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

t)3. Размеры полей сравнения. В связи с неоднородностью сет­ чатки угловые размеры полей сравнения могут оказывать влияние на световые измерения, в особенности, когда испускаемый (или отра­ жаемый) каждым из обоих полей сравнения свет неодинаков по своему спектральному составу (хотя бы они и воспринимались, как одина­ кового цвета).

При цветовых измерениях нашли необходимым для устойчивости наблюдений, чтобы поля сравнения по угловым размерам как раз отвечали размерам желтого пятна: 1,7—2°,1 т. е. укладывались на площади сетчатки, заполненной колбочками почти при отсутствии палочек. Но и при световых измерениях разно окрашенных источ­ ников света было найдено, что удовлетворительное совпадение ито­ гов различных способов измерений достигается лишь в случае, если размеры полей сравнения составляют около 2°. Пожалуй, не будет ошибкой сказать, что во многих случаях практики световых изме­ рений можно идти на значительно большие размеры — 4—6°. Именно, есть некоторое основание считать, что при соблюдении особенных условий измерений (см. далее п. 65) и при не очень значительной разнице в спектральном составе не будет сколько-нибудь заметной неустойчивости в измерениях. Увеличение поля сравнения до назван­ ных 4—6° по сравнению с 1,5—2° дает очень заметное преимущество при измерениях в отношении возрастания точности и несомненного облегчения работы глаза при измерениях.

ВНИИМ предпочитает в ответственных случаях применять поля сравнения около 3—4°.

64.Способ нахождения светового равенства и его границ. Пус

обе половинки поля сравнения (рис. 59. 3) имеют одинаковую яркость. Затем яркость одного из полей сравнения начинает плавно меняться. Пока изменения очень малы, глаз еще не может заметить нарушения равенства, так как лишь по достижении определенного значения разницы в яркостях она начинает становиться заметной. Причем прежде чем быть уверенно наблюдаемой (при некотором меньшем значении разницы) последняя находится неуверенно, и наблюдатель в сомнении — есть ли разница или нет. Иногда попеременно в тече­ ние наблюдения она кажется возрастающей и исчезающей, хотя в действительности остается неизменной. Приращение яркости,

порогом контрастной чувствительности. Это и есть то основное свой­ ство зрения, которое определяет собою неточность световых измере­ ний помощью глаза; изменения яркости меньшие, чем порог, не могут быть заметны при световых измерениях. Таким образом, порог чувствительности определяет собою погрешность световых измере-

1 Иногда указывают даже еще меньший размер: 1,5°. Но есть предложения применять при цветовых измерениях угловые размеры в 10 и 12°. Есть также предложение при световых измерениях с очень малыми яркостями иметь поля сравнения в 30°.

132

ний в той ее части, которая зависит от глаза. Во многих средних условиях измерений порог чувствительности (AL), выражаемый обыкновенно отношением к абсолютному значению яркости (L), т. е. отношением AL/L, составляет около 0,005—0,02. Этой же вели­ чине часто, но не всегда, равняется и погрешность (или неточность) измерений. Как известно, при многократных повторениях наблю­ дений погрешность их может быть меньше порога чувствительности, что и достигается при точных световых измерениях (например, во ВНИИМ). Но в обычной практике рассматриваемый порог (реже — три четверти его) составляют как раз предельную погрешность изме­ рений, к которой еще могут добавляться погрешности от других причин. Международная комиссия по освещению в 1931 г. приняла такие решения.

И. Чтобы получить наилучшую точность при зрительных изме­

няя (арифметическая) погрешность для ряда не менее 10 измерений равна У4%.

2. Для зрительных измерений по способу прямого сравнения при освещенности испытательной пластинки от 20 до 100 лк и при разнице в цветах меньшей, чем разница у двух вольфрамовых ламп, отличающихся удельным потреблением ватт/1 св на 25%, средняя погрешность измерений, выполненных тремя лицами и каждым по 10 измерений, равна V2%.

3. Для промышленных измерений (зрительных) в постоянных установках средняя погрешность измерений, выполненных двумя лицами и каждым по 6 измерений, равна 3%.»

В деле световых измерений вопросы точности имеют очень боль­ шое значение и оказывают решающее влияние и на способы измере­ ний и на устройство приборов. Поэтому надо обратить особенное внимание на изучение условий, от которых зависит порог яркост­

ной чувствительности.

Очень много наблюдений и специальных опытов ставилось для изучения этих условий. И качественно и количественно все они изу­ чены. Однако условия настолько многообразны, что переносить данные, полученные в одной обстановке, далеко невсегда возможно на измененную обстановку. Кроме того, ряд обстоятельств, влияющих па порог яркостной чувствительности, не всегда удается выделить и учесть отдельно. Поэтому во всех тех случаях световых измерений, где требуется выяснить названный порог, его следует определять отдельно опытным путем и притом в данной обстановке измерений. Тем более следует придерживаться этого правила, что обыкновенно такое определение не представляет затруднений и может быть выпол­

пониженная жизнедеятельность, ослабленное самочувствие повы­ шают порог (т. е. уменьшают чувствительность глаза).

133

б) А д а п т а ц и я, предшествовавшая и сопутствующая наблю­ дению. При увеличении яркости поля зрения абсолютное значение порога также растет. Лишь относительное значение порога (AL/L) при известных условиях, но далеко не при всех, мало изменяется. Если предшествовавшая адаптация вызывалась полем зрения боль­ шой яркости, то при измерениях с малой яркостью порог лишь постепенно будет уменьшаться от большего значения, соответ­ ствующего предшествовавшей адаптации, к меньшему, отвечающему адаптации, сопутствующей измерениям. Яркостный порог является

ствительность является наибольшей, если поля сравнения окружены темным полем (см. п. 61). Однако это справедливо, если яркость полей сравнения не превосходит примерно 30—50 нт. Такая яркость при темном окружении полей сравнения начинает уже казаться глазу раздражающей и делается неблагоприятной для измерений. В этом случае осветление окружения делается заметно полезным для облегчения измерений и, в частности, для обострения пороговой чувствительности. При этом яркость окружающего поля должна быть ощутимо меньше яркости полей сравнения. Изменение окру­ жающей яркости в довольно широких пределах, но при соблюдении этого условия, не оказывает особенно заметного влияния. При очень значительных яркостях полей сравнения (т. е. превосходящих при­ мерно 100 нт) светлое окружение их становится еще более необхо­ димым, но лишь с точки зрения точности и надежности измерений. Вообще же говоря, возможность темного окружения и в таких

и способности глаза наблюдателя приспосабливаться к разной обста­ новке измерений — размеры полей сравнения в известных пределах не оказывают значительного влияния на порог яркостной чувстви­ тельности. Имеется ряд наблюдений, которые позволяют считать, что угловой размер около 4° оказывается наиболее благоприятным для получения наименьшего порога. Возможны и колебания в пре­ делах около 3—6° без резко заметной разницы для измерений, но при соблюдении определенных правил для самого наблюдения полей сравнения (см. ниже).

д) Р и с у н о к п о л е й с р а в н е н и я. В значительной мере и по отношению к рисунку полей сравнения может быть сказано то, что говорилось об их размерах. Именно, способность глаза при­ способляться, навык и затем привычка — позволяют с равным успехом или без резко заметной разницы производить измерения при различных видах рисунков полей сравнения. Различие в рисун­ ках вызывается или предположением их авторов о каких-либо пре­ имуществах данного рисунка по сравнению с другим, или же обуслов­ ливается особенностями устррйства светоизмерительных приборов. На рис. 64. 1 показано несколько полей сравнения простых видов: цифры / и II обозначают первое и второе поля сравнения. На рис. 64.2

134

изображены поля, иначе полученные: одно поле с двух или со всех сторон окружено другим. На рис. 64. 3 приведены еще три вида полей сравнения, являющихся до известной степени промежуточ­ ными между предыдущими двумя. Описанные виды полей называются иногда равнояркостными в отличие от контрастных, показанных иа рис. 64. 4; 64. 5; 64. 6 и 64. 7.

Здесь поля состоят из четырех частей.

а другие (// и Па) — ко второму. Вторые добавочные части, обозна­ ченные на рисунке буквой а, имеют яркость немного меньшую, приблизительно на 8—10% (или даже 4—6% при просветленных стеклах), чем основная часть. Поле по рис. 64. 4 было впервые пред-

и является, пожалуй, самым распространенным. Очень многими наблюдателями оно признается за наилучшее. Авторы впервые пред­ ложили его для измерений разно окрашенных полей сравнения. При измерении яркости, например, первого поля может наступить

[Рис. 64. 6.

такое положение, что яркости / и Па (рис. 64. 8, слева) окажутся

временно, так как по существу дела они представляют собою лишь части одного и того же поля, можно получить противоположную картину распределения яркостей, изображенную на рис. 64. 8 справа.. Теперь поле / кажется ярче поля.//;, это последнее равно по яркости

13&

Ia, а поле Па кажется значительно темнее поля I. Равенство яркостей

между яркостями названных полей, почему данное поле предложив­ шими его авторами и названо к о н т р а с т н ы м . При этом гра­ ница между полем I и II может не исчезнуть, если окраска их раз­ ная. Поля сравнения, изображенные на рисунке 64. 5, такие же, как и предыдущие (рис. 64. 4), и отличаются лишь тем, что линия раздела и вспомогательные затененные места (трапеции) располо­ жены горизонтально. Поля сравнения на рис. 64. 6 отличаются от полей на рис. 64. 4 тем, что затененные части полей 1а и Па при­ мыкают к основным частям полей I и II с одной стороны, а не окрут жены последними. В полях сравнения по рис. 64. 7 основные и вспо­ могательные затененные части расположены в четырех квадрантах круга, причем части I и II, а равно.и Па и 1а размещены в противо­ положных квадрантах.

Все описанные поля сравнения имеют ту весьма существенную особенность, что в поле зрения находится лишь один уровень яркости каждого из полей сравнения и одновременно не видны картины полей, которые имели бы место при возможном изменении данного уровня яркости. Шкала, например, амперметра, манометра и мно­ гих других стрелочных или иных приборов для всех или лишь для части пределов измерений непрерывна, и отсчет по прибору весьма значительно облегчается тем, что данное положение стрелки видно по отношению к нескольким (или по крайней мере к соседним с обеих сторон) черточкам (и числам) шкалы. В описанных светоизмеритель­ ных полях этого нет. При некоторых яркостях обоих полей сравне­ ния, достаточно близких к равенству, наблюдатель не имеет возмож­ ности путем непосредственного сопоставления судить, является ли данное положение лучшим, т. е. наиболее близким к равенству, чем возможные соседние положения. Правда, зрительная память помогает наблюдателю выбрать самое правильное положение. Но все же некоторая неуверенность и замедленность в выполнении световых измерений имеется, в особенности у недостаточно опытного наблюдателя. Опытность последнего как раз и сказывается в умении преодолевать это затруднение. Естественно поэтому было бы стре­ миться к созданию таких полей сравнения, которые показывали бы наблюдателю в поле зрения, притом одновременно, непрерывное в известных пределах или хотя бы прерывное изменение яркости одного или обоих полей сравнения. Подобные поля сравнения пред­ ложены. Они применяются, но особенно широкого распространения не нашли не только потому, что их нелегко осуществить во многих приборах, но и потому, что точность измерений с ними часто оказы­ вается меньше, чем при ранее описанных полях сравнения с одним только уровнем яркости.

136

На рис. 64. 9 изображено одно из первых по времени предложен: ных (Н. А. Гезехусом) полей сравнения с разными уровнями яркости. Больший круг является одним полем (/), которое несколько неоди­ наково ярко от одного края к другому (например, яркость возрастает слева направо на 5—10%). Три внутренних пятна (II, Па и Пб) принадлежат другому полю сравнения и имеют разную яркость. При этом более светлое расположено в более темном крае. Равенство обоих полей определяется по равенству яркостей среднего пятна (II)

I

П

Рис. 64. 10. Рис. 64. 11.

и окружающей его части поля (/). Поля сравнения по рис. 64. 10 имеют внешний круг с одинаковой по всей площади яркостью. Три внутренних вытянутых прямоугольника (II, Па и Пб) состав­ ляют второе поле сравнения; они имеют разную яркость; левое свет­

несходство в яркостях у Пб с I и I с Па.

Поля сравнения (предложены П. А. Ковалевым), представлен­ ные на рис. 64. 12, А, состоят из трех полос. Наружные принадлежат одному полю, внутренняя — другому. При этом линии раздела — зубчатые (пилообразные), но могут быть и прямыми, как изображено на рис. 64. 12, В. Наружные полосы имеют одинаковую яркость по всей длине. Внутренняя — разной яркости, плавно возрастаю­ щей от одного конца к другому. Разница в значениях яркости по кон­ цам может быть очень значительной. При измерениях отыскивают

137

то место, где яркость внутренней и наружных полос совпадает. Поля сравнения на рис. 64. 12, С устроены так, что удлиненная полоса, являющаяся одним из полей сравнения /, имеет одну и ту же яркость по всей своей площади. Внутри нее расположен ряд пятен разной яркости, прерывно меняющейся от одного конца к другому. При измерениях ищут пятно, совпадающее по яркости с внешним полем I.

Все описанные поля сравнения можно сопоставить друг с другом

Сначала будут рассмотрены поля сравнения одинакового уровня

•освещенности. Поля сравнения, изображенные на рис. 64. 1, равно­ ценны по сравнению друг с другом. Они позволяют получать точность измерений порядка 1—2%. При этих очертаниях возможно умень­ шать угловые размеры полей сравнения до 1,5—2° без заметного ущерба для яркостного порога чувствительности глаза. С другой стороны, увеличение размеров поля свыше, примерно, 5° понижает точность измерений. Поля сравнения по рис. 64. 1, обычно самые простые в отношении устройства прибора для получения их, являются наименее точными по сравнению с другими, здесь описанными. Поля сравнения по рис. 64. 2 позволяют получить немного большую точ­ ность, чем поля по рис. 64. 1. Внутреннее поле должно быть при этом небольших угловых размеров — порядка 0,6—1°. Внешнее поле может доходить до 5°. По сравнению друг с другом поля практически равноценны. Поля сравнения по рис. 64. 3 немногим лучше для точ­ ности измерений, чем поля по рис. 64. 1. Ранее сделанные замечания об угловых размерах остаются, в общем, в силе. Поля сравнения, изображенные в средней части рис. 64. 3, возможно, более благо­ приятны для наблюдений, чем те, что по краям того же рисунка.

Из контрастных полей на рис. 64. 4, 64. 5, 64. 6 и 64. 7 наиболее пригодными для уверенных и точных измерений являются поля на рис. 64. 4. Опытный наблюдатель может получать при измерениях неточность около ±0,25%. Поля по рис. 64. 5 почти не отличаются ло точности. Поля по рис. 64. 6 и 64. 7 несколько менее точны для измерений, но более точны, чем по рис. 64. 1, 64. 2 и 64. 3. Поля по рис. 64. 4 и 64. 5 могут быть угловых размеров 4°, по-видимому, это наиболее благоприятные размеры. Уменьшение затрудняет изме­ рения. Увеличение несколько понижает точность. Но, в общем, на увеличение до 6—8° идти можно. Такие увеличенные размеры начинающим, менее опытным, наблюдателям кажутся более удоб­ ными. Следует заметить, что затененные места полей по рис. 64. 4 иногда располагают иначе, чем это было ранее описано: наружные части (/ и II) делаются менее яркими, т. е. затененными, а внутрен­ ние (1а и На) — не затененными, т. е. более яркими. Равенство сличаемых полей устанавливается тогда, когда внутренние части полей кажутся одинаково ярко выглядящими (и даже как бы несколько выступающими) по отношению к окружающим их полям. По мнению некоторых наблюдателей, такое расположение затененных полей, облегчает измерения и немного увеличивает точность.

138

Поля сравнения по рис. 64. 9 и 64. 10 не вполне равноценны: второе обеспечивает несколько большую точность. Но, по-видимому, и его точность несколько ниже точности полей сравнения рис. 64. 4. Лишь при большем опыте наблюдателя возможно почти сравнять точность измерений с обоими видами полей сравнения. Поле рис. 64. 10 имеет некоторые преимущества при сравнении разно окрашенных источников света (п. 71); вместе с тем оно несколько более наглядно и позволяет более уверенно и сравнительно быстрее производить измерения. Угловые размеры его могут быть взяты при­ мерно в 4°.

Поля сравнения по рис. 64. 11 по точности измерений близки к полям по рис. 64. 2. У опытного наблюдателя точность по первым несколько превышает точность по вторым. Рассматриваемый вид полей имеет некоторые преимущества в тех случаях, когда требуется производить измерения возможно быстрее (например, при измерении освещенности люксметром). Вместе с тем эти поля дают возможность без выполнения добавочных измерений судить о точности: если яркость полей Па и Пб отличается на 10% и если поле 1 темнее поля II, но светлее поля Пб, то, очевидно, ошибка измерений во вся­ ком случае менее ±5% . Такая неточность часто достаточна для бы­ стрых измерений освещенности при обследовании, например, осве­ щения помещений. При других, ранее описанных полях сравнения (рис. 64. 1, 64. 2 и 64. 3), ошибка измерений от неточного нахожде­ ния положения равенства остается неопределенной. В полях сравне­ ния по рис. 64. 4, 64. 5, 64. 6, 64. 7, 64. 9 и 64. 10 возможный предел ошибки измерений от неточного нахождения равенства также может быть виден, но несколько менее наглядно, чем в полях сравнения по рис. 64. 11. Поля сравнения по рис. 64. 12 очень наглядны и обык­ новенно кажутся начинающим и мало опытным наблюдателям очень удобными и даже более пригодными для измерений .по сравнению с другими. Однако более тщательное исследование показывает, что при работе с этими полями довольно трудно обеспечить скольконибудь повышенную точность. В полях по рис. 64. 12, А и 64. 12, В не удается найти такой линии раздела (ab) для поля II, от которой в одну сторону идет более светлая, а в другую — более темная часть поля. На самом деле, вместо линии имеется довольно широкая, как бы размытая по краям, полоса cdef, внутри которой находится линия раздела. Более опытный наблюдатель привыкает сравнительно уверенно находить линию раздела, но скорее — как середину этой полосы cdef. Неточность измерений определяется примерно в ±12— 15%. Оказывается, что она несколько понижается, если произво­ дить наблюдения сквозь трубку или даже сквозь отверстие в неболь­ шом куске темиоокрашенной пластинки (например, бумаги), распо­

(64. 12, А и 64. 12, В) в отношении наглядности и скорости измере­ ния, но менее точны.

Н а х о ж д е н и е г р а н и ц с в е т о в о г о р а в е н с т в а .

Опыты, особо поставленные, показали, что глаз несколько точнее

139

(примерно в 2—4 раза, в зависимости от рисунков полей сравнения и других условий, обычно влияющих на свойства глаза) определяет границы положения светового равенства, т. е. наименьшее ощущае­ мое нарушение равенства яркости полей сравнения, чем наличке самого равенства. Наблюдатель выполняет подобные измерения гораздо более уверенно. Порядок наблюдений таков. Предварительно приближенно находится положение светового равенства. Затем наблюдатель его переходит и отмечает такое положение, когда первое поле начинает казаться едва-едва заметно ярче, чем второе. Таким образом, разница в яркостях равна пороговой чувствительности

с избытком. Затем, не переходя найденной границы, наблюдатель возвращается назад через положение равенства (которое не отме­ чается), его переходит и ищет такое положение, когда второе поле начинает казаться едва-едва заметно ярче, чем первое, т. е. опятьтаки на величину пороговой чувствительности. Это есть вторая граница положения равенства, при которой также производится отсчет по светоизмерительному прибору — отсчет с недостатком. Внутри найденных границ глаз не может заметить неравенства, согласно условиям измерений — это все является именно областью светового равенства, размеры которой зависят от пороговой чувстви­ тельности глаза при данных условиях измерений. _С равным правом можно было бы считать, что световое равенство находится в любом месте внутри найденных границ. Наиболее же вероятным принимается

т. е. по обе стороны от равенства *). Это предполагает, что при нахо­ ждении границ равенства допущенный избыток и недостаток яркости равны друг другу. Если бы в действительности дело обстояло иначе, что выявить можно, но с некоторыми затруднениями, то ошибка от этого допущения была бы значительно меньше общей погрешности наблюдений, так как составляла бы лишь часть яркостного порога.

Рис. 64. 13 условно показывает порядок нахождения границ светового равенства. Пусть для этого требуется производить какоелибо перемещение измерительного устройства. Положение послед­ него условно отмечается на рис. 64. 13 точкой. Сначала имеется положение 1 •— случайное, в котором нет светового равенства. Затем яркости меняются, глаз видит положение равенства, переходит его и отмечает положение 2, где нарушение равенства начинает ка­

в тех случаях, когда показания светоизмерительного прибора прямо пропорцио­ нальны первой степени яркости. Если бы, например, яркость изменялась пропор­ ционально квадрату расстояний, то следовало бы брать среднее квадратичное из отсче­ тов расстояний. Однако разница между средним квадратичным и средним арифме­ тическим значениями обычно меньше точности измерений. Для упрощения подсчетов поэтому предпочитают брать среднее арифметическое значение во всех случаях практики.

НО