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

■,(как корень квадратный из числа наблюдателей), то в ответствен­ ных случаях измерений это число должно быть достаточным (3—5 и более). Разумеется, увеличение числа наблюдателей необходимо в тех случаях, когда надобно обеспечить точность абсолютного зна­ чения измерений, а также, например, для сравнимости данных, полученных в разных лабораториях. Если же идет дело об относи­ тельных измерениях, то число наблюдателей может не иметь сущест­ венного значения. При международных измерениях иногда работает даже 5—10 человек. Наблюдатель путем более или менее длитель­ ной практики должен приобрести устойчивые навыки в измерениях разно окрашенных полей сравнения. На первых порах разница в окраске кажется непреодолимым препятствием для нахождения равенства яркости. Но затруднение преодолевается, коль скоро наблюдатель убеждается, что всегда можно найти такие отношения яркостей первого и второго сравниваемых полей, когда становится совершенно очевидным, что одно ярче или темнее другого.

Довольно много способов предложено для облегчения разно­ цветных световых измерений. Ниже имеется в виду изложить, глав­ ным образом, лишь те, которые или еще применяются в настоящее время, или имели значение в недавнем прошлом.

71. Непосредственное сличение. Самыми ранними способами,

предложенными для измерения разноокрашенных полей сравнения, были: способ непосредственного сличения, а затем — он же при кон­ трастных полях сравнения Люммера—Бродхуна. Последний способ заключается в том, что поля сравнения имеют вид, изображенный на рис. 64. 4. Возможны также и другие виды, имеющие дополнитель­ ные контрастные части полей. Задача наблюдателя в этом случае заключается в том, чтобы найти такую яркость обоих полей сравне­ ния, при которой они в наименьшей степени отличаются по своей яркости, или, что все равно, сходство между яркостями обоих полей было бы наибольшее. Опыт показывает, что если разница в окраске невелика, то наблюдатель обыкновенно довольно легко привыкает сравнивать такие поля данными способами без затруднений и даже, при достаточной опытности, поля с довольно значительной разницей в окраске. Некоторые наблюдатели, напротив, утверждают, что небольшая разница в окраске при контрастных полях сравнения повышает точность и облегчает измерения по сравнению с тем, как если бы оба поля были одинаково окрашены. Однако, если разница

то данный способ (вообще говоря, самый распространенный) не яв­ ляется достаточно удобным, и часто предпочитают применять другие. Очень заметное облегчение для измерений получается, если находятся границы светового равенства, а не само положение равенства. Необ­ ходимо также соблюдать способ замещения при измерениях (п. 62, ссм, также способ перемещения полей слева направо и обратно).

V)!

72. Краткое описание разных способов разноцветных измерени Способ промежуточных ступеней по цвету. Пусть требуется срав­ нить яркость двух полей, из которых одно — желтоватого, другое — красноватого цвета (например, свет от пустотной электрической лампы накаливания и от угольной). Как известно из цветоведения (п. 155), между каждыми двумя цветами можно подыскать произ­ вольно большое число промежуточных цветов, так что переход от одного цвета к другому через промежуточные цвета будет вполне плавным. Возможно подобрать цвета так, что разница в окраске двух соседних цветов будет лежать в пределе одного или нескольких порогов цветовой чувствительности глаза. Ранее (п. 71) указывалось, что для глаза относительно опытного наблюдателя не представляет затруднения сравнение полей, немного отличающихся по окраске; поэтому нет надобности прибегать к нахождению большого числа промежуточных ступеней цветов. Достаточно ограничиться несколь­ кими. Итак, вместо того, чтобы непосредственно сличать, например, одно поле — желтое — с другим — красным, поступают иначе. Под­ бирают несколько промежуточных цветов, например, пять, образую­ щих ступенчатый переход от желтого к красному. При последующих сравнениях сличают попарно один цвет с другим, т. е., если обозна­ чить постепенные переходы цвета от желтого к красному через 1, 2, 3, 4, 5, то сличают желтый с первым, первый со вторым, второй

стретьим, третий с четвертым, четвертый с пятым, и, наконец, пятый

скрасным. Можно было бы опасаться накопления ошибок при таком способе ступенчатого измерения. Однако опыт показывает, что, по-видимому, ошибки бывают обоих знаков, так что точность ступен­ чатого сравнения того же порядка, что и точность непосредственного сличения разноцветных яркостей.

Шефер (Schafer) производил такой опыт. Как известно из цвето­ ведения, можно осуществить так называемый круг цветов (п. 155), который дает возможность совершать переход от одного цвета к дру­ гому по двум различным группам промежуточных (переходных) цветов. Например, от красного к зеленому можно перейти либо через оранжевый, желтый и светло-зеленый, либо через малиновый, фиоле­ товый, синий, голубой и зеленый. Названный исследователь произ­ вел измерения яркости некоторого круга цветов из атласа Оствальда (п. 164). Круг состоял из 24 цветов (в виде выкрасок на бумаге), представляющих собою постепенный переход от красного к синему

изатем через малиновый обратно к красному. Сравнивая непосред­ ственно два соседних цвета.по яркости или сравнивая цвета с некото­ рыми пропусками, наблюдатель получал одни и те же итоги в соот­ ношениях яркости цветов. При этом оказалось,'что если идти в одном направлении по кругу, т. е. от красного к желтому и т. д., или в дру­ гом, т. е. от красного к малиновому и т. д., то итоги получаются одни и те же (в пределах погрешности измерений). Таким образом,

было доказано, что при сравнении разноцветных яркостей итоги не зависят от промежуточных цветов (т. е. путей). Эти опыты косвен­ ным образом подтверждают также полную доступность и правиль­ ность непосредственного сравнения разиоокрашеииых полей, что,

152

надо сказать, многократно доказано и другими различными опы­ тами.

С м е ш е н и е в о в р е м е н и р а з н о ц в е т н ы х я р к о - с т е и. Способ смешения во времени разноцветных яркостей иногда называется с п о с о б о м м е л ь к а н и й . Пусть поля сравнения представляют собой круг, освещенный одной из сравниваемых ярко­ стей. Пусть затем этот же круг освещается другой из сравниваемых яркостей. Чередования в освещении поля сравнения обеими ярко­ стями производятся достаточно быстро. Оказывается, что, если частота смен обоих освещений достигнет приблизительно 10 (от 8 до 16) раз в секунду, то глаз уже перестает различать по отдельности цвет каждой яркости и поле сравнения кажется одноцветным. При этом смешанный во времени цвет полей сравнения является промежуточ­ ным между цветами каждого из сравниваемых полей. Если обе срав­ ниваемые яркости различны по своему значению (размеру), то после смешения цветов будет наблюдаться мигание яркости. Если же обе яркости' начинают выравниваться по своему значению, то мигание ослабевает и, наконец, при некотором соотношении обеих яркостей мигание прекращается полностью. Таким образом, наблюдатель видит теперь одноцветное немигающее поле сравнения. Считается, что при этих условиях обе яркости равны. Частота смен в известных пределах не влияет на итоги. Обыкновенно измерения начинают с малого числа смен и изменяют яркости так, чтобы получить наименее заметное мелькание. После этого подыскивают ту частоту, при кото­ рой мелькания заметно уменьшаются. Затем вновь изменяют яркости, если мелькание еще не устранено. Далее последующие измерения производятся уже при подобранной частоте смен. Этот способ осно­ ван на психо-физиологическом свойстве глаза. Именно для глаза сначала наступает прекращение мигания цветов, а затем — и пре­ кращение мигания яркости. Описываемый способ измерения разно­ цветных яркостей подвергался многостороннему испытанию различ­ ными исследователями. Было найдено, что при известных условиях может наблюдаться значительное расхождение в результатах изме­ рений по этому способу и по способу непосредственного сличения яркостей. Расхождение возрастает, если разница окраски между яркостями увеличивается, и наоборот. Более поздние исследования показали, что при соблюдении определенных правил данный способ световых измерений может обеспечить итоги, достаточно близко сов­ падающие с итогами непосредственного сличения яркостей. Для этого необходимо соблюдать целый ряд условий. Из них наиболее важными являются: 1) небольшие размеры полей сравнения — около 2°; 2) достаточные яркости полей сравнения (8 нт и более) и 3) окруже­ ние полей сравнения светлым полем (светлая адаптация), прибли­ зительно одинаковой яркости с полями сравнения.

Следует, однако, обратить внимание, что изложенный способ смешения яркостей является в достаточной мере искусственным. В обыденной жизни глазу не приходится судить о равенстве яркостей по подобному признаку. Поэтому, если итоги, получаемые при изме- ренш-п этим способом, удовлетворительны, то это приходится

153

рассматривать как благоприятное совпадение, а не как правильность его по существу дела. Вместестем рассматриваемый способ имеет суще­ ственные недостатки: наблюдения несколько затруднительны и про­ изводятся с недостаточной уверенностью. От наблюдателя требуется большая опытность. Пороговая чувствительность глаза несколько понижена и глаза наблюдателя сравнительно скоро утомляются. Есть указания, что таким способом измерений не следует пользо­ ваться долее одного часа. Надо добавить, что довольно трудно выпол­ нить такое светоизмерительное устройство, которое безукоризненно выполняло бы правильное смешение яркостей. Получение контраст­ ных полей сравнения здесь невозможно.

Точные измерения избегали производить по способу смешения. На практике технических измерений он иногда применяется. Однако к итогам относятся с осторожностью, как недостаточно точным. Надо добавить, что применение вращающихся поглотителей (п. 94) при рассматриваемом способе измерения невозможно.

В 1950—1951 гг. Международное бюро мер и весов, по предло­ жению Международной комиссии по освещению, провело измерения коэффициентов пропускания цветных и серого стекол среди лабо­ раторий нескольких стран. Кроме спектрофотометрпческих, прово­ дились измерения по способу смешения. Последние измерения даже у трех лабораторий, привлекших по 20 наблюдателей, сильно расхо­ дились для всех стекол, в отдельных случаях даже па 25%. Если взять средние итоги для 9 лабораторий, то измерения общих коэффициен­ тов пропускания, выполненные всего 96 наблюдателями по способу смешения, удовлетворительно совпали со спектрофотометрическнми (с последующими вычислениями на основании относительной видности, п. 40) для серого стекла н немного менее удовлетворительно для красного; по очень значительное отклонение отмечено для синего и сине-голубого. После этих сравнений способ смешения стал счи­ таться сомнительным даже среди его сторонников.

С п о с о б А й в с а (Ives, Н. Е.). Имеется лампа сравнения, для которой распределение лучистой мощности по спектру известно. Свет от лампы пропускается сквозь две линзы (конденсор), между которым имеется непрозрачная перегородка с тремя окнами. В одно

зрачной задвижкой, можно менять площадь отверстия, пропускаю­ щего свет. Изменяя же площади окон, получают последующим сме­ шением света,проходящего сквозь линзы и освещающего одно из полей сравнения, различные цвета, которые подбираются одинаковыми с цветом света измеряемых источников света. Дальнейшие световые измерения производятся уже при одноцветных полях сравнения. Если спектральные коэффициенты пропускания цветных поглоти­ телей известны, то при известном распределении лучистой мощности по спектру лампы и при известных раскрытиях цветных окон между линзами можно подсчитать яркость поля сравнения при изменении его цвета как в относительных, так и в именованных единицах

(п. 40).

154

Для последних надо это поле однажды (или время от времени) сравнить с другим, освещаемым светоизмерительной лампой.

Осуществленный по изложенной мысли прибор Айвса имеет так подобранные поглотители и площади окон и такое устройство для перемещения задвижек, что яркость поля сравнения остается постоянной при изменении его цвета. Данный способ измерений, вообще говоря, вполне пригоден для практики, но распространения до настоящего времени не получил. Несомненно, он имеет свое зна­

ограниченную область применения, но в отдельных случаях пред­ ставляет несомненную практическую ценность. Он сводится к сле­ дующему. Пусть, например, первое из полей сравнения освещается пустотной электрической лампой и имеет желтый оттенок. Второе поле освещается газополнойлампой и имеет желтовато-белый отте­ нок. Если по пути хода лучей от пустотной лампы поставить голубое стекло, то можно приблизить цвет первого поля к цвету второго. Возможно так подобрать оттенок голубого поглотителя, чтобы доста­ точно близко сравнять цвета обоих полей сравнения. Можно иметь целый набор голубых поглотителей для того, чтобы от цвета данного источника света перейти к различным цветам других источников. Этот способ в настоящее время применяется и притом является международно принятым для перехода от основного светового эта­ лона в виде полного излучателя к электрическим вольфрамовым лам­ пам накаливания.

Способ очень удобен для практики и при соблюдении известных условий может быть достаточно точным. Для этого необходимо опре­ делить коэффициент пропускания голубого поглотителя для данной

несколько способов для разноцветных световых измерений. Все они носят тот или иной условный характер. В настоящее время еще нет общепризнанного способа для данных измерений. Равным образом нет и одинакового мнения о достоинствах, недостатках и областях применения ранее изложенных способов. Задача сравнения разно­ цветных яркостей является одной из основных и главных задач науки о световых измерениях. Она поставлена впервые почти 75 лет тому назад. До сих пор светотехнические лаборатории считают измерения разноцветных источников света одной из наиболее трудно выполняе­ мых работ, притом ю малой точностью. По-видимому, все же можно считать, что далее описываемый (п. 73) способ перевода разноцвет­ ных измерений в одноцветные является наилучшим решением вопроса. Однако в настоящее время пока еще нет достаточного количества и разнообразия приборов для широкого применения его на практике.

Надо заметить, что объективная фотометрия (гл. 10) как раз воз­ никла из желания преодолеть затруднения разноцветных измерений и сделать их независимыми от свойств глаза отдельных наблюдателей.

73. Основной способ разноцветных измерений. Итак, для разн цветных измерений разработано несколько способов. Каждый из них

155

может быть дополнительно усовершенствован при практическом применении. В разных областях измерений нередко бывает, что опре­ деление одной и той же величины различными способами может дать несовпадение. Иногда даже стремятся применять именно неодинако­ вые способы, чтобы убедиться в надежности итогов измерений. Однако

чем наиболее точное приближение их к действительному значению измеряемой величины. Поэтому в метрологическом деле, а также и поверочном, по крайней мере в отдельных случаях, считают целе­ сообразным отдать предпочтение одному способу измерений, приняв его за основной. ВНИИМ остановился на описываемом ниже способе как в силу его естественности, так и потому, что он самым тесным образом связан с относительной видностыо, и, следовательно с мно­

которое и нужно измерить. Как известно, один и тот же цвет может быть получен разными путями. Если бы почему-либо заранее были определены значения яркостей некоторых вспомогательных цветов (красного и зеленого), то возможно при данных измерениях посту­ пить следующим образом. Сначала подбирают смесь красного и зеле­ ного в таком соотношении, чтобы она в точности равнялась желтому цвету. Затем сравнивают яркости данной смеси и измеряемого жел­ того. Таким образом, сличение яркостей произведено уже в одно­ цветных полях сравнения. Так как соотношение яркостей красного и зеленого известно, то, следовательно, можно вычислить и яркость желтого цвета. Итак, вместо непосредственного измерения желтого цвета с известным (по числовому значению световой величины) красным или зеленым оказалось возможным полностью свести разно­ цветные измерения к одноцветным. Однако надо еще отыскать способ сличения красного с зеленым. Этот пример относится к тому случаю, когда один цвет можно заменить некоторыми двумя цветами.

Известно, что всякий цвет может быть получен путем смешения трех цветов (и. 157), так что в некоторых случаях приходится при­ бегать к смешению не двух, а именно трех цветов. Развитие этого

быть взяты и другие (п. 157). Числовое значение каждой из этих трех яркостей должно быть известно. Смешение их в различной про­ порции дает любой цвет. Поэтому при измерении какой-либо яркости любого цвета, являющейся одним из полей сравнения, второе поле сравнения должно представлять собою смесь трех основных цветов, взятых в такой пропорции, чтобы их общий цвет как раз равнялся цвету измеряемому. Таким образом, данный способ сводит все разно­ цветные измерения к строго одноцветным. В 'конечном же счете дело сводится к тому, чтобы иметь выверенные светоизмерительные лампы трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Это могут

155

быть обычные светоизмерительные лампы (гл. 6), снабженные допол­ нительными цветными поглотителями, например, стеклами.

Определение относительной видности было так поставлено (во ВНИИМ, п. 166), что одновременно имелась возможность опре­ делить общие коэффициенты пропускания цветных стекол: красного, зеленого и синего, применявшихся в измерениях. Были точно изме­ рены и спектральные коэффициенты пропускания тех же стекол. По ним были рассчитаны общие коэффициенты пропускания с приме­ нением числовых значений относительной видности по данным же

Рис. 73. 1.

определениям (п. 40). Совпадение опытного и рассчитанного коэф­ фициентов оказалось вполне удовлетворительным. Этим под­ тверждается — для некоторых, по крайней мере, пределов — спра­ ведливость правила сложения световых величин (п. 20). В итоге были получены образцовые цветные поглотители. По ним изме­ ряются п о в е р о ч н ы е ц в е т н ы е с т е к л а , для которых определяются общие коэффициенты пропускания при одноцветных измерениях для вольфрамовой лампы с известной цветовой темпе: ратурой. Поверочные стекла подбираются приблизительно с теми же спектральными коэффициентами, что и у образцовых стекол. На рис. 73. 1 представлены спектральные коэффициенты пропуска­ ния набора поверочных цветных стекол ВНИИМ: синих С-2 и С-8, зеленых 3-1 и 3-2 и красных К-Ю и К-13.

Применение описанного способа требует устройства некоторых вспомогательных приспособлений для имеющихся светоизмеритель­ ных приборов, которые для него не были рассчитаны. Этот способ

157

На практике может быть соединен с ранее рассмотренным (п. 72) способом цветных поглотителей: он позволяет без затруднений измерять общие коэффициенты пропускания цветных поглотителей при любом источнике света.

74. Сравнения по спектру. Должно быть известно: а) относ тельное распределение мощности по спектру одного Pix/Pixо и дру­ гого Ргх/Рыо источников света, отличающихся по цвету и б) отно­ шение их лучистых мощностей Pixo/Pzxo в каком-либо, хотя бы одном участке спектра с определенной длиной волны Х0 (п. 147). Тогда, зная: в) относительную чувствительность глаза к однородному свету и г) какую-либо световую величину ( / х), соответствующую измерявшейся лучистой мощности по п. б) (силу света, световой поток и т. д.), для одного из сравниваемых источников, можно вычислить такую же световую величину (/„) для другого. Таким образом, в данном способе не производится непосредственного сравнения одной разноцветной яркости с другою. Они (неполные, так как разложены по спектру) сличаются в отдельных участках спектра (например Х0), как одноцветные. Способ сводится к спектро­ фотометрическим измерениям (п. 147).

Вычисление результатов производится на основании соображе­ ний, изложенных в п. 21. Именно, нетрудно сообразить, что

(74. 1)

Подобным же образом и для других световых величин, например, для яркости

(74. 2)

Нет надобности знать распределение лучистой мощности по спектру для одного из сравниваемых источников, если спектро­ фотометрические измерения производятся по всему спектру. Следо­ вательно, вместо P2>JP2xd известно:

__

158

Из Двух 'последних выражений получается:

После подстановки в выражение (74. 1)

(74. б)

Подобные нее выражения получаются и для других световых величин. Описанный способ удовлетворителен по точности, но сложен

идлителен. Он редко применяется на практике.

75.Отбор наблюдателей для световых измерений. Обыкновенн

чувствительность к цветам более или менее отклоняется от свойств

в среднем приближались бы к условному среднему глазу, т. е. откло­ нения спектральной чувствительности которых были бы в разные стороны от средней (как в сторону желтых и красных, так и в сто­ рону зеленых и синих участков спектра).

Наиболее надежный способ отбора наблюдателей — это опреде­ ление их относительной чувствительности к спектральным цве­ там (п. 166). Но он довольно сложен, и надежные итоги получаются лишь при весьма тщательных измерениях величин не только све­ товых, но и лучистой мощности. Кроме того, требуется особенное лабораторное оборудование. Поэтому лишь очень немногие лабора­ тории могут производить подобного рода исследования зрения наблюдателей.

Другой, более простой способ заключается в следующем. Иссле­ дуемые наблюдатели измеряют (по п. 73) общий коэффициент про­ пускания для нескольких цветных поглотителей, например, голубого1 и желтого или розового и зеленого и др., причем свет пропускается от источника с известным относительным распределением лучистой мощности по спектру, например, от вольфрамовой лампы с известной цветовой температурой (2365° К или 2854° К). Затем тот же коэф­ фициент вычисляется по спектральным коэффициентам пропускания поглотителя (п. 40). Вероятно, для каждого наблюдателя получатся более или менее значительные отклонения для опытного и вычислен­ ного итога. Как выше указано, отбирается несколько таких наблю­ дателей, чтобы средний (арифметический) измеренный ими коэффи­ циент пропускания был достаточно близок к вычисленному, прини­ маемому за истинный для среднего глаза. Надежность данного способа в очень значительной степени зависит от точного измере­ ния (п. 148) спектральных коэффициентов пропускания. Но оно

159

Может быть выполнено отдельно в хорошо оборудованных лабо­ раториях.

Есть предложение — на основании подобных испытаний вводить поправки для разноцветных измерений, выполняемых каждым наблюдателем, когда измерения производятся очень небольшим числом лиц (1—2). Но на это можно идти скорее как на редкое исклю­ чение, а отнюдь не как на основное правило.

76. Надежность и устойчивость измерений помощью глаз Возникает следующий, весьма важный для практики вопрос: являются ли свойства глаза достаточно устойчивыми на протяжении измерений, например, в течение одного рабочего дня. Ответ на это дан на основании опытов такого рода. Несколько ламп (15 и более), вполне постоянных по своим свойствам, сличались двумя опытными наблюдателями с двумя лампами сравнения (п. ПО), также постоян­ ными. Если бы глаза обоих наблюдателей были совершенно устой­ чивы, то тогда разница в измерениях у двух наблюдателей была бы одинакова для всех ламп при условии, конечно, что лампы прибли­ зительно одинаковы по своей окраске света. Однако опыт показы­ вает, что разница между измерениями этих наблюдателей для каждой лампы несколько изменяется. В одном из опытов, обставленных

вдостаточной мере хорошо, обнаружено, что такая разница лежит

впределах от 0 до +0,5%, составляя среднюю квадратичную ошибку для каждого наблюдателя +0,2% при средней арифметической ошибке +0,15%. Равным образом измерения у одного и того же наблюдателя, но по двум лампам сравнения, также обнаруживают

разницу, колеблющуюся в пределах от 0 до +0,6%, составляя в среднем +0,25% (средняя квадратичная ошибка для одного наблю­ дателя). Вообще подобного рода наблюдения, произведенные много­ кратно с образцовыми лампами во ВНИИМ, показали, что устойчи­ вость глаз одного наблюдателя, более или менее опытного, лежит в пределах от +0,2% до +0,3%.

Все ранее изложенные данные о свойствах глаз наблюдателя пока­ зывают, от сколь многих причин зависит точность измерений. Есте­ ственно поэтому возникает предположение, что измерения помощью глаза могут являться не в достаточной мере надежными. В связи с этим очень многие соприкасающиеся со световыми измерениями лица высказывают сомнение в правильности и достоверности изме­ рений с участием глаза и считают необходимым в возможной мере их избегать, переходя на физические измерения. Однако опыт пока­ зывает, что несмотря на всю относительную сложность работы глаза (при измерениях) и зависимость ее от очень многих обстоятельств, измерения могут получиться вполне благонадежными, если создана достаточно благоприятная обстановка для них и полностью приняты все предосторожности при пользовании глазом как прибором.

Естественно, что внутри одной лаборатории, коль скоро дело идет лишь, главным образом, об относительных измерениях, точ­ ность значительно выше, чем при так называемых межлабораторных измерениях. При них одинаковые измерения производятся в разных лабораториях, обычно в неодинаковой обстановке, и причины рас-

160