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

к положению равенства и вновь его перейти, отметив границу его нарушения в положении 3 и т. д. Последующие наблюдения произ­ водятся в положениях 4, 5, 6, 7, 8 и, если нужно для увеличения точности, 9, 10, 11 и 12. Первые четыре отсчета положения границ (2, с?;, 4 и 5) обыкновенно для большей уверенности производятся при более заметном нарушении равенства и не принимаются во вни­ мание (отбрасываются) при обработке измерений. Последующие отсчеты, определяющие одну границу, оказываются близкими между собой, равно как и отсчеты 7, 9, 11 и т. д. Наблюдения прекращают, когда они стали устойчивыми. В зависимости от точности измерений, которую желательно получить, довольствуются или только одной парой отсчетов (6 и 7), или большим числом их. Для последующих вычислений иногда удобно выполнять 10 наблюдений (5 пар).

Описанный способ определения положения светового равенства удобен, главным образом, в лабораторной обстановке. При более точных измерениях он выполняется так, что наблюдатель не отры­ вается взором от полей сравнения за время отыскивания границ равенства (т. е. за время от положения 1 до конечного положения, например, 12-го). Отсчеты по светоизмерительному прибору (и их запись) выполняет другой наблюдатель. Если же (за отсутствием такого лица) чтение по шкале прибора и запись производится тем же наблюдателем, что и световые измерения, то следует соблюдать поря­ док наблюдений, условно показанный на рис. 64. 14. Как видно,

то отсчеты делаются подряд (т. е. берутся положения 5, 6, 7, 8 и т. д.). Следует также читать по шкале прибора при помощи не того глаза, который производит наблюдение полей сравнения, но другого. Глаз же, наблюдавший поля сравнения, закрывается на все время, когда наблюдатель отрывается от полей сравнения и смотрит другим глазом на отсчетное устройство и на запись наблюдений.

Упрощенные, но менее точные способы нахождения равенства яркостей полей сравнения применяются по преимуществу при изме­ рениях освещенности, если требуется ускорить выполнение наблю­ дений даже в ущерб точности и надежности (п. 103).

65. Остаточные зрительные впечатления сетчатки и последующи

зрительные образы. После прекращения действия света на сетчатку зрительное впечатление, как известно, исчезает не мгновенно, а длится

141

Некоторое время. В зависимости от яркости наблюдавшейся поверх­ ности и условий предшествующей и последующей адаптации глаз время погасания впечатления может меняться в довольно широких пределах. Полное исчезновение зрительного впечатления, после его предшествующего ослабления, длится сравнительно короткое время, после чего возникают последующие зрительные образы: отрица­ тельный, затем положительный, потом опять отрицательный, вновь положительный и т. д. Чередование образов затем прекращается. Сила последующих образов, их продолжительность, количество чередований и время полного прекращения зрительного впечатления зависит от всех тех причин, которые перечислялись ранее, когда указывалось, что влияет на свойства зрения.

Влияния остаточного впечатления, как очень кратковременного, в обычных условиях световых измерений опасаться пе приходится.

Что же касается последующих обра­

Озов, то они влияют па световые изме­ рения, и надо так подбирать условия для последних, чтобы это влияние было наименьшим возможным. Для устранения остаточного впечатления

Рис. 65. 1. Рис. 65. 2. необходимо, чтобы перед наблюдением глаз не смотрел па поверхности с зна­ чительной яркостью, т. е. заметно превышающей яркость полей

сравнения. Во всяком случае, после рассматривания ярких поверхностей глаза должны хотя бы кратковременно отдохнуть перед световыми измерениями (например, можно зажмурить их). При полях сравнения повышенной яркости и при быстром изменении (для целей измерения) яркости сравниваемых полей, даже если бы они были умеренной яркости, остаточные впечатления могут накла­ дываться и потому в этих условиях точность измерений может пони­ жаться. Поэтому надлежит избегать быстрого выполнения измерений помощью глаза.

Если посмотреть в течение немногих секунд па рис. 65. 1, а затем быстро перевести глаза на рис. 65. 2, то обе половинки круга первое время (в течение нескольких секунд) будут казаться неодинаково яркими из-за наложения последующих образов. При этом преиму­ щественное влияние по времени действия и по силе оказывает отри­ цательный образ. Нахождение равенства полей сравнения при световых измерениях, как указывалось в п. 59, и состоит в отыскании картины их равенства (см. рис. 59. 3) среди множества картин нера­ венства (рис. 59. 1 и 59. 2). Последующий образ от картины нера­ венства, только что наблюдавшейся, накладываясь на действительное равенство, рассматриваемое в данное время, не позволяет его быстро узнать; первое время действительное равенство представляется кажу­ щимся неравенством. Напротив, последующий образ, накладываю­ щийся на неравные поля сравнения, может создать впечатление их равенства. Наложением последующих образов объясняется часто наблюдаемая картина при измерениях: поля, казавшиеся вначале равными (или неравными), через некоторое время начинают казаться

142

Неравными (или равными), хотя в действительности яркость их за это время не изменилась. Такое колебание зрительных ощущений часто вызывает чувство неуверенности при наблюдениях, в особен­ ности у начинающих измерителей.

Влиянием последующих образов (но не только их) объясняется пониженная точность полей сравнения, представленных на рис. 64. 12. В поисках места (линии) равенства глаза предварительно смотрят на места неравенства, которые и оставляют на сетчатке свои следы — последующие образы, накладывающиеся на действительно восприни­ маемую картину.

Учет действия последующих образов практически невозможен. Соблюдением правил пользования глазом при наблюдениях, а также и увеличением числа наблюдений достигают возможного умень­ шения влияния ошибочных зрительных впечатлений. Главными правилами являются:

а) Избегают сколько-нибудь длительного рассматривания гла­ зом картин неравенства полей сравнения, в особенности,'при значи­ тельном неравенстве.

б) Наблюдение неравных по яркости полей сравнения, что пред­ шествует отысканию положения приблизительно равных полей, производится одним глазом, а последующее отыскание точного поло­ жения производится другим глазом, который перед этим смотрел или на темноту, или на поле одинаковой яркости. Данное правило, разумеется, не соблюдается, если наблюдения производятся одно­ временно обоими глазами.

в) При наблюдении полей сравнения взгляд направляется в их середину и остается неподвижным. Картина полей должна воспри­ ниматься и разглядываться целиком, без перемещения средней точки (оси) взгляда по отдельным частям полей, т. е. зрительное впечатле­ ние воспринимается строго одним и тем же местом сетчатки. Пере­ мещение самого глаза (а не только взгляда) относительно полей срав­ нения также не должно иметь места, т. е. если светоизмерительный прибор неподвижен, то и голова (и глаз) должна быть неподвижна; такая обстановка более благоприятна для измерений по сравнению с тем, если бы прибор перемещался, а вместе с ним двигалась и голова.

г) При наблюдениях не следует задерживать мигания век; неко­ торое учащение мигания, по-видимому, полезно.

д) При необходимости повысить точность измерений надо повто­ рять их несколько раз и за истинное положение равенства принимать среднее из нескольких наблюдений: влияние наложения последую­ щих образов следует рассматривать, как случайную, а не постоян­ ную ошибку измерений, так как она не поддается ни полному устра­ нению из наблюдений, ни количественному учету; вместе с тем она может быть как положительной, так и отрицательной. Последнего, однако, надо добиваться, так как в противном случае ошибка из слу­

143

второго, но и обратное; при этом разглядывание картин неравен­ ства должно быть как можно более кратковременным.

Предыдущие замечания об избежании рассматривания неодина­ ково ярких полей не относится к определению границ светового равенства (п. 64), так как в этом случае разница в яркости достаточно мала.

Д о п о л н и т е л ь н о е з а м е ч а н и е . Пусть поля сравне­ ния имеют одинаковую яркость. Пусть далее на некоторое время одно из них полностью затемнено, и глаз, следовательно, видит ярким лишь одно из сравниваемых полей. Затем второе поле вновь светится с прежней яркостью. Оказывается, что теперь второе поле кажется значительно более ярким. Однако картина неравенства наблюдается лишь в первое время, и очень быстро равенство восстанавливается. Отсюда вытекает, что для обеспечения надлежащей точности измере­ ний не следует допускать таких наблюдений, когда одно из полей сравнения освещается лишь на короткое время, тогда как второе поле освещается беспрерывно.

66. Размеры зрачка глаза. Влияние размеров отверстий в зр тельных трубках. Как объяснено ранее (п. 11), освещенность сет­ чатки определяется яркостью поля зрения и зависит от площади отверстия зрачка. Это отверстие зависит, в свою очередь, от яркости поля адаптации. В частности, при темновой адаптации зрачок рас­ ширяется и суживается при светлой. Если поле зрения светло в сере­ дине и темно по краям, то зрачок стремится расшириться (рефлективно), хотя при значительной яркости вступает в действие и про­ тивоположный рефлекс. С этим обстоятельством связано, между прочим, утомление глаза при длительных световых измерениях с полным или частичным (при употреблении зрительных труб) тем­ ным окружением. Поля сравнения чаще всего наблюдаются через зрительную трубку (с оптической системой или без нее) с отверстием на конце, обращенном к глазу, иногда через отверстие в непрозрач­

не зрачком глаза, а отверстием, расположенным по пути пучка, конечно, если это отверстие меньше зрачка глаза. Меняя площадь отверстия, можно воздействовать на освещенность изображения рассматриваемой поверхности на сетчатке и тем менять кажущуюся яркость полей сравнения. Таким образом, если последние имеют очень значительную яркость, то можно-уменьшать площадь отверстия зрительной трубки, и наоборот, увеличивать до размеров, несколько больших, чем зрачок (см. ниже), при малой яркости. В ряде свето­ вых измерений, относящихся к изучению или описанию свойств глаза, представляется необходимым указывать: 1) размер отверстия перед глазом, если оно меньше зрачка, или в противном случае — размер зрачка, 2) или же указывать освещенность сетчатки глаза. Если, например, в некоторых опытах было найдено, что пороговая чувствительность оказывается наивысшей при яркости полей срав­ нения в 8—10 нт, то нужно еще сказать, при какой площади отвер­ стия перед глазом это наблюдалось, например, при 12,5 мм2 (что

144

отвечает кругу с диаметром около 4 мм). Везде, где в настоящей книге указывается приблизительное значение яркости полей сравне­ ния в питах, имеется в виду отверстие перед глазом порядка 10— 15 мм*.

Предыдущие сведения о значении отверстия перед глазом для восприятия яркости полей сравнения надлежит пополнить следую­ щим замечанием, очень важным для правильного выполнения наблю­ дений полей сравнения при световых измерениях. Пусть на рис. 66. 1 АВ обозначает зрачок глаза, перед которым расположено отверстие CD. Поля сравнения обозначены буквами EF. При некоторых соот­ ношениях размеров зрачка, отверстия, полей сравнения и взаимного

будет начинаться как раз от середины полей сравнения. Она будет представляться с равномерно спадающей яркостью. Пусть теперь яркости обеих частей полей сравнения в действительности равны. Тогда при самом незначительном смещении глаза от оси ОМ поля сравнения могут показаться неодинаковой яркости. Сравнительно легко это наблюдается, когда поля сравнения представляют собою круг, разделенный пополам (например, рис. 64. 1, рис. 64. 2 первые четыре вида). Особенно же это заметно при контрастных полях срав­ нения (рис. 64. 4, 64. 5, 64. 6, 64. 7, 64. 9, 64. 10 и 64. 11). Напро­ тив, если поля в действительности разной яркости, то при некотором сдвижении глаза от оси ОМ онй могут показаться одинаково яркими. Таким образом, возможны ошибочные наблюдения. Для их устра­ нения необходимо стремиться, чтобы отверстие CD и его располо­ жение позволяли видеть поля сравнения вне полутени (т. е. точки G и Я должны были бы дальше отстоять от точки О, чем границы полей сравнения Е и F). Для этого отверстие CD должно быть несколько больше зрачка. Оптическая система некоторых светоизмерительных приборов (например, некоторых спектрофотометров) часто не позво­ ляет делать столь значительными отверстия в зрительных трубах. Поэтому при работах с подобными приборами очень важно держать глаз (и голову) неподвижным. Впрочем, это правило оказывается

необходимым соблюдать для подавляющего большинства приборов как во избежание полутени, так часто н потому, что вследствие осо­ бенностей устройства оптической системы яркости полей могут изменяться с отступлением линии наблюдений от оптической оси

прибора.

Иногда отверстие перед глазом делают малым, например, 1,5— 2 мм диаметром. При близком расположении такого отверстия перед глазом очень значительная средняя часть поля зрения видна без полу­ тени; другими словами, телесный угол (со), внутри которого заклю­ чен световой поток, попадающий в глаз, от разных точек полей срав­ нения остается почти одинаковым (рис. 66. 2). Однако в силу особен­ ностей свойств глаза (которые здесь не рассматриваются) и при указанных малых отверстиях необходимо соблюдать неподвижное

Наблюдение полей сравнения с того и начинается, что отыски­ вается правильное положение глаза. Указателем для этого служат: 1) равностороннее расположение границ отверстия (CD) по отноше­ нию к средней линии зрения и 2) равностороннее положение границ полутеней по отношению к средней точке поля зрения. Для облег­ чения поддержания глаза в неподвижном положении (по отношению к наблюдаемым полям сравнения) в более ответственных случаях в светоизмерительных установках предусматривается упор для головы.

67. Наблюдения двумя глазами. Большая часть светоизмер тельных приборов устраивается так, что наблюдения полей сравне­ ния производятся одним глазом. Наблюдения двумя глазами тре­ буют более сложного устройства приборов. Некоторые приборы, по-видимому, довольно трудно сделать пригодными для одновремен­ ного наблюдения обоими глазами. В общем практика вполне мирится с работой одним глазом. Это имеет даже некоторые преимущества, например, в условиях темноты: измеряющий глаз закрывается, если наблюдателю почему-либо надобно временно оторваться от наблюдений и перейти к светлоте.

Между тем, опыты показывают, что наблюдения полей сравнения одновременно обоими глазами повышают точность измерений, так как пороговая чувствительность двух одновременно смотрящих глаз несколько выше (примерно, до полутора раз, в зависимости от яркости поля зрения), чем одного. Надежность и устойчивость наблюдений также повышаются. Но на практике выполнение изме-

146

рений иногда может несколько затрудняться из-за необходимости оберегать оба глаза от ненадлежащей адаптации и от последующих образов.

68. Основное уравнение для световых измерений помощью глаза Правило сложения яркостей. Как уже указывалось, глаз непосред­ ственно воспринимает яркость. Нахождение светового равенства глазом (п. 59) приводит к установлению того, что яркость (Ln) одной части поля сравнения равна яркости (Lai) другой части поля

рительных приборов, непосредственно относятся к каким-либо поверхностям или к испытательным пластинкам (п. 78) (например, в люксметре, гл. 12), или иногда к измеряемым поверхностям (напри­ мер, при измерении яркости того или иного освещенного предмета п. 129).

По пути лучей от сравниваемых поверхностей к глазу наблюда­ теля, для измерительных целей или в силу самого устройства при­ бора, могут помещаться те или иные предметы (например, стекла), пропускающие лишь часть проходящего сквозь них света. Глазу вследствие этого яркость представляется меньшей, чем без этих пред­ метов. Пусть коэффициент пропускания света (в направлении к глазу) для одной части поля сравнения равен ту и для другой — т 2. Если действительные яркости сравниваемых при помощи светоизмеритель­ ного прибора поверхностей Li и Ь 2, то видимые сквозь помещенные в нем предметы яркости Ln и L 2i соответственно равны [см. равен­

Это и есть основное уравнение для световых измерений.

В тех часто встречающихся случаях, когда сравниваются поверх­ ности не самосветящиеся, а отражающие падающий на них свет, их яркость (Li и L 2) пропорциональна освещенности {Ех и Е г) [см. равенство (34.7)], т. е.:

(/'i и г2) часто не требуется приводить в известность. Надлежащими способами измерений численные значения их можно исключить.

Заменяя

получают

света и др., то выражение (68. 3) можно преобразовать, например,

и т. д.

П р а в и л о с л о ж е н и я я р к о с т е й . Коль скоро видность меняется в зависимости от уровня яркости и других условий — правило сложения яркостей и иных световых величин неизбежно должно нарушаться в ряде случаев, особенно при сравнениях ярко­ стей разного спектрального состава. С точки зрения световых и цве­ товых измерений возникает лишь вопрос, существуют ли уровни яркостей и другие условия, при которых видность не меняется или меняется так мало, что ошибка при измерениях незначительна. Ответ должен быть получен из опыта. Подобных опытов делалось много, но не всегда обстановка измерений оказывалась благоприят­ ной. Исследования велись в разных условиях и в печати сообщены не всегда совпадающие итоги.

В недавнее время (1955 г.) в Фотометрической лаборатории ВНИИМ были вновь поставлены исследования с повышенной точ­ ностью применительно к надобностям световых измерений и особенно разноцветных, а) Поля сравнения в светомерной головке (рис. 64. 4; угловые размеры диаметров эллипса составляли около 3° и 4°) осве­ щались газополными лампами накаливания с очень заметной раз­ ницей в цвете света (порядка 200 град по отношению к цветовым тем­ пературам). Было найдено, что при изменении яркости полей сравне­ ния от 5 до 230 нт световое равенство не нарушается. Яркость изме­ нялась вращающимся поглотителем (перед глазом) и удалением источ­ ников света, б) Одно поле освещалось газополной лампой и затем отдельно ртутной; другое — одновременно тремя газополными лам­ пами с цветными (насыщенными) стеклами: красным, зеленым и синим (измерения велись на шестилучевой скамье по рис. 109. 6, сверху). Яркость менялась вращающимся поглотителем в пределах от 1 до 50 нт; световое равенство не нарушалось. Но при уменьшении до 0,5 нт равенство заметно нарушалось, притом неодинаково у раз­ ных наблюдателей: примерно, на 2—5%. в) Одно поле освещалось натриевой лампой, причем добавлялась незначительная доля света от газополной лампы. Другое поле освещалось одной газополной лампой с красным стеклом и другой — с зеленым. Итоги — как и в предыдущем опыте, г) Одно поле освещалось одновременно тремя газополными лампами с красным, зеленым и синим (насыщенными)

148

стеклами. Другое поле по очереди освещалось красным, зеленым и синим менее насыщенными стеклами и каждый раз находились положения светового равенства при уравнивании цветов. Затем это поле освещалось одновременно тремя лампами, т. е. суммой трех разноцветных яркостей. При этом отмечено действительное соблю­ дение правила сложения яркостей. Наблюдения велись тремя наблю­ дателями с заметно различающимися спектральными чувствитель­ ностями.

Очень большой, разнообразный и долголетний опыт с разно­ цветными измерениями во ВНИИМ, включая описанные исследо­ вания, позволяет считать, что правило сложения яркостей при изме­ рениях глазом обосновано опытом для тех пределов уровней яркостей, которые указаны ранее, и в пределах поля цветов, которые можно получать из сложения красного, зеленого и синего — от газополной лампы с цветными насыщенными стеклами (п. 166).

Опыты других авторов, указывающие на некоторые отступления от правила сложения, относятся к фиолетовым и синим спектраль­ ным цветам; при этом отклонения были неодинаковы для разных наблюдателей и составляли сравнительно небольшую величину от суммы, например, 2—7%, и часто лежали в пределах точности уравнивания цветов в измерительном приборе.

Относительная видность ВНИИМ получена именно в условиях,

на один светоощущающий элемент и кажется потому почти светя­ щейся точкой, то влияние площади изображений перестает сказы­ ваться на силе зрительного ощущения. Последняя зависит только от светового потока, упавшего как бы на один элемент- (а не от осве­ щенности сетчатки, как пояснено в п. 11). Размер колбочки в желтом пятне сетчатки около 0,002—0,005 мм. Предельный угол зрения, создающий изображение точки, — 0,6'— У и менее.

Световой поток (F), идущий в глаз с радиусом зрачка г0 от источ­ ника света силою /, находящегося на расстоянии I от глаза, равен:

При этом предполагается, что направление света перпендикулярно

кплоскости зрачка.

Всветовых измерениях, например, звезд, также сигнальных огней, пользуются этим соотношением таким образом. Пусть изобра­ жения двух светящихся точек, заменяющих обычные две части поля сравнения, кажутся одинаково яркими, следовательно:

Эго значит, что освещенности глаза от обоих источников света равны. В отличие от обычного определения светового равенства

149

по одинаковости яркости обоих полей сравнения здесь устанавли­ вается одинаковая освещенность их. Вместе с тем последняя опре­ деляется глазом на основании кажущейся одинаковой яркости двух светящихся точек. Однако она соответствует освещенности глаза, а не яркости видимого предмета, как при обычном сравнении светя­ щихся поверхностей, воспринимаемых в виде поверхностей конечных размеров (а не в виде точек).

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ РАЗНООКРАШЕНН ЫХ ПОЛЕЙ СРАВНЕНИЯ

70.Особенности сравнений разноцветных яркостей. В пред

дущем изложении свойств глаза (глава 7) не обращалось вни­ мания на окраску полей сравнения. Предполагалось, что она оди­ накова у обоих полей. Однако во многих случаях практики прихо­ дится иметь дело именно с различной окраской полей сравнения. Опыт показывает, что по мере того, как разница в окраске полей сравнения увеличивается, возрастает и затруднение в нахождении положений равенства их по яркости. Если, например, одно поле сравнения освещается электрической пустотной вольфрамовой лам­ пой, а другое — вольфрамовой газополной, то наблюдается такая значительная разница в окраске обоих полей сравнения, что у боль­ шинства наблюдателей, даже опытных, возникает значительная неуверенность при отыскании положения равенства яркостей обоих полей сравнения. Ранее (п. 19) уже рассматривался вопрос о сравне­ нии разноцветных полей по существу дела; Далее сообщаются све­ дения, относящиеся к измерениям помощью глаза.

Если наблюдается лишь небольшая разница в цвете,1 то она, обыкновенно, не препятствует выполнению измерений.

Коль скоро у разных наблюдателей имеется неодинаковая чув­ ствительность к цветам (п. 60), то естественно ожидать, что должно существовать различие в итогах выполняемых ими световых измере­ ний. Оно растет с увеличением разницы в окраске сравниваемых яркостей. Для единообразия в световых измерениях здесь особенно необходимо, чтобы спектральная чувствительность каждого наблю­

1 Примерно в 10—15 порогов для электрических ламп накаливания. Это соот­ ветствует следующему. Пусть каждое из двух полей сравнения освещается отдельной электрической лампой, причем окраска света их одинакова. Если теперь изменить напряжение у одной из ламп на 5— 10%, то возникает разница в окрасках света, лежащая на пределе той, которая еще не вызывает особенных затруднений при обыч­ ных световых измерениях. Один порог цветового различия отвечает изменению напряжения на 0,4— 1%; разные наблюдатели имеют неодинаковый порог.

150