ФОТОМЕТРИЯ ОБЩИ МЕТОДИ НА ФОТОМЕТРИЯ - Collier’s Dictionary - Bulgarian
Към статията ФОТОМЕТРИЯ
Има два основни метода на фотометрия: 1) визуална фотометрия, при която способността на човешкото око да възприема разликите в яркостта се използва за изравняване на яркостта на две полета за сравнение чрез механични или оптични средства; 2) физическа фотометрия, при която различни приемници на светлина от различен вид се използват за сравняване на два източника на светлина - вакуумни фотоклетки, полупроводникови фотодиоди и др. И при двата метода, за да бъдат резултатите с универсална валидност, условията на наблюдение (или инструментите) трябва да са такива, че фотометърът да реагира на различни дължини на вълната точно като CIE "стандартния наблюдател". Също така е важно светлинната мощност на лампата да не се променя по време на измерването. За стабилизиране и измерване на ток и напрежение при такива условия обикновено е необходимо доста сложно електрическо оборудване. При най-точните фотометрични измервания е необходимо да се стабилизира токът през лампата с точност от (2 - 3) × 10-3%.
Визуална фотометрия. Историята на визуалната фотометрия започва с П. Бугер (1698-1758), забележителен учен, който през 1729 г. изобретява метод за сравняване на два светлинни потока и формулира почти всички основни принципи на фотометрията. И. Ламберт (1728-1777) допълнително систематизира теорията на фотометрията и нейното по-нататъшно развитие протича главно в посока на подобряване на методите. Понастоящем визуалната фотометрия се използва ограничено - при измерване на много слаби светлинни потоци, когато е трудно да се интерпретират еднозначно резултатите от физическата фотометрия. Факт е, че при нива на яркост в диапазона от 0,01-1 cd / m2, спектралната чувствителност на окото плавно се променя от съответната адаптация към светлина (дневна светлина,или фотопичен) към съответната тъмна адаптация (супер или скотопичен) и следователно е невъзможно да се предскаже каква трябва да бъде спектралната чувствителност на физически (електрически) фотометър, за да се осигури съответствие с възможните резултати от визуалната фотометрия. Правилната техника за този диапазон на яркост е визуално сравняване със светлинен източник, чието енергийно разпределение съответства на високотемпературното кухо тяло, което се появява в дефиницията на канделата. (За такъв източник на светлина може да служи електрическа лампа с нажежаема жичка с определена сила на тока.) При много ниски нива на светлинните потоци се използва вторият (здрач) стандарт, приет с международно споразумение през 1959 г., който позволява да се правят фотоелектрични измервания без никакви неясноти.
Визуално е невъзможно да се определи колко яркостта на една повърхност е по-голяма от яркостта на друга. Но ако две повърхности са непосредствено съседни една на друга, тогава чрез изчезването на разделителната линия между тях равенството на тяхната яркост може да се установи визуално с точност от 1% и дори по-точно. Много различни устройства са разработени за генериране на такива полета за сравнение; един от тях, т.нар. кубът Lummer-Brodhun е показан на фиг. 2а. Това са две тристенни оптични стъклени призми, подредени една върху друга, като контактната повърхност на едната призма е леко заоблена. Поради тази закръгленост, призмите имат само частичен оптичен контакт, през който светлината може да премине директно. Но в онези места, където лицата на призмите не се докосват, светлината се отразява напълно. Често е желателно светлината от два източника да пада на противоположни страни и следователно схеми като тези, показани на фиг. 2б. Наблюдател, гледащ в микроскоп с малъкувеличение, вижда полетата за сравнение, показани на фиг. 2, в.
За да постигнете еднаква яркост на двете сравнителни полета, трябва да регулирате светлинния поток на поне един от сравняваните светлинни източници. При лабораторни измервания сравняваните лампи са фиксирани в държачи, които могат да се движат по водача. Такъв водач, прав и достатъчно твърд, се нарича фотометрична пейка. Фотометричната глава (от вида, показан на фиг. 2b) е монтирана неподвижно. Ако едната лампа е фиксирана на разстояние x1 (фиг. 3) от екрана, а другата е отдалечена на разстояние x2 и яркостта на сравнителните полета е еднаква, то съотношението на интензитетите на светлината I1 и I2 на двете лампи се определя от равенството I1 /x12 = I2 /x22.
Това равенство изразява т.нар. Законът на I. Кеплер за обратно квадратните разстояния (1604), който е основният закон на фотометрията. Съгласно този закон, ако яркостта на двете сравнителни полета е еднаква, тогава светлинният интензитет на двете лампи е обратно пропорционален на квадратите на разстоянията от съответните лампи до екрана на фотометъра. Лесно е да се провери валидността на това съотношение, като се изследва светлинна пирамида с лампа на върха (фиг. 4). Светлината, преминаваща през секция А на пирамидата на единица разстояние от лампата, ще бъде разпределена върху площ 4А на два пъти по-голямо разстояние, върху зона 9А на три пъти по-голямо разстояние и т.н. Единственото условие за приложимостта на този закон е размерът на източника да е малък спрямо разстоянието.
При някои специални измервания се използват други средства за промяна на яркостта на сравнителното поле, например поляризатор с анализатор, който поляризира и отслабва предавания светлинен поток според относителната им ориентация, сиви стъклени клинове и бързо въртящи се дискове със секторни разрези ("въртящи се сектори"). Дисковете са оформениработно колело на плосък вентилатор. Ако дискът се върти достатъчно бързо, така че да не се забелязва трептене, тогава светлината се отслабва пропорционално на частта от пълния кръг, която е в разрезите на сектора. Какъвто и начин да изберете да регулирате яркостта, важно е да се променя само яркостта, а не цвета на полето.
По отношение на източници на светлина с различни цветове е установено, че ако цветовете се различават повече или по-малко забележимо, тогава резултатите от сравнението стават субективни и могат да се променят дори за един и същ наблюдател. В този случай точността на визуалната фотометрия е значително намалена.
Физическа фотометрия. Началото на физическата фотометрия е положено от Дж. Елстер и Г. Геител, които през 1889 г. откриват фотоелектричния ефект. През 1908 г. С. Фери разработва електрически фотометър, чиято чувствителност към различни дължини на вълните е близка до тази на човешкото око. Но едва през 30-те години на миналия век, след усъвършенстването на вакуумните фотоклетки и изобретяването на селеновия фотодиод, физическата (електрическа) фотометрия става широко използван метод, особено в индустриалните лаборатории.
Електрическите фотодетектори, използвани във физическата фотометрия, не реагират на светлина с различни дължини на вълната точно според стандарта CIE. Следователно те изискват светлинен филтър - внимателно изработена пластина от цветно стъкло или цветен желатин, която да пропуска светлина с различни дължини на вълната, така че фотодетекторът със светлинен филтър да съответства възможно най-близо на "стандартния наблюдател". Трябва да се има предвид, че ако светлинните потоци, които се различават по цвят, се сравняват с помощта на такова устройство, тогава резултатите от сравнението са само условно правилни. Всъщност е невъзможно да се гарантира, че ще се появят източници, чиято яркост е същата като преценената въз основа на справката на CIEеднакво ярки за всеки човек. Изборът на знак за яркост от общия вид на различно оцветени светлинни източници е акт на умствена абстракция, който дори при един и същи индивид протича по различен начин в различно време и следователно, в случаите, когато се изискват числени оценки, е необходима стандартизирана техника за измерване.
Фотодиодът (понякога наричан вентилна фотоклетка) е метална пластина, върху която е отложен тънък слой от полупроводников материал (например селен с тънък слой от злато или друг неокисляващ метал, отложен отгоре) (фиг. 5). Дебелината на фолиото е избрана така, че да провежда електричество, но да е прозрачно и да пропуска светлина. Светлината, падаща върху селен, кара свободните електрони да се отклоняват, което зарежда металния филм отрицателно по отношение на селена.
Ако към такъв фотодиод се прикрепи микроамперметър с ниско съпротивление, тогава показаният от него ток ще бъде почти строго пропорционален на осветеността на фотодиода. Ако съпротивлението на веригата е високо, тогава тази пряка пропорционалност се нарушава и в лабораторни условия се използват специални вериги, които симулират нулево външно съпротивление. Във фотографските експонометри се използва проста комбинация от фотодиод с микроамперметър.
На фотометричната пейка на фиг. 3 вместо визуален фотометър можете да инсталирате фотодиод. Освен това можете да инсталирате два фотодиода един до друг, обърнати в противоположни посоки, и да измерите разликата в техните токове. В това изпълнение лампа 1 служи като лампа за сравнение и остава на място по време на експеримента, а лампата, която ще се сравнява, се настройва на позиция 2, след което се премества така, че текущата разлика да е нула.
Има светломери, състоящи се отфотодиод, коригиращ филтър и микроамперметър, широко използвани от осветителни инженери и други специалисти. По-специално, фотодиодът с коригиращ филтър се използва за рутинни фотометрични измервания от всякакъв вид във фабричните лаборатории. Ако точността от 1-2% е приемлива и интензитетът на светлината е достатъчно висок, тогава такива устройства могат да се управляват без никакви затруднения.
При слаби източници на светлина, както и в случаите, когато се изисква повишена точност и по-надеждна калибровка, фотометристите се обръщат към вакуумните фотоклетки. Такава фотоклетка има фотокатод под формата на метална пластина, обикновено покрита с един или повече тънки слоеве от метали и техните оксиди, и втори електрод - анод, като и двата са в стъклен съд с висок вакуум. Когато светлина с дължина на вълната надвишава определена "прагова" стойност (в зависимост от материала на фотокатода) попадне върху фотокатода, електроните се избиват от него. Ако фотоклетката е свързана последователно с батерията и чувствителен измервателен уред, както е показано на фиг. 6, тогава електроните, освободени от катода, ще бъдат привлечени към анода. Потокът от такива електрони, а оттам и токът във веригата, е пропорционален на осветеността.
Вместо измервателен уред може да се използва електронен усилвател и тогава слабите токове ще бъдат усилени. Можете също да добавите допълнителни усилващи етапи; внимателно проектиран апарат от този вид прави възможно измерването на светлината на звезди, твърде слаба, за да се види с невъоръжено око. За да се повиши чувствителността и стабилността на измерванията, пред фотоклетката може да се монтира въртящ се светлинен прекъсвач, който да усилва произтичащия променлив ток. Този метод е особено ефективен, ако токът, който се усилва, се коригираточен синхрон с прекъсвача. Това ви позволява да потискате шума на електронната верига и други смущения.
За да усилите тока, можете да направите без външен усилвател, ако използвате феномена на вторична електронна емисия. Подходящите устройства се наричат фотоумножителни тръби (ФЕУ); някои видове фотоумножители са показани схематично на фиг. 7. Електроните, освободени от фотокатода, се привличат към първия от серия електроди, наречени диноди. Всеки от тях е под по-високо напрежение от предишния. Електрон, падащ върху динод, освобождава няколко вторични електрона; вторичните електрони отиват към следващия динод и всеки освобождава още няколко електрона и т.н. Средното съотношение на броя на излъчените електрони към броя на падащите (усилване) може лесно да се регулира чрез промяна на напрежението между съседни диноди. Коефициентът на усилване може да достигне милион и повече, като ограничението се дължи само на факта, че определен брой електрони се освобождават от фотокатода дори на тъмно и те се размножават по същия начин като останалите.
Никоя фотоклетка или фотоумножителна тръба няма спектрална крива на чувствителност, която да съответства точно на кривата на чувствителност на окото. Спектралната чувствителност зависи от материала на фотокатода. Следователно, в случаите, когато е необходимо да се сравнят светлинните потоци от различни цветове, е необходим светлинен филтър, а изчисляването и калибрирането на светлинния филтър за точна фотометрия може да съставлява по-голямата част от разходите за оборудване.
Измерване на светлинния поток. Една от характеристиките на лампата или осветителното тяло, от които се нуждае инженерът по осветление, е общото количество светлина, което излъчва. Само чрез измерване на тази стойност е възможно да се определи относителната ефективност на осветителните устройства.Има два значително различни начина за измерване на общия светлинен поток: гониометричен метод и метод на "интегрираща сфера" ("сфера на Улбрихт").
Гониометърът е устройство, което ви позволява да измервате осветеността, произведена от лампа във всяка желана посока. Лампата е или неподвижна, или се върти около вертикална ос, така че разпределението на светлината на лампата да не се променя. Затова в края на дълъг осцилиращ държач се закрепва фотометър (обикновено фотоелектричен) или се използват подвижни огледала. За да се избегнат големи корекции, разстоянието от лампата до фотометъра се избира с порядък по-голям от максималния размер на лампата; следователно, гониометър за големи флуоресцентни лампи заема много място. След като се измери осветеността в много посоки, се изчислява общият светлинен поток.
Интегриращата сфера (фиг. 8) е куха сфера, боядисана отвътре с матова бяла боя. Вътре в сферата е окачена лампа или арматура с екран, който я покрива от страната на малък прозорец от опалово стъкло (чието осветяване се измерва). Вътре също е окачена стандартна лампа (чийто светлинен поток е точно измерен с помощта на гониофотометър), затворена с екрани от страната на първата лампа и прозореца. Осветеността на прозорец с една или друга включена лампа е пропорционална на общия му светлинен поток (с изключение на корекциите, които са значителни, когато лампите имат различни размери или форми или забележимо се различават в цвета на излъчваната светлина).
Специални фотометри. В допълнение към разглежданите устройства има специални фотометри за измерване на яркостта на повърхностите, коефициентите на пропускливост и отражение на различни проби, характеристиките на ретрорефлекторите (боя за пътна маркировка, пътни знаци), улично осветление и др. Вижте същоЕЛЕКТРИЧЕСКО ОСВЕТЛЕНИЕ .