Введение

Предлагаемый лабораторный практикум содержит лабораторные работы по курсу «Теория цвета и цветовоспроизведения».

Его задача – ознакомить студентов с общими свойствами излучений и их преобразованием оптическими средами, а также с взаимодействием источников света, приемников излучения и оптических сред, практическими способами измерения цвета, его природой, а также с колориметрическими системами и их использованием. Тематика и содержание лабораторных работ должны дать студентам более полное представление об изучаемом предмете и помочь лучше усвоить пройденный материал.

Подготовка к лабораторной работе заключается в изучении описания к работе, особенно методики ее проведения. Для защиты отчета необходимо изучить рекомендуемую литературу, показать умение работать на соответствующих приборах и оборудовании. Необходимо также иметь отчет, оформленный по указаниям преподавателя.

Лабораторная работа № 1. Определение цветовой температуры теплового источника света и спектрального состава его излучения

1.1 Цель работы — ознакомление с методами измерения и контроля цветовой температуры, а также расчета и нормирования спектрального распределения энергии излучения тепловых источников света (ламп накаливания).

1.2 Содержание работы

Экспериментально определить цветовую температуру предложенного теплового источника света. Пользуясь формулой Планка, рассчитать на калькуляторе десятичный логарифм энергетической светимости R для этого же источника света. На ПК по программе PLOTN рассчитать зависимость Rλ _. Величины определяются в заданном преподавателем диапазоне спектра (360 – 1000 нм) с шагом 20 нм. Нормировать полученную функцию (Rλ 560 нм принимают за 100 %, что соответствует

lg R 560 нм = 20). По полученным после нормирования значениям построить зависимости lg R 560 нм = f (λ) в масштабе Δλ = 100 нм – 5 см,

lg R λ = 1,0 – 5 см.

1.3 Теоретическое обоснование

Многие расчеты, связанные с фотоприемниками и источниками света, требуют знания зависимости R λ = f (λ) или аналогичных функций

(lg Eλ = f(λ), lg Фλ = f (λ)), которые называют спектральными характеристиками источника света. В приборах с источником света, например в сенситометре, требуется использование излучения заданного спектрального состава. В таких приборах обычно предусмотрена возможность регулировки цветовой температуры при помощи изменения режимов питания лампы. Известны следующие эмпирические зависимости, связанные с изменением напряжения питания лампы по сравнению с напряжением, указанным на цоколе лампы:

(1.1)

где U1 – напряжение, указанное на цоколе лампы; U2 – напряжение питания лампы; F – световой поток; η-световая отдача; L – срок жизни лампы; Tc – цветовая температура лампы. Индекс 1 относится к номинальным значениям; 2 – к измененным (конкретным) значениям. Номинальный срок жизни лампы составляет около 2000 ч. Необходимость определения цветовой температуры возникает также при проведении спектральных расчетов с использованием конкретного источника света [1].

Как известно, термин «цветовая температура» означает температуру в кельвинах абсолютно черного тела, при которой излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое. Для ламп накаливания с вольфрамовой нитью спектральное распределение излучения пропорционально спектральному распределению излучения абсолютно черного тела в диапазоне длин волн 360 – 1000 нм. Для расчета спектрального состава излучения абсолютно черного тела при заданной абсолютной температуре его нагрева, можно воспользоваться формулой Планка:

(1.2)

где – ( R λ) – спектральная энергетическая светимость;

константы

= 3,74 · 10^-16 Вт · м² ,

= 1,44 · 10^-2 м· К,

е – основание натуральных логарифмов;

T – абсолютная температура, К.

Экспериментально цветовую температуру определяют по величине сине – красного отношения актиничностей. Напомним, что актиничностью называется освещенность, эффективная по отношению к фотоприемнику:

_(1.3)

где Ф – лучистый поток ; Sλ – чувствительность фотоприемника; Qλ – его площадь; если есть оптические среды, их τλ следует учитывать. В этом случае формула примет вид

αλ = E 0λ τλ Sλ. (1.4)

Если в качестве фотоприемника использован люксметр, то актиничностью является освещенность, определенная при экранировании фотоэлемента синим и красным светофильтрами.

Технически измерение проводится следующим образом. Фотоэлемент люксметра, попеременно экранируется, специально подобранными синим и красным светофильтрами. Светофильтры должны быть зональными и иметь одинаковую кратность в зоне пропускания [4]. По гальванометру люксметра определяют освещенность от измеряемого источника за каждым из светофильтров. Рассчитывают сине – красное отношение по формуле:

K = (1.5)

Используя градуировочный график Тс =f ( ), находят искомую цветовую температуру Тс.

Зная цветовую температуру, можно рассчитать спектральную светимость источника излучения, а затем спектральную освещенность Е_λ или мощность энергетического потока Ф_λ.

Рисунок 1.1. График зависимостей цветовой температуры от отношения актиничностей.

Для этого по формуле Планка рассчитывают значения спектральной энергетической светимости. Далее проводят нормирование полученной функции. Нормирование заключается в пропорциональном уменьшении или увеличении всех значений таким образом, чтобы функция проходила через точку с координатами R560 = 2,0 или λ = 560 нм, R 560=100. При этом считается, что каждое значение относится к спектральному интервалу Δλ, соответствующему шагу расчета (если интервал не был оговорен заранее). В нашем случае ширина интервала Δλ = 10 нм и светимость 100 Вт· м соответствуют длине волны 560 нм в интервале длин волн 555 – 565 нм (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2. Нормирование кривой светимости

По функции спектральной светимости R λ = fλ можно найти функции Е λ = fλ и Ф λ = fλ. Для этого необходимо воспользоваться формулами:

; (1.6)

, (1.7)

где Е – освещенность, R – светимость, Ф – энергетический поток, Q – площадь ( в СИ – 1 м ).

1.4 Порядок выполнения работы

1.4.1 Измерить отношение освещенностей, создаваемых источником света с заданным режимом питания, экранированным поочередно синим и красным светофильтрами: = .

1.4.2 По градуировочному графику найти соответствующую цветовую температуру

1.4.3 Используя формулу Планка, рассчитать lg R560 нм для полученного значения цветовой температуры и найти значение нормировочного коэффициента.

1.4.4 В компьютерном классе по программе PLOTN рассчитать нормированную кривую R λ=fλ (нормировочный коэффициент определяется по значениям, рассчитанным на компьютере). Можно провести расчет калькулятором. Для этого, по формуле Планка, рассчитывают все значения в заданном интервале спектра с Δλ = 10 нм. Если это R λ, то нормировочный коэффициент определяют по формуле 100/R 560 нм. Все рассчитанные значения умножают на этот коэффициент. Если с использованием формулы Планка были определены логарифмы энергетических светимостей, то определяют величину α=2,0 – lgR 560 нм. Затем ко всем найденным величинам lgR λ прибавляют α.

1.4.5 На миллиметровой бумаге строят зависимость lgR λ отн = f(λ).

1.5 Оборудование и материалы

1.5.1 Установка с регулируемым режимом питания источника света.

1.5.2 Люксметр с укрепленным на штативе фотоэлементом.

1.5.3 Стеклянные светофильтры из стекол марки КС и СС.

1.5.4 Градуировочный график Тс = f( ).

1.5.5 ПК с программой PLOTN.

1.6 Содержание отчета

1.6.1 Название и цель работы.

1.6.2 Исходные данные: режим питания лампы, схема измерения К, марки светофильтров, градуировочный график.

1.6.3 Формула Планка и расчет lg R 560 нм.

1.6.4 Значение нормировочного коэффициента и график lg R λ отн =fλ.

1.6.5 Анализ результатов работы.

1.7 Вопросы для самопроверки

1.7.1 Что такое спектральная характеристика источника света?

1.7.2 Дайте определение цветовой температуры.

1.7.3 Как зависит от напряжения питания срок службы лампы, световой поток, световая отдача, цветовая температура?

1.7.4 Напишите формулы Планка и Вина, объясните их использование для расчета спектрального состава излучения.

1.7.5 Что такое сине – красное отношение актиничностей?

1.7.6 Объясните принцип нормирования спектральных кривых.

Лабораторная работа № 2. Фотометрические свойства источников света

2.1 Цель работы – ознакомление с методом измерения распределения светового потока от конкретного источника света в пространстве.