотометрическая головка

При фотометрировании визирные сетки должны быть отодвинуты в сторону. Бархатные экраны небольшого размера служат для устранения рассеянного света. Правильное определение расстояний на фотометрической скамье является необходимой предпосылкой для обеспечения надежности световых измерений. Разность показаний n₂-n₁ отсчетного устройства кареток не дает истинного расстояния между закрепленными на них деталями скамьи (например, расстояние между нитью накала источника света и приемной пластиной фотометрической головки), так как вертикальные плоскости, проходящие через измеряемые детали, не всегда совпадают с визирными линиями отсчетного устройства кареток. Поэтому истинное расстояние L между закрепляемыми деталями в каретках можно представить как разность показаний отсчетного устройства кареток n₂-n₁ плюс некоторая поправка :

. (5.2)

Для определения поправки  каждой пары кареток в комплекте скамьи предусмотрен измеритель расстояний 4 (рис.5.3).

Для этой цели один из объектов, между которыми определяется расстояние, например, лампа накаливания 14, закрепляется так, чтобы плоскость, от которой измеряется расстояние (нить накала лампы), совпала с плоскостью, проходящей через вертикальные штрихи визирных сеток 15 измерителя расстояний. С другой стороны измерителя к концу его стержня 16 подводится до соприкосновения плоскость второго объекта (плоскость приемной пластины

Рис.5.3. Фотометрическая скамья ФС-М с измерителем расстояний.

фотометрической головки) 13. При этой предварительной установке (рис.5.3) действительное расстояние между объектами будет равно длине измерителя L₀ = 472 мм. Отсчеты по шкале скамьи против указателя отсчетного устройства кареток равны n₁` и n<sub>2</sub>`. Причем, всегда будем считать, что можно записать:

.

Отсюда определяется поправка для данных двух кареток:

.

Поправка  определяется один раз для данной пары кареток. Последующие многократные измерения расстояний между деталями, закрепленными на каретках, вычисляются по формуле (5.2) с учетом найденной поправки , которая может быть как положительной, так и отрицательной.

Держатель с лимбом 3 (рис.5.1) предназначен для вращения деталей вокруг вертикальной оси. Шкала лимба с ценой деления 1⁰ имеет подсветку для удобства отсчета. Держатель с лимбом используется при определении силы света источника в различных направлениях (данные, необходимые при построении световой диаграммы источника света).