книги из ГПНТБ / Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (фотометрия)

По-видимому, потребуются также поверочные образцы светотехни­

по спектру у источников света, светящихся вследствие накаливания, а также у газосветных и других. Иногда это требуется для опреде­ ления цвета света источника. Отсюда возникает необходимость иметь такие образцовые источники света, для которых распределение лучистой мощности с предельной точностью известно, чтобы можно было с ними сравнивать и по ним определять другие источники, для которых желают измерить названное распределение. Подходя­ щим источником света является полный излучатель. Если темпера­ тура его известна, то известно и распределение лучистой мощности.

Международная конференция по мерам и весам приняла (в 1927, 1933 и 1948 гг.) такое решение о шкале высоких температур. Выше точки плавления золота —1336° К — температура (t) опре­ деляется отношением силы света (Il2) (или яркости или другой пропорциональной ей величины) однородных лучей, испускаемых

Следует обратить внимание, что в очень многих важных по своему значению исследованиях принималось дру­

гое значение для с2, например, 1,433, 1,432 и другие. Поэтому при сопоставлении данных разных авторов о температуре, об излучаемой

1 А до этого срока, с 1 января 1928 г., принимали 1,432.

91

мощности и т. д. надлежит учитывать разницы в принятом значе­ нии с2, если такая имеется. Из формулы Вина или Планка (50. 1) следует:

от 0° К, определена в Т, то при другом значении c2i температура Т х пересчитывается по выражению (50. 4).

Чтобы определять температуру полного излучателя, согласно принятому решению Международного конгресса по мерам и весам, обычно пользуются спектрофотометром (п. 147) или оптическим пирометром (п. 129).

51. Получение шкалы цветовых температур. В п. 43 описан одно из устройств полного излучателя для температуры в 2042° К. Вместо платины можно во внутренний сосуд поместить иридий. Тогда при затвердевании иридия получается полный излучатель с температурой 2716° К. А если применить родий, поместив сосуд еще в один сосуд, из которого воздух откачивается и который имеет, например, кварцевое окно для наблюдений, получают излучатель с температурой 2233° К при затвердевании родия.

Довольно трудно использовать такие полные излучатели для определения распределения энергии из-за сложности измеритель­ ной обстановки. Поступают в некоторых лабораториях 1 так. При затвердевании названных веществ подбирают у вольфрамовых ламп такой же цвет света, как и у полного излучателя (п. 165). Считают, что в таких условиях относительное распределение энергии в спектре ламп довольно близко к распределению у полного излучателя. Вольфрамовая (газополная) лампа получает таким путем три темпе­ ратурные точки, собственно — три цветовых температуры, которые воспроизводятся помощью точного измерения напряжения у лампы, а также и силы тока, найденных при сравнении с полным излучате­ лем. Опытным путем подтверждено, что в пределах цветовых темпе­ ратур 1500—3000° К зависимость напряжения (U) у вольфрамовой (газополной) лампы от цветовых температур (Т с) может быть дана в виде обычного, принятого при многих температурных измерениях

1 Национальное бюро стандартов в США предложило и применяет этот способ.

92

Следовательно, если у вольфрамовой лампы температуры onp6 j делены при трех разных напряжениях, то получаются три уравне­ ния вида (51. 1), из которых вычисляются коэффициенты а, Ь я с [ и а, |3, у для выражения (51. 2)]. Затем, пользуясь выражением (51. 1) и (51.2), можно находить любые промежуточные значения напряжений при заданных температурах, и наоборот. Неточность вычисленных промежуточных температур составляет около ± 5 -т-7 °. Так осуществляется шкала цветовых температур в пределах 1500— 3000° К и таким путем с некоторым приближением, степень которого часто неизвестна, можно помощью вольфрамовых ламп воспроизво­ дить относительное распределение энергии в видимой части спектра, допуская, что при всякой температуре внутри указанных пределов это распределение одинаково с распределением у полного излучателя.

Было предложено несколько более или менее различающихся устройств для осуществления полного излучателя, чаще всего в виде угольных или иных трубок, нагреваемых электрическим током. Все они довольно сложны и мало удобны для работ. Поэтому практика предпочитает пользоваться вольфрамовыми лампами, как достаточными заменителями (см. ниже).

52. Образцовые лампы для спектрального распределения мо ности. ВНИИМ решил вопрос об измерениях распределения лучистой мощности по спектру иначе. У вольфрамовой газополной лампы (типа № 7; п. 55), предварительно испытанной и найденной вполне устойчивой (это является одним из самых важных свойств), было

и выходящий приблизительно одноволновой свет измерялся чув­ ствительным термостолбиком. В окончательные измерения надо было ввести немало поправок: на ширину щелей (п. 145), на диспер­ сию монохроматора (п. 145) и на поглощение света в нем. Особенно сложно определение поглощения. Нужно знать только относитель­ ный коэффициент пропускания. Он меняется по спектру и должен быть определен для поляризованного света (сам прибор частично поляризует свет), притом в двух взаимно перпендикулярных плоско­ стях (положение которых надлежит особо найти).

В итоге работы была установлена образцовая лампа с известным относительным распределением лучистой мощности (отклонения от теоретического распределения полного излучателя при одинако­ вой цветовой температуре не превышает приблизительно ± 2 %). Цветовая температура ее определена в 2857 ± 5°К. С этой лампой сличены другие образцовые лампы (2 -го разряда), по которым и пове­ ряются лампы на сторону.

Переход от имеющегося у данной лампы (при известном напря­ жении или силе тока) распределения лучистой мощности по спектру

у некоторых образцовых ламп было измерено относительное распре­ деление лучистой мощности при нескольких напряжениях, можно

93

было вычислить соответственную цветовую температуру (п. 147). Таким, именно, путем осуществлена во ВНИИМ шкала цветовых температур, которая и передается на сторону путем поверок. Образ­ цовые лампы воспроизводят эту шкалу в пределах 1500—2850° К. Эти лампы при более высокой температуре не применяются во избе­ жание быстрого износа (т. е. изменения устойчивости ламп). При необходимости иметь более высокую температуру у какой-либо (не образцовой) температурной измерительной лампы следует ее получать, исходя из расчетных данных, на основании выражения (51. 1) пли (51. 2). Образцовые лампы для шкалы цветовых темпера­ тур сличены также с полным излучателем, при 2042° К-

Во ВНИИМ осуществлена шкала цветовых температур для пределов 1336 — 2 2 0 0 ° К и другим путем. Именно, помощью спектропирометра 1 (п. 147) измеряется яркость (спектральная) полного излучателя при температуре затвердевания золота (1336° К) в нескольких участках спектра (т. е. при разных длинах воли). Затем можно сравнить яркости в тех же участках спектра, найден­ ные у полного излучателя, с яркостями у некоторого другого источ­ ника света (часто температурной лампой, имеющей тело накала из вольфрамовой ленты). Путем вычислений из найденных соотно­ шений (п. 147) можно рассчитать н цветовую температуру у измеряв­ шегося источника; таким путем получается воспроизведение шкалы температур, которая передается образцовой температурной лампе (например, ленточной), а от нее и обычным рабочим или пиромет­ рам для цветовой температуры. Эта шкала создана преимущественно для целей измерения цветовых температур, например, у нагреватель­ ных печей.

Хотя обе шкалы получены совсем разными путями, притом исходя из различных п очень отдаленных температур 1336° К

и2857° К, они удовлетворительно совпадают.

Вгоды 1950—1952 Международное Бюро мер и весов произво­

дило сличение цветовых температур 2042, 2353 и 2788° К у ламп, полученных из шести стран, в том числе и из СССР (затем США, Англия, Франция, ФРГ и Япония). Отклонения температур ламп ВНИИМ от средних данных для ламп из всех стран составили соответственно: —б, —11 и + 6 град. Однако лампы некоторых дру­ гих стран отклонились очень значительно; по ряду причин эти между­ народные сличения считаются только предварительными. В связи с тем, что числовое значение коэффициента с2 [в выражении (50. 1)] еще недостаточно твердо определено, — вся шкала высоких темпера­ тур может подвергнуться изменениям.

Надо обратить внимание, что поверенная на цветовую темпера­ туру (только по цвету, п. 165) или на относительное распределение лучистой мощности вольфрамовая лампа заменяет полный излучатель лишь в области видимой части спектра (400—760 нм). Что касается соседних областей — ультрафиолетовой и инфракрасной, то для них соответственных образцовых источников света в настоящее время нет.

1 Пирометр с лампой накаливания, сочлененный с монохроматором.

94

53. Образцы источников «белого света». Условия естественного дневного освещения. Главным образом для цветовых изме­

вопрос можно дать лишь в значительной мере условный ответ. Следует различать б е л ы й с в е т , как определенное зрительное ощущение от также вполне определенного распределения лучистой

разнообразных соотношениях мощностей отдельных участков спектра, т. е. при множестве различных физических условий. В связи с этим (п. 154) представляется необходимым установить два условных соглашения: 1) о том цвете, который как психо-физиологическое явление признается белым, и 2 ) о том распределении лучистой мощ­ ности по спектру, которое принимается как исходное для измери­ тельных целей, т. е. для создания образца источника света, произво­ дящего ощущение белого света при строго определенных физиче­ ских условиях. Затруднительно дать определение или описание

наблюдателям были показаны цвета получаемого искусственным образом света, , окраска которого соответствует таковой абсолютно черного тела в пределах температур от 4200° К (белый цвет с очень слабым желтым оттенком) до 6200° К (белый цвет, с очень слабым голубым оттенком). Наблюдатели указали в качестве белого различ­ ные цвета. В среднем, для всех наблюдателей белым оказался цвет, который создается черным телом при температуре 5200° К. Этот опыт по обстановке своего выполнения не может считаться решающим, но он наглядно показывает, что оценка белизны света не совпадает- у разных наблюдателей и для образца белого цвета требуется некото­ рое условное соглашение. Надо еще отметить, что разница в оттенках вблизи белого цвета распознается нелегко. Следует дополнить, что

для воспроизведения белого света представлялось бы желательным осуществлять излучение энергии с одинаковым распределением мощ­ ности по всему видимому спектру, что также производит ощущение белого света. В настоящее время неизвестны способы для устройства, с приемлемой надежностью подобного источника света. Вместе с тем имеются соображения и в пользу выбора распределения лучистой мощности по спектру, подобного солнечному. Солнечный свет является естественным, привычным, понятным и часто встречаю­ щимся. Однако он отнюдь не является строго определенным и надо еще было условиться, какой солнечный свет взять за образец, так как распределение мощности по спектру солнечного света меняется в довольно широких пределах в зависимости от высоты стояния солнца

95

И изменяющихся условий поглощения света в атмосфере. Цветовая

турами в 4800° К — средний солнечный свет и 6500° К — дневной свет от северной части неба (приблизительно; см. ниже) х. Ни один из известных источников света не может непосредственно давать таких цветов. Поэтому, чтобы получить его, предложено изменить цвет искусственного источника света помощью определенного поглоти­ теля. Недорогим, устойчивым, сравнительно, легко и точно воспро­ изводимым является жидкий поглотитель.

Составы растворов, принятые Международной комиссией по осве­

Все вещества должны быть взяты высшей чистоты. Оба раствора представляются синего цвета. Сдвоенный сосуд имеет три попереч­ ные стенки, сквозь которые проходит свет. Толщина каждой стенки— 2,5 мм. Стекло для них берется — так называемый боро-силикатный крон (с показателем преломления для спектральной желтой натрие­

(рис. 53. 1). Данные об источнике света с жидким поглотителем сосредоточены в табл. 53. 1 и 53. 2.

Температура поглотителя должна составлять 25° С. Для прак­ тических целей допустимы колебания в ± 5 град и даже более. Изме­ нение температуры особенно отражается на растворе А. Поэтому сосуд с поглотителем следует поставить так, чтобы к источнику света была обращена сторона с раствором В. Для задержания тепловых лучей от источника света можно применять дестиллированиую воду, примерно в таком же стеклянном сосуде, как и поглотитель

1 Обе температуры — при с2 = 1,435; точность определения таких температур невелика и потому пересчет на с2 = 1,438 не сделай, что дало бы 4810 и 6514° К.

96

Следует, при возможности к тому, помещать поглотитель не между источником света и освещаемым предметом, а между этим предметом и глазом пли его заменяющим измерительным прибором. Такое рас­ положение не влияет на итоги измерений, ио избавляет поглотитель от нагрева.

Растворы могут сохраняться без изменения в течение многих лет. Есть предложение: в целях большего единообразия измерений

пользоваться для белого света только источником С.

Неудобством жидких поглотителей является прилипание воздуш­ ных пузырьков к стенкам, что влияет на пропускание света, а также некоторая затруднительность применения их в лежачем положении. Оказалось возможным вместо описанных поглотителей применять стеклянные. ГОСТ 2817-50 «Метод общесеиситометрического испыта­ ния фотографических материалов на прозрачной подложке» преду­ сматривает их для сенситометров — приборов, создающих опре­ деленные ступени освещенности и известную продолжительность освещения фоточувствнтельных слоев при их испытании. Поглоти­ тель представляет собою два склеенных бальзамом стекла СС-1 и СЗС-15 ' (обозначения стекол по каталогу цветного оптического' стекла). Толщины стекол должны быть подобраны применительно к их данным (в отношении спектральных коэффициентов пропуска­ ния), несколько меняющимся, как обычно у цветных стекол, от одной варки (стекла) к другой. Так, в одном приборе толщины каждого из стекол составили 3 мм и 3 мм. ГОСТ 7721-55 на источники света для цветовых измерений предусматривает применение трех таких цветных стекол у газополной лампы с целью приближения к источ­ никам В и С: сине-зеленое СЗС-17, малиновое ПС-5 и еще малиновое ПС-6. Толщину стекол надо подбирать по указанным в стандарте условиям; она может получиться, например, такой: 8,6; 9,6 и 6,0 мм соответственно.

На рис. 53. 2 приводятся спектральные коэффициенты для стекол по ГОСТ 2817-50. На рис. 53. 3 приведены данные (средние;

98

А. Н. Taylor и G. Р. Kerr) для относительного распределения энер­ гии в спектре естественного света; такое распределение вовсе не

условная цветовая температура от 8000° К — «бледно-голубое» неба

и до 25 000° К — «синее» небо. Если небо затянуто облаками, то свет от него отвечает температуре в 6300 —• 7200° К. Температуры опре­ делялись для широты, соответствующей, примерно, южным частям Азербайджанской ССР и Туркменской ССР. Для более северных широт данных нет, предполагается что для «синего» неба температуру можно оценить, примерно, в 10 000° К, остальные числа почти сохра­ няются. Заметили, что более устойчивым по спектральному составу является свет от северной части неба, близкой к горизонту.

Сообразно последнему обстоятельству для измерительных надоб­ ностей и пользуются нижней частью северного неба. Применяя

Рис. 53. 4. Затенение при естественном освещении.

линзы, а если надо то еще призмы и зеркала, создают изображение указанной части неба на белой пластинке пли в фокальной плоскости оптической системы участвующего в измерениях прибора.

В других случаях (рис. 53. 4; план), например, при сличениях об­ разцов цвета (А и В) устраивается у окна (С), выходящего на север, такое ограждение (D) от постороннего света, чтобы на сравниваемые образцы падал свет только от нижней части северного неба. Окно должно быть раскрыто или же стекла в нем должны быть бесцвет­ ными. Ограждение же может представлять собою черные занавески или черные щиты с отверстиями, устраняющие боковой свет; они располагаются так же, как на светомерпой скамье (п. 109), по чаще. У отверстий размещаются сличаемые образцы. Освещенность должна быть значительной — сотни и тысячи люксов. Осенью и зимой (в северных широтах) наблюдения производятся лишь в часы суток, близкие к полудню.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

СВЕТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЛАМПЫ

54. Источники света для измерительных целей. Как указыва­ лось, источники света (лампы), применяемые для измерительных целей, разделяются на образцовые и рабочие измерительные. Раз­ рядными образцовыми лампами называют лампы, удовлетворяющие установленным для них требованиям (п. 56 и далее) и предназна­ ченные для воспроизведения световых единиц в условиях обычных измерений, главным образом, для проверки светоизмерительных

100