Лекция № 10. Световые измерения

Одним из средств повышения производительности труда, создания комфорта в помещении для отдыха и обеспечения безопасности труда является правильное освещение. Правильность освещения означает соответствие нормам освещённости и рекомендациям эргономики по использованию света и цвета в оформлении рабочего места и в быту. Для выполнения этих рекомендаций необходимо знать соответствующие световые и цветовые величины, единицы их измерений и принципы работы приборов и датчиков контроля освещённости.

Свет – электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемом человеческим глазом (f = 7, 5·10¹⁴ – 4, 0·10¹⁴ Гц). Этот интервал соответствует длинам волн в вакууме λ = с/f = 400 – 760 нм (с – скорость света). Длина волны 400 нм принимается за фиолетовую границу области видимого света, а 760 нм считается красной границей. Этот диапазон воспринимаемого глазом света относится к умеренным интенсивностям света, то-есть к тем, с которыми человек имеет дело постоянно. Свет очень высокой интенсивности глаз воспринимает в несколько более широком диапазоне длин волн.

Для измерения интенсивности света как электромагнитных волн используются энергетические величины и единицы измерения. Энергия электромагнитных волн или лучистая энергия измеряется в системе СИ в джоулях. Мощность электромагнитных волн – соответственно в ватах. Поток мощности во фронте световой волны, приходящийся на единицу площади, измеряется в Вт/м².

Световые величины –это характеристики процессов излучения и распространения света, определяемые по действию лучистой энергии на глаз, то-есть по зрительному ощущению воспринимаемого излучения. А это ощущение меняется количественно и качественно в зависимости от мощности лучистой энергии (т.е. от величины, измеряемой в энергетических единицах – Дж, Дж/м², Вт, Вт/м² и т.д.) и от характера распределения лучистой энергии по длинам волн.

Световые единицы характеризуют либо источник света как осветитель, либо освещённую поверхность. Основная световая величина – световой поток Ф. В международной системе единиц СИ эта величина измеряется в люменах – лм. Этой единице соответствует энергетическая единица мощности излучения – Вт, а коэффициент их связи определяется спектральным составом излучения. Производными световыми величинами и единицами их измерения являются – светимость поверхности самосветящегося источника лм/м², освещённость Е (лм/м² или люкс – лк), сила света источника I (единица силы света – кандела кд), яркость В источника в заданной точке и в заданном направления (кд/м²).

Светимость и освещённость имеют одинаковые размерности, но надо помнить, что эти единицы относятся к разным физическим величинам. Представим себе источник света в виде сферы радиуса r, например, матовый сферический плафон. Тогда можно говорить о светимости М единицы площади сферы, как об отношении светового потока Ф к площади участка сферы, испускающего этот поток.

Светимость в этом случае зависит от интенсивности излучения лампочки внутри плафона и радиуса плафона. Другой пример, когда на поверхность приходит расходящийся поток света Ф. Тогда освещённость площадки dS равна E = dФ/ dS и в рассматриваемом случае зависит не только от интенсивности источника света, но и от расстояния до освещаемой поверхности и угла падения света на поверхность. Именно эта величина измеряется в люксах.

Сила света I – это отношение светового потока к телесному углу, в котором он распространяется.

В случае распространения света от точечного источника равномерно во все стороны телесный угол составляет 4π стерадиан. Поэтому . Если световой поток выражен в люменах, то сила света источника – в канделах. Кандела – одна из семи основных единиц системы СИ и была реализована в виде эталона. Эталон канделы – это один из многих эталонов световых величин. Световые эталона – устройства для воспроизведения, хранения и передачи световых единиц рабочим средствам измерений, обеспечивающие единство световых измерений с наивысшей достижимой точностью. В качестве эталона канделы применяется излучатель типа абсолютно чёрного тела, которым служит тигель с расплавленной платиной при температуре её замерзания Т = 2042 К. Эта температура, кстати, является одной из реперных точек международной практической температурной шкалы МПТШ – 68.

Согласно определению, принятому в 1979 г. Международным комитетом по световым стандартам, кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой f = 5, 4·10¹⁴ Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении равна 1/683 Вт/ср. Данная частота f соответствует длине волны излучения 555 нм. Новое определение канделы установило её связь с ваттом монохроматического излучения вне зависимости от способа воспроизведения единицы силы света.

Яркость В – это отношение силы света I в данном направлении к площадке, перпендикулярной к этому направлению.

Получающаяся величина имеет размерность кд/м² и называется нит. Для нахождения освещённости Е, создаваемой точечным источником с силой света I на расстоянии r от него применяется формула

В световых расчётах применяется также величина – количество освещения, которое есть произведение освещённости на время экспозиции (лк·с).

Как следует из определения канделы, связь световых единиц с энергетическими устанавливаются при длине волны монохроматического излучения λ = 0, 555 мкм, которая соответствует максимуму спектральной чувствительности усреднённого человеческого глаза. Многочисленные исследования восприятия света человеком позволили определить спектральную световую эффективность К(λ) монохроматического излучения на различных длинах волн. К(λ) – это отношение светового потока на длине волны λ к соответствующему потоку энергии излучения. Зависимость К(λ) имеет максимум при длине волны 555нм при дневном освещении. Этот максимум имеет значение 683 лм/Вт. Спектральную световую эффективность К(λ) нормируют (делят) на величину К(λ _m) в максимуме и получают относительную спектральную световую эффективность V(λ) Часто эту величину называют относительной видностью монохроматического излучения с длиной волны λ. V(λ) имеет смысл относительной спектральной чувствительности зрительной системы человека, определяемой как отношение двух потоков излучения, соответственно с длинами волн λ и λ _m, вызывающих одинаковые по уровню зрительные ощущения. При практическом определении функции V(λ) для усреднённого человеческого глаза поступают следующим образом. Так как сравнение яркости излучений далёких друг от друга длин волн затруднительно для человека, то для определения V(λ) обычно

Рис. Относительная спектральная световая эффективность V(λ): 1 – при дневном освещении, 2 – при сумеречном зрении

применяют «метод малых ступеней». Это означает попарное сравнение излучений столь близких длин волн, чтобы разница в цветности не затрудняла сравнения яркостей.

Относительная спектральная световая эффективность одобрена для применений в световых измерениях в 1924 г. Международной комиссией по освещению (МКО). Таблица значений функции V(λ) имеет статус стандарта ГОСТ 8.332 – 72. Приёмник излучения, обладающий относительной спектральной чувствительностью, совпадающей с V(λ), называется стандартным фотометрическим наблюдателем МКО.

Пример светотехнического расчёта с участием функции V(λ). Если источник излучения имеет произвольное распределение энергии e(λ), то яркость излучения рассчитывается по формуле

На рисунке обозначена цифрой 2 кривая V^I(λ) для сумеречного освещения, которая иллюстрирует эффект Пуркинье. Эффект Пуркинье состоит в кажущемся изменении яркости различно окрашенных предметов при изменении их освещения. Это явление обусловлено физиологией зрения. При дневном освещении (Е не менее 100 лк) в глазе функционируют в основном колбочки, максимум чувствительности которых лежит вблизи 0, 56 мкм. При сумеречных освещённостях (Е < 0, 01 лк) работают только палочки, относительная спектральная чувствительность которых сдвинута в коротковолновую область на 0, 05 мкм. Соответственно, красная и голубая поверхности, которые днём представляются одинаково яркими, в сумерках резко различаются по яркости. Голубая поверхность кажется почти белой, а красная – почти чёрной.

Для измерения светотехнических величин - освещённости, силы света, светового потока, яркости, коэффициентов пропускания и отражения – используются фотометрические приборы.

Освещённость поверхностей измеряется люксметрами, построенными по фотоэлектрической схеме. Приёмник люксметра представляет собой обычно фотоэлемент, фототок которого измеряется микроамперметром, проградуированным в люксах. Поскольку спектральная чувствительность фотоэлемента отличается от функции V(λ), т о люксметры снабжены корректирующими светофильтрами.

Световой поток измеряется с помощью шарового фотометра. Для измерения силы света используется фотометрическая скамья. Яркость измеряют яркомером. Коэффициенты пропускания и отражения света различными поверхностями определяются расчётным путём по результатам измерения освещённости и яркости.

Для измерения силы света в лабораторных условиях применяют фотометрическую скамью

Фотометрическая скамья состоит из двух направляющих длиной от 3 до 5 метров, на которых устанавливаются источники света, а также экраны, которые защищают фотометр от постороннего света. При измерении силы света лампы 1 уравнивают световые потоки, приходящие на фотометрическую головку от ламп 1 и 2, меняя расстояния Х₁ и Х₂. Сравнение силы света источников на фотометрической скамье проводят либо визуально, либо с использованием фотоприёмников. При визуальной регистрации в окуляр зрительной тубы, направленной на освещённую лампами 1 и 2 призму, сравнивают освещённость двух белых смежных граней призмы. При уравнивании световых потоков от двух ламп сила света I₁ лампы 1 равна

Световой поток, создаваемый источником излучения, измеряется шаровым интегрирующим фотометром. Он называется так потому, что суммирует световой поток, излучаемый источником во все стороны. Для измерения светового потока источник света помещается внутрь шара, стенки которого покрыты белой диффузно отражающей свет краской. В стенке фотометра имеется маленькое окошко, за которым располагается фотоприёмник. Свет от источника создаёт внутри шара освещённость Е, которая равна:

, где R – радиус шара, ρ – коэффициент отражения света поверхностью сферы. Таким образом, освещённость Е пропорциональна общему световому потоку источника света Ф. Световой поток измеряемого источника света определяется путём сравнения его с потоком от образцовой лампы. Сравнение проводится по величине тока, создаваемого в фотоприёмнике. Шаровой фотометр применяется также для измерения коэффициентов отражения и пропускания прозрачных материалов. При этом сфера должна иметь второе окно, к которому прикладывается измеряемый образец.

Измерение яркости объектов производится прибором яркомером. Это тоже прибор, в котором излучение регистрируется фотоприёмником. Обычно люксметры снабжаются окошком, которое необходимо устанавливать на определённом расстоянии от светящейся поверхности, чтобы измерить её яркость. Получается люксметр- яркомер. Например, таким прибором измерят яркость дисплеев.

Градуировка фотометров проводится по образцовых светоизмерительным лампам. Для ослабления светового потока применяются ослабители в виде стеклянных или кварцевых пластинок, на которые нанесены напылением тонкие металлические плёнки, частично пропускающие свет. На одной пластинке бывает 3, 7 и более ступеней ослабления света. Такие серые (т.е. не обладающие избирательностью по длинам волн) фильтры называются ступенчатыми ослабителями. Кроме того, для ослабления света часто применяются быстро вращающиеся диски с прорезями. Степень ослабления определяется отношением суммарной площади прорезей к полной площади диска, освещённой пучком света за один оборот.