Световые измерения. Визуальные величины

1. Криваявидности. Человеческий глаз является селективным приемником света. Это значит, что световые волны разных длин, имеющие одинаковую интенсивность, вызывают в глазу разные физиологические ощущения. Один свет, например зеленый, кажется ярким, а другой, например фиолетовый, кажется слабым, хотя энергетически они равноценны.

Селективными приемниками являются также фотоэлементы и фотопластинки. Поэтому для характеристики света с учетом его восприятия человеческим глазом нужны не энергетические величины, а другие, привязанные к свойствам человеческого глаза. Такие величины называются визуальными (от лат. visus - зрение).

С помощью специальных измерений, определив сравнительные критерии физиологического ощущения в глазу, можно установить зависимость чувствительности человеческого глаза к световым волнам определенных длин. Эта зависимость представляется графически в виде кривой видности (рис.9).

Значение чувствительности v_l принята за единицу при l = 555 нм. К свету с такой длиной волны глаз имеет максимальную чувствительность. При построении кривой видности лучи всех длин волн имеют одинаковую энергетическую интенсивность.

В таблице 3.1 представлены численные значения чувствительности среднего глаза v_l при монохроматическом освещении с длиной волны с шагом D l = 10 нм.

Таблица 3.1
l, нм	vl	l, нм	vl	l, нм	vl
400	0,0004	530	0,862	650	0,107
410	0,0012	540	0,954	660	0,061
420	0,0040	555	0,995	670	0,032
430	0,0116	550	1,000	680	0,017
440	0,023	560	0,995	690	0,0082
450	0,038	570	0,952	700	0,0041
460	0,060	580	0,870	710	0,0021
470	0,091	590	0,757	720	0,00105
480	0,139	600	0,631	730	0,00052
490	0,208	610	0,503	740	0,00025
500	0,323	620	0,381	750	0,00012
510	0,503	630	0,265	760	0,00006
520	0,710	640	0,175

2. Силасвета. Для построения системы визуальных единиц нужно ввести независимую единицу измерения – эталон, ориентированный на свойства человеческого глаза. Поскольку между всеми фотометрическими единицами есть однозначная связь, то такой основной величиной может быть любая – сила света, световой поток и другие. Приоритет при выборе отдается здесь простоте реализации.

В системе СИ основной визуальной единицей является единица силы света кандела (кд) (от лат. candela - свеча). Все визуальные величины обозначаются так же, как и соответствующие им энергетические. Визуальная сила света обозначается .

Кандела – это такая сила света, при которой яркость полного излучателя (оксид тория Th₂O₃) при температуре затвердевания платины (2046,6 К) равна в направлении нормали 60 канделам с одного квадратного сантиметра.

Термин «полный излучатель» означает, что излучатель подобен абсолютно черному телу.

Кандела – одна из 7 основных единиц в СИ (в их число входят метр, килограмм, секунда, моль, ампер, кельвин, кандела).

Таблица 3.2
Источник света	I, кд
Светлячок	0,01
Пламя свечи	1
Эл. лампа 100 Вт	103
Люминесцентная лампа 40 Вт	170
Электрическая дуга	10 000
Солнце

В таблице 3.2 приведены значения силы света некоторых источников.

3. СветовойпотокФ. Единица измерения светового потока люмен (лм) (от лат. lumen – свет). Связь между визуальными единицами такая же, как и между энергетическими. Поэтому, люмен – это световой поток, создаваемый равномерным точечным источником с силой света 1 кандела в единице телесного угла.

Для изотропного точечного источника Ф = I W. Следовательно, 1 лм = 1 кд×ср. Источник в 1 канделу создает вокруг себя световой поток 4 p = 12,57 лм.

Поскольку определен эталон силы света, то путем прямых измерений можно уста-новить, какая энергетическая мощность излучения соответствует световому потоку 1 люмен. При l = 555 нм 1 люмену соответствует поток энергии Ф₅₅₅ = 1,6×10^-3 Вт ç лм. Для других длин волн поток энергии Ф _l, соответствующий 1 люмену, больше, . (3.1)

Этот соответствующий 1 люмену поток Ф называется механическим эквивалентом света. Величина, обратная механическому эквиваленту света определяет световую эффективность потока излучения. .                                                     (3.2)

Очевидно, при l = 555 нм 1 ç Ф _l = 1 ç 1,6×10^-3 = 625 лм ç Вт. С уходом от l = 555 нм в обе стороны световая эффективность потока излучения уменьшается в соответствии с кривой видности v_l, которая в формулах (3.1) и (3.2) есть ордината кривой видности (рис.9).

4. Световаяяркостьповерхности В. В отличие от энергетической яркости будем говорить в дальнейшем просто яркость. Единица яркости в СИ – кандела на квадратный метр (кд/м²). Это яркость плоской поверхности, создающей в перпендикулярном направлении силу света в одну канделу с каждого квадратного метра. Эту единицу называют также нит (нт) (от лат. niteo - блещу).

Единица яркости стильб (сб) (от греч. stilb’o – сверкаю) соответствует при тех же условиях силе света в 1 кд с квадратного сантиметра. Очевидно, 1 сб = 10⁴ кд ç м².

Таблица 3.3
Светящаяся поверхность	B кд | м2
Ночное небо	0,0001
Снег в безлунную ночь	0,0005
Снег в полнолуние	5
Планета Юпитер (ночью)	500
Планета Марс (ночью)	2 000
Диск полной Луны	2 500
Пламя стеариновой свечи	5 000
Люминесцентные лампы	8 000
Планета Венера (ночью)	30 000
Нить накаливания в эл. лампах
Солнце в зените

В таблице 3.3 приведены значения яркости некоторых поверхностей.

Источники света, яркость В которых не зависит от направления излучения, также называются ламбертовыми. Однородный светящийся шар с ламбертовой поверхностью кажется одинаково ярким в середине и по краям. Таким источником света является, например, Солнце.

5. Светимостьповерхности R. Единица светимости в СИ – люмен на квадратный метр (лм/м²). Светимость 1 лм/м² соответствует излучению с единицы поверхности (с 1 м²) в телесном угле W = 2 p стерадиан светового потока 1 лм.

Все формулы, определяющие соотношения между энергетическими величинами (§2), остаются справедливыми и для визуальных величин. Поэтому связь светимости R матовой излучающей поверхности с яркостью B этой поверхности так же определяется формулой (2.22): R = pB. Умножив значения яркостей различных светящихся поверхностей, приведенные в таблице 3.3, на число p = 3,14, получаем светимости R этих поверхностей.

6. Освещенность E. Единица освещенности в СИ – люкс (лк). Это – освещенность, создаваемая световым потоком 1 лм, равномерно распределенным по площади 1 м².

Освещенность 1 лк создается изотропным точечным источником с силой света 1 кд на внутренней поверхности шара радиусом 1 м, если он помещен в центре шара.

Таблица 3.4
Поверхность	E, лк
Земля в безлунную ночь	0,001
Земля при полной Луне	0,25
Учебный стол в классе	150
Пол в операционной	200
В полдень под Солнцем	100 000

Примеры освещенности некоторых поверх-ностей приведены в таблице 3.4.

Измеряется освещенность с помощью фотоэлектрических люксметров. Измерительными датчиками этих приборов является фотоэлемент – пластинка с покрытием из полупроводника, способного вырабатывать электрический ток за счет энергии падающего на фотоэлемент светового потока.

При измерении освещенности, создаваемой люминесцентными лампами, такие люксметры обычно завышают показания. Это объясняется тем, что в спектре ртутных паров, использующемся для возбуждения люминесценции, велика интенсивность фиолетовых лучей. Глаз к ним малочувствителен, а фотоэлемент под действием этих лучей вырабатывает значительный ток. Поэтому для правильной оценки освещения от люминесцентных ламп показания фотоэлектрического люксметра следует уменьшить в 2 раза.

7. Энергетическиеивизуальные величины сведены в таблице 3.5. Из энергетических величин только интенсивность светового потока не имеет формального аналога среди визуальных величин. Однако численно она равна яркости светящейся поверхности, излучающей такую волну. Поэтому вместо «интенсивность светового потока» говорят часто «яркость светового потока».

Таблица 3.5
Энергетические величины	Обозн	Единица измерения	Визуальные величины	Обозн.	Единица измерения
1. Интенсивность	Is	Вт | м2	–	–	–
2. Поток энергии	Ф	Вт	Световой поток	Ф	лм
3. Сила излучения	I	Вт | ср	Сила света	I	кд
4. Энергетическая яркость	B	Вт | ср×м2	Яркость	B	кд | м2
5. Энергетическая светимость	R	Вт | м2	Светимость	R	лм | м 2
6. Энергетическая освещенность	E	Вт | м2	Освещенность	E	лм | м 2

8. Фотометрия ( световыеизмерения ). Различают объективные фотометрические измерения, выполняемые с помощью приборов, например фотоэлементов, без участия глаза, и субъективные, или визуальные, выполняемые с помощью глаза.

Визуальные измерения построены, в основном, на способности глаза с большой точностью устанавливать равенство освещенностей двух соприкасающихся поверхностей. Для достижения равенства освещенностей от двух сравниваемых источников применяются различные ослабители светового потока – поглощающие клинья, диафрагмы, поляризационные призмы.

Схема простейшего фотометра показана на рис.10. Здесь S ₁ и S ₂ – сравниваемые источники света, Кл1 и Кл2 – фотометрические клинья.

Если источники S ₁ и S ₂ точечные, а прибор расположен на оптической скамье, то фотометр позволяет сравнивать силы света источников и без специальных ослабителей на основе закона освещенности. При равенстве освещенностей граней призмы фотометра получаем: .

Если источники не точечные или неподвижны, то величины световых потоков от них изменяются с помощью заранее проградуированных поглощающих клиньев, как на рис.10, или с помощью диафрагм, изменяющих сечение пучков.