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

хождения измерений обыкновенно лежат вовсе не в том, что «вино­ ваты глаза наблюдателей». Внутрилабораторная неточность све­ товых измерений в зависимости от рода их лежит в пределах от ±0,2 до ±0,5% и выше. Однако некоторые относительные измерения, например, зависимость силы света от напряжения и т. д., могут производиться с точностью даже ±0,1%.

Наиболее точные световые измерения с главными образцовыми светоизмерительными лампами, включая и основной световой эталон в виде полного излучателя, в странах — СССР, Англия, США’ Франция, Япония, Канада, Австралия — ведутся чаще фотоэлемен­

потока, независимо воспроизводимых теми же странами, показали

чая СССР) отклонения значительно меньше.

Подобные межлабораторные измерения с бесспорностью показы­ вают, что световые измерения, выполняемые глазом (даже и не в наи­ лучших условиях) имеют под собой достаточно прочное основание и в полной мере могут удовлетворять запросы промышленности, техники и науки.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

П О Л У Ч Е Н И Е П О Л Е Й С Р А В Н Е Н И Я - И С П Ы Т А Т Е Л Ь Н Ы Е П Л А С Т И Н К И . С В Е Т О М Е Р Н Ы Е ГО Л О В К И

77. Основные черты устройств для световых измерений глазом.

Глаз как участник световых измерений, что указывалось ранее, требует наличия в светоизмерительном устройстве или приборе двух полей сравнения, расположенных рядом. По той же причине необ­ ходимо,- чтобы в измерениях участвовали два источника света или два пучка света от одного и того же источника. В большинстве случаев при световых измерениях глаз наблюдателя не может направ­ ляться непосредственно на участвующий в них источник света вслед­ ствие чрезмерной его яркости. Во многих измерениях и нет надоб­ ности смотреть на источник света. Тем не менее глаз непременно должен видеть какие-либо самосветящиеся или освещенные поверх­ ности, отбрасывающие свет в направлении к глазам наблюдателя. Очень часто применяются для последней цели особые и с п ы т а ­ т е л ь н ы е п л а с т и н к и . Глаз видит их яркость, которая зави­ сит от их освещенности, а последняя, в свою очередь, может обуслов­ ливаться еще какой-либо измеряемой световой величиной (п. 68).

Итак, необходимые поля сравнения образуются помощью двух испы­ тательных пластинок. Иногда можно обойтись одной, если исполь­ зовать обе ее стороны.

Всякое светоизмерительное устройство в первую очередь должно содержать такое приспособление, чтобы обе как-либо расположенные в пространстве испытательные пластинки совместить в одной плоско­ сти (оптическим путем или иначе), создав при этом поля сравнения из их изображений, рядом расположенных. Яркости обеих пластинок могут быть самыми различными. Вследствие ранее указанных свойств глаза (гл. 7) необходимо для целей измерений иметь возможность выравнивать обе яркости. Поэтому все светоизмерительные устрой­ ства и приборы должны содержать те или иные приспособления для изменения яркости одного или обоих полей сравнения.

Итак, основная и общая схема для всех светоизмерительных приборов следующая. Каждый из них содержит два необходимых устройства: первое — для образования полей сравнения и изобра­ жений испытательных пластинок и второе — для изменения яркости обеих или одной пластинки. При изучении или ознакомлении со свой­ ствами какого угодно светоизмерительного прибора—действие его пли устройство становится понятным как только будет выяснено, каким образом данный прибор выполняет две указанные основные задачи.

78. Испытательные пластинки. От испытательной пластин требуется, чтобы она была белой, т. е. одинаково отражала лучистую энергию всех длин волн видимого спектра. В этом случае она не будет искажать распределение мощности по спектру в отражаемом свете по сравнению с падающим. Разумеется, необходимо, чтобы испыта­ тельная пластинка рассеивала отраженный свет, т. е. была матовой. Тогда яркость ее во всех направлениях не зависит от яркости осве­ щающих ее источников света (п. 34). Ясно, что зеркальные поверх­ ности не могут служить полями сравнения, так как в случае их при­ менения глаз видел бы источник света, чего, как указывалось, в подавляющем большинстве случаев необходимо избегать. Часто, но не всегда, нужно, чтобы пластинка была идеально матовойЭто вызывается тем, что если по какой-либо причине направление взгляда наблюдателя на пластинку изменяется, яркость ее не должна

и освещения испытательных пластинок, изготовляемых из сжатой: сернобариевой соли.

В е щ е с т в а д л я и с п ы т а т е л ь н ы х п л а с т и н о к . В качестве вещества для получения поверхностей белого цвета в тече­ ние многих лет по преимуществу применялся гипс (CaSO,j). Затем пользовались окисью магния (MgO), углекислым магнием (MgC03) и сернобариевой солью (BaS04). Гипс оказывался наиболее удобным для изготовления испытательных пластинок; они получались путем отливки. Иногда применялась смесь окиси магния с гипсом, из кото­ рой пластинки также отливались.

162

Рис. 78. 1. Относитель­ ные коэффициенты яркости сернобарневон пластинки в плоскости падения света.

/ — при падении спета под углом 15° (с перпен­ дикуляром); 2 — под 30°;

3 — под 45°.

Рис. 78. 2. Относительные коэффициенты яркости сернобариевой пластинки.

/ — при перпендикулярном падении света н разныхуглах наблюдения; 2 — при наблюдении в перпендику­ лярном направлении и при разных углах падения света.

Углы наблюдений, градусы

Рис. 78. 3. Относи­ тельные коэффициенты яркости сернобариевой пластинки при перпен­ дикулярном падении света и разных углах

наблюдения.

1 — для пяти пластинок изготовления 1951 г.;

2и 3 — для двух пла­ стинок 1932 г.

Существует еще целый ряд белых порошков, из которых могли бы изготовляться пластинки — окись цинка (ZnO), двуокись титана (ТЮ2), литопон (смесь различных белых порошков с преобладанием сернобариевой соли) и другие.

Тщательные исследования показывают, что спектральные коэф­ фициенты отражения всех этих веществ все же не вполне одинаковы для света разных длин волн. Впрочем, разница не очень велика. Значения спектральных коэффициентов зависят для одного и того же вещества: от степени его чистоты, от размеров и очертаний кристал-

Рис. 78. 4. Яркость (/) и удельная сила света (2) сернобариевой пластинки при перпендикулярном паде­ нии света. (Сплошные кривые — те же величины для предельно матовой поверхности).

лов, от шероховатости поверхности, от степени сжатия, от толщины слоя (и от связующего вещества, если оно применено) и т. д. Точный учет всех этих обстоятельств — затруднителен. Общие коэффициенты отражения перечисленных веществ таковы:

Точные измерения как общего, так и спектральных коэффициен­ тов отражения несколько затруднительны. Определение того, дей­ ствительно ли каждая данная пластинка является белой — нелегко. Как по этой, так и по другим причинам, в целях внесения большего единообразия в световые измерения, представляется целесообраз-

164

ным условиться применять лишь одно вещество для испытательных пластин. Особенно важное значение имеет это для цветовых измере­ ний (гл. 19). Международная комиссия по освещению в 1931 г. в каче­ стве вещества для испытательных пластинок (точнее — пластинок сравнения), применяемых для цветовых измерений, приняла окись магния.

Окись магния обычно выбирают, главным образом, потому, что матовую и чистую поверхность из нее сравнительно легко получить. Кроме того, коэффициент яркости ее (наряду с углекислым магнием) выше других веществ и достаточно близок к единице. Вместе с тем пластинка из окиси магния обладает существенными недостатками: она непрочна, после легкого загрязнения не поддается чистке и в неко­ торых случаях заметно желтеет. ВНИИМ производил измерения коэффициента яркости пластинок из окиси магния отечественного происхождения. Пластинки были изготовлены так, как это указано ниже: Значение его оказалось равным около 0,96—0,98 при освеще­ нии пучком света, падающим под углом 45°, и при наблюдении в перпендикулярном к .пластинке направлении. Образцы из окиси магния иностранного происхождения имели приблизительно такой же коэффициент яркости (в пределах точности измерений).

По измерениям в-Национальной физической лаборатории (Англия) коэффициент яркости окиси магния оказывался равным 0,99. Пластинка состояла из посеребренного и полированного металла, покрытого копотью окиси магния при толщине слоя около V3 мм. Следует попутно заметить, что такой способ изготовления плас*инок является не вполне практичным: 1) слой держится непрочно, 2) сильно сказывается неравномерность слоя, 3) пластинку значительных размеров затруднительно покрыть ровным слоем и 4) серебрёная поверхность с течением времени довольно быстро тускнеет.

Гораздо удобнее для световых (и цветовых) измерений применять сернобариевую соль. Образцовые испытательные пластинки, т. е. такие, для которых коэффициент яркости или общий коэффициент отражения точно известен и потому они применяются для сравнения с ними других испытательных пластин (или иных поверхностей), делаются во ВНИИМ обычно из сернобариевой соли. Сжатый поро­ шок сернобариевой соли значительно прочнее сжатой окиси магния. Пыль с образца сдувается, не портя поверхности. Вообще для прак­ тического применения пластинка из сернобариевой соли значительно

Разница в относительных значениях коэффициента спектрального отражения у окиси магния и сернобариевой соли хотя и заметна, но незначительна и очень близка к пределам точности измерений. Разница в цветовых измерениях при употреблении пластинок из окиси магния или из сернобариевой соли совершенно незначительная и лежит в пределах точности измерений.

Пластинки надо беречь от запыления и загрязнения. Прикосно­ вение к ним не допускается. Соринки сдуваются (или снимаются очень тонкой и мягкой кисточкой). На рис. 78. 5 показан способ

165

подбирать опытным путем (применительно к требуемой прочности и т. д.). Чтобы получить матовую поверхность у пластинки, ее иногда приходится протирать тем же сухим порошком (например, при помощи замши), из которого она сделана (удобна, в особенности, сернобариевая соль). Подобным же путем и чистятся такие пластинки

стинка изготовляется из мелко растертого (незадолго до употреб­ ления) сухого порошка сернобариевой соли. Берется порошок хими­ чески чистый или обычно применяемый для рентгенографии. Порошок подвергается сильному сжатию (при давлении не менее 50 кГ/см2). Матовая лицевая сторона может быть получена двумя способами: а) между полированной металлической поверхностью и лицевой поверхностью сернобариевой соли во время сжатия прокладывается

сжатием в очень небольшой степени увлажняется. Лицевая сторона сдавливается полированной металлической поверхностью. После сжатия и последующей сушки поверхность становится матовой. При необходимости поверхность еще раз увлажняется мелкими брыз­ гами. Достаточная матовость определяется тем, что при падении

порошок окиси магния подвергается сильному сжатию при давлении не менее 50 кГ/см2. При этом лицевая сторона сдавливается полиро­ ванной металлической (или стеклянной) поверхностью. Толщина

слоя — не менее 3 мм.

После сжатия пластинка покрывается тонким слоем (толщиною около 0,2—0,3 мм) окиси магния путем копчения, для чего пла­ стинка держится над открытым пламенем горящего в воздухе магния.

3. У п р о ч н е н и е . Порошок сжимается в оправе (рис. 79. 1). Следует поместить внутрь порошка перед сжатием, на середине

167

толщины, химически стойкую, мягкую, неупругую и прочную сетку. Ее можно сделать из луженой медной проволоки диаметром около 0,3 мм или даже из льняной или иной нитки. Отверстия в сетке — около 7 X 7 мм.

П р и м е ч а я и е. Коэффициент яркости сериобарневон пластинки при осве­ щении под углом 45° (±3°) и при наблюдении в перпендикулярном к ней направлении можно принимать равным 0,96 (±0,01), а для пластинки из окиси магния 0,97 (±0,01).

80. Способы получения полей сравнения. Одна из основных задач всякого светоизмерительного устройства или прибора, как сказано (п. 77), заключается в том, чтобы создать поля сравнения.

хорошо известное пятно Бунзена. Оно представляет собою промаслен­ ное пятно в середине кусочка бумаги. Бумага освещается с обеих сторон. Наблюдатель смотрит с какойнибудь стороны и видит пятно в сере­ дине (рис. 64. 2, внизу). Его яркость зависит от освещенности как от одного,

ьтак и от другого источника света потому, что пятно н отражает и про­ пускает свет. Кругом него расположено

света). То обстоятельство, что на яркость пятна влияет освещенность от обоих источников света, является существенным недостатком. Кроме того, трудно достигнуть, чтобы пятно хорошо сливалось с окружающим полем в случае выравнивания яркостей, так как само по себе пятно несколько искажает цвет источника света. Поэтому получение полей сравнения по способу Бунзена в настоящее время встречается редко.

б) П р и з м а Р и т ч и . Другой, также довольно давний спо­ соб, — это призма Ритчи. Две грани ее расположены друг к другу под углом 90° (рис. 80. 1). Каждая сторона освещается порознь источниками света, причем лучи падают под углом 45°. Призма делается из белого рассеивающего свет материала, например из гипса, углекислого магния и т. д. Наблюдатель смотрит на обе стороны призмы также под углом 45°, так что линия зрения перпендикулярна к линии, соединяющей оба источника света. Этот способ получения полей сравнения до сих пор довольно часто применяется. Недостатком его является то, что он позволяет получать лишь один рисунок полей сравнения (рис. 64. 1, слева), причем довольно трудно получить желательные (рис. 64. 4) контрастные поля сравнения (возможны по рис. 64. 7). Кроме того, если источники света сравнительно близко расположены к призме и если призма по необходимости взята доста­ точно больших размеров, то каждая грань призмы оказывается недо­ статочно одинаково освещенной по ширине и, следовательно, имеет разные яркости по своей поверхности. При этом не вполне ясно,

168

до какого места следует вычислять расстояние между источником света и призмой. Это зависит от способа наблюдения, применяемого в данном приборе; обыкновенно расстояние считают до ребра призмы. Поэтому при точных измерениях данные поля едва ли приме­ нимы.

в) З е р к а л а . Пусть взято стекло в виде круга, причем только половина его посеребрена. Тогда наблюдатель, смотрящий на зер­ кало, видит одну половину круга,’отражающую изображение одного из полей сравнения, а сквозь прозрачное стекло — другое поле срав­ нения. Светящиеся поверхности — испытательные пластинки, создающие поля сравнения — могут быть расположены различным образом по отношению к зеркалу.

бальзамом), что применяется реже. В месте соприкосновения призм создан так называемый оптический контакт. Сквозь него лучи света свободно проходят. Обе эти призмы, в совокупности называемые кубиком Люммера — Бродхуна, позволяют глазу наблюдателя видеть как бы в одном месте, именно, по диагональной плоскости два поля сравнения (5 Х и S 2), в действительности расположенные в двух разных местах. В самом деле, лучи света, отраженные одним из полей сравнения (S^ свободно проходят сквозь оптический контакт кубика. Лучи же, отраженные вторым полем сравнения (S2), поворачиваются призмой на 90°, так что после прохождения кубика лучи света от обоих полей, ранее пересекавшиеся под углом 90°, теперь идут параллельно. Оптический-контакт легко изготовить настолько тща­ тельно, что если яркости обоих полей сравнения выравнены и если они одинакового цвета, то линия раздела между ними становится совершенно невидимой для глаза. Оба поля как бы сливаются в одно.

Те.же ученые предложили и другое устройство кубика: для полу­ чения контрастных полей сравнения. Кубик (рис. 80. 3) опять состоит из двух призм. Одна является обычной призмой полного внутреннего отражения без каких-либо видоизменений. На вто­ рой же — по диагональной ее плоскости — сделаны незначительной

169

глубины впадины, рисунок которых показан на рис. 80. 3 справа. Испытательные пластинки могут располагаться так же, как и у пре­ дыдущего кубика. Отраженные ими лучи проходят сквозь кубик в месте оптического контакта, или отражаются от диагональной пло­ скости для другого поля сравнения. По пути хода части лучей обоих полей сравнения располагаются прозрачные бесцветные стекла. Они размещаются так, чтобы сквозь них прошли лучи, падающие затем на трапецию. Как известно, прозрачные стекла отражают •8—10% падающего на них света. Вследствие этого прошедший сквозь них свет будет соответственно ослаблен, и наблюдатель, смотрящий в кубик, увидит трапеции менее светлыми, чем другая часть того же поля сравнения (т. е. наблюдается картина, подобная изображенной

устройств применяется или как отдельный прибор, или как часть прибора, так называемая светомерная головка. Она представляет совокупность испытательных пластинок (одной или двух), кубика, зеркал, призм полного внутреннего отражения и линз, предназна­ ченных для образования полей сравнения. Предложено довольно много светомерных головок. Как и у многих других приборов, каждый вид их имеет достоинства и недостатки. Достоинства того или иного вида головок иногда обуславливаются не"только устрой­ ством их, но и степенью приспособленности к данной измерительной установке, а также качеством изготовления. Поэтому представляется затруднительным рассматривать преимущества и недостатки того или иного устройства головки, взятой в отдельности без установки

вцелом.

Вобщем устройство этих приборов несложно, и обыкновенно легко разобраться в устройстве каждого, коль скоро имеется знакомство с некоторыми. Ниже приводятся описания некоторых головок, как примеры.

Г о л о в к а Л ю м м е р а — Б р о д х у н а . Эта головка впер­ вые была предложена, как и кубик Люммера—Бродхуна, еще

170