Экзамен / Ответы на вопросы / 33.Основы световых измерений (фотометрия). Относительная спектральная эффективность Vƛ. Система

Вопрос №33

Основы световых измерений (фотометрия). Относительная спектральная эффективность Vƛ. Система световых величин световой поток. сила света, яркость, освещённость; единицы их измерения.

Светом (точнее – видимым светом) называют область электромагнитных волн, воспринимаемых глазом человека. Видимый свет – это очень узкий диапазон в огромной совокупности электромагнитных волн. Глаз воспринимает электромагнитное излучение только в области длин волн от 400 до 760 нанометров (0,4 – 0,76 мкм). Тем не мене, именно с помощью зрения мы получаем основную информацию о внешнем мире.

С чисто физической точки зрения для измерения любого излучения используются энергетические характеристики: мощность ( поток энергии), интенсивность и др. Но легко понять, что такой подход не годится для измерения света. По самому смыслу понятия «свет», нельзя производить никаких его измерений, не учитывая свойств глаза. Скажем, какова бы ни была мощность инфракрасного излучения, с точки зрения зрительного ощущения она равна нулю – глаз ИК-лучи не воспринимает.

Особенности восприятия глазом человека света разных длин волн отражает относительная спектральная эффективность V_λ . {В литературе нередко используется устаревший термин «относительная видность», но по ГОСТу применение этого термина не рекомендуется).

Относительная спектральная эффективность V_λ характеризует чувствительность глаза к свету с данной длиной волны λ к максимальной чувствительности, принятой за единицу. При хорошей освещённости (дневном свете) свет воспринимается, в основном, колбочками. Максимальное значение V_{λ ,} равное, по определению, единице, приходится на длину волны 555 нм (зелёная часть спектра). При слабой освещённости работают почти исключительно палочки (у них порог значительно ниже). В этом случае максимум чувствительности сдвинут на длину волны 510 нм.

Система световых величин (световой поток, сила света, яркость, освещённость)

Для измерения света (фотометрии) была разработана специальная система световых величин и соответствующих единиц измерения. В настоящее время фотометрические величины включены в систему СИ.

1. Исходным понятием фотометрии является световой поток Ф. Световой поток – это мощность излучения, оцениваемая по тому ощущению, которое это излучение создаёт в глазу человека. Единица светового потока называется люмен (лм).

Понятие светового потока и его единица – люмен были введены ещё в ХVIII веке независимо от других физических величин (и задолго до появления системы СИ). Поэтому возникла задача согласования общефизических и фотометрических величин, о чём далее и пойдёт речь. Сейчас для физической характеристики любого излучения пользуются понятием энергетического потока F_Э, который равен мощности излучения, испускаемого источником. Единицей энергетического потока является единица мощности – ватт. Так как и смысл, и единицы измерения величин F_Э и Ф различаются, необходимо было установить связь между ними. Измерения показали, что при длине волны 555 нм (то есть в области максимальной чувствительности глаза) между энергетическим потоком (в ваттах) и световым потоком (в люменах) имеет место следующее соотношение:

Ф [лм] = 683 лм/Вт • F_Э [Вт].

При свете других длин волн необходимо учесть разную чувствительность глаза к разным длинам волн, то есть относительную спектральную эффективность V_λ . Для монохроматического света с длиной волны λ :

Ф(λ) = 683•V_λ•F_Э(λ)

Если свет не монохроматический, а имеет сплошной спектр, надо проинтегрировать по всему световому диапазону длин волн:

2. Сила света. Большинство источников света испускают излучение не во все стороны равномерно, а преимущественно по какому-то определённому направлению, или, другими словами, в каком-то определённом телесном угле.

Напомним понятие телесного угла. Пусть излучение распространяется от источника „О“ в пределах некоторого конуса (рис. 6). Тогда телесным углом ω называется величина, равная отношению площади, вырезаемой этим конусом на сфере произвольного радиуса R к квадрату этого радиуса: (в данном случае буква ω не имеет никакого отношения к круговой частоте). Единицей телесного угла является стерадиан (ср). При телесном угле ω = 1 ср площадь S = R ². Если излучение идёт во все стороны, S равно площади сферы, то есть 4πR² , поэтому полный телесный угол равен 4π ср.

Результат облучения очень сильно зависит от того, в каком телесном угле распространяется свет (представьте себе, например, фары ближнего света. которые дают широкий пучок излучения, заполняющий большой телесный угол ω, и фары дальнего света, когда телесный угол ω мал. Во втором случае концентрация излучения на наблюдаемом объекте будет значительно более сильной).

Для характеристики направленности (концентрации) излучения было введено понятие силы света I.

Сила света - это величина, равная отношению светового потока Ф к тому телесному углу ω, в пределах которого распространяется данный поток:

По техническим причинам за основную единицу для световых измерений была принята единица силы света. Это объясняется тем, что именно для этой величины оказалось практически наиболее удобно изготовить точный эталон. (Описание и рисунок этого эталона желающие могут посмотреть в учебнике А.Н.Ремизова, стр. 502-504; фактически на практике чаще всего эталоном является специальная электрическая лампочка, проградуированная по основному эталону). Единица силы света в системе СИ называется кандела (кд) (по-русски – свеча). Из определения силы света ясно, что лм = кд • ср.

3. Яркость L . Любой источник излучения имеет какую-то площадь. (В данном случае мы имеем в виду не только самосветящиеся тела, но и тела, отражающие или рассеивающие свет, например, лист бумаги). Когда мы смотрим на такой источник света, площадь его изображения на сетчатке пропорциональна площади поверхности источника. При большой площади источника (и, соответственно, большой площади изображения) энергия света распределяется на большое число колбочек (или палочек), и на каждую колбочку приходится относительно небольшое энергетическое воздействие (другими словами, на каждую колбочку падает небольшое число квантов). Если же площадь источника мала, то весь световой поток распределится на гораздо меньшее число колбочек, и на каждую колбочку придётся гораздо большая энергия (много квантов). Ясно, что ощущение, получаемое человеком, будет в этих случаях совершенно разное. Представьте себе, например, две лампы, имеющие одинаковую силу света и находящиеся от нас на одинаковом расстоянии – лампочку накаливания и люминесцентный светильник. От обеих ламп в глаз попадает примерно одинаковый световой поток, но ощущение будет совершенно разное: на люминесцентный светильник можно совершенно спокойно смотреть, а на лампу накаливания не только неприятно глядеть, но даже можно испортить зрение. Причина разницы очевидна: площадь нити лампочки накаливания во много раз меньше, чем у трубки люминесцентной лампы. Исходя из подобных соображений, вводится величина, называемая яркостью.

Яркость L – это величина, равная отношению силы света источника излучения к площади поверхности источника:

(так как )

Единица яркости называется нит. Нит = кд • м^-2 .

Из сказанного ранее ясно, что именно яркость определяет наши световые ощущения. Если мы хотим исследовать реакцию зрительной сенсорной системы на свет, световой стимул наиболее правильно характеризовать именно его яркостью. Поэтому в биофизике зрения понятие яркости играет первостепенную роль. В частности, два источника света будут казаться нам одинаковыми, если у них одинаковые яркости; это широко используется в разнообразных методиках световых измерений.

Из естественных источников света наиболее ярким является Солнце. В ясный день его яркость около 10⁹ нит; на закате, когда значительно усиливается поглощение света в атмосфере, яркость Солнца уменьшается в сотни и тысячи раз. Огромна (до 10¹⁶ и более нит) яркость некоторых лазеров; это объясняется прежде всего тем, что излучение лазера распространяется в очень малом телесном угле (лучи почти параллельны).

4. Освещённость Е – это величина, равная световому потоку, падающему на единицу поверхности облучаемого объекта:

Единица освещённости называется люкс (лк). люкс = кд • ср • м^–2

Освещённость практически важна, в первую очередь, потому что она характеризует условия работы: при недостаточной освещённости человек плохо различает мелкие детали, и глаза быстро утомляются. По гигиеническим нормам для обычной трудовой деятельности (в том числе – в учебных помещениях) освещённость должна быть не менее 200 люкс.

Часто бывает полезна формула, связывающая освещённость в какой-то точке А с силой света источника I и расстоянием до него R (предполагается, что размер источника мал по сравнению с расстоянием до него). Если угол падения лучей равен α, то

Надо заметить, однако, что при расчёте освещённости в помещениях эта формула часто даёт сильно заниженные результаты, так как в любом помещении кроме прямых лучей от источника (лампы) всегда есть свет, рассеянный стенами, потолком и т.п.