Определение и задачи измерительной фотометрии
Измерительная фотометрия — раздел прикладной оптики, изучающий количественные характеристики света с точки зрения его восприятия человеческим глазом. В отличие от радиометрии, которая измеряет энергию излучения независимо от восприятия, фотометрия ориентирована на физиологическое ощущение яркости. Это требует использования специальных весовых функций, отражающих чувствительность глаза к различным длинам волн.
Целью измерительной фотометрии является точное определение световых характеристик источников, поверхностей и оптических систем в условиях, приближённых к реальному зрительному восприятию.
Основные фотометрические величины и единицы
В измерительной фотометрии используются следующие основные величины:
Световой поток (Φ) — полная световая энергия, излучаемая, передаваемая или получаемая в единицу времени. Измеряется в люменах (лм). Φ = ∫ L(λ) V(λ) dλ
Сила света (I) — поток на единицу телесного угла, измеряется в канделах (кд). I = dΦ / dΩ
Освещённость (E) — поток, приходящийся на единицу площади, измеряется в люксах (лк). E = dΦ / dA
Яркость (L) — сила света, приходящаяся на единицу площади, излучающей или отражающей поверхности в данном направлении. Измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м²). L = d²Φ / (dA cosθ dΩ)
Светимость (M) — световой поток, испускаемый с единицы площади поверхности, измеряется в лм/м².
Фотометрические величины определяются с учётом спектральной чувствительности человеческого глаза, выраженной стандартной функцией видимости V(λ).
Аппаратура для фотометрических измерений
Измерения в фотометрии требуют точных приборов, адаптированных к восприятию человека. Основные типы приборов:
Фотометрические головки — преобразуют свет в электрический сигнал. В состав входит фильтр, моделирующий спектральную чувствительность глаза (функция V(λ)), и фотоприёмник (например, фотодиод или термопара).
Люксметры — приборы для измерения освещённости. Используются в архитектуре, медицине, фотографии.
Сферические фотометры (интегрирующие сферы) — предназначены для измерения полного светового потока источников. Сфера с диффузно отражающей внутренней поверхностью обеспечивает равномерное распределение света внутри, что позволяет интегрировать весь излучённый поток.
Гониофотометры — измеряют распределение силы света по различным направлениям. Используются для построения диаграмм кривых силы света.
Спектрофотометры — приборы, сочетающие фотометрические и спектральные измерения. Применяются при определении цветовых характеристик.
Методы измерения
Фотометрические измерения могут быть:
Абсолютными — измерение с использованием эталонных источников света или приборов с известной калибровкой.
Относительными — измерение по сравнению с известным стандартом или источником. Применяется чаще, так как позволяет избегать необходимости в сложной поверке оборудования.
Дифференциальная фотометрия — используется при малых отличиях в освещенности. Измеряются разности потоков между двумя участками или источниками.
Интегральная фотометрия — измерение суммарного потока или яркости на площади или в объеме.
Спектральная фотометрия — фотометрия в узких диапазонах длин волн, с применением монохроматоров или фильтров. Необходима для исследования цветовых свойств и коррекции освещения.
Калибровка и эталонирование
Точность фотометрических измерений обеспечивается с помощью калибровки:
Первичные эталоны — абсолютные источники света, например, лампы с вольфрамовой нитью, работающие при точно известной температуре.
Вторичные эталоны — калиброванные относительно первичных. Это могут быть фотометрические головы, фильтры, светоизлучающие диоды с определённой кривой мощности.
Калибровка датчиков — включает спектральную коррекцию чувствительности, пространственную равномерность отклика и линейность в зависимости от потока.
Коррекция измерений
Реальные условия измерений вносят систематические ошибки, требующие коррекции:
Косинусная поправка — применяется при измерении освещённости. Идеальный сенсор должен иметь отклик, пропорциональный косинусу угла падения света. Отклонения компенсируются с помощью корректирующих фильтров или математической поправки.
Температурная компенсация — фотоприёмники могут изменять чувствительность при колебаниях температуры. Используются схемы температурной стабилизации или цифровые алгоритмы компенсации.
Спектральная коррекция — необходима, если спектральная чувствительность датчика отличается от функции V(λ). Используются корректирующие фильтры, аппроксимации или преобразования с учётом спектра источника.
Особенности измерений различных источников
Лампы накаливания — спектр близок к кривой Планка, фотометрические измерения надёжны, так как хорошо согласованы с функцией V(λ).
Газоразрядные источники — имеют линейчатый спектр. Необходима спектральная коррекция.
Светодиоды (LED) — узкий спектр, нестабильность потока при нагреве. Необходима температурная стабилизация и индивидуальная калибровка.
Лазеры — не поддаются классической фотометрии из-за монохроматичности и направленности. Оценка производится в радиометрических единицах с последующим пересчётом при известной длине волны.
Фотометрические модели и расчёты
Для расчёта фотометрических параметров применяются:
Закон обратных квадратов: E = I / r² Освещённость убывает пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.
Закон Ламберта: Яркость идеально диффузной поверхности постоянна во всех направлениях.
Формулы интегральной фотометрии — используются при расчётах общего освещения помещений, включают светоотдачу, коэффициенты отражения и рассеяния.
Кривые силы света — представляют распределение света в пространстве. Строятся по результатам гониофотометрии. Необходимы для проектирования систем освещения.
Современные тенденции
Современная измерительная фотометрия развивается в направлении:
Миниатюризации приборов — портативные люксметры, датчики освещённости в смартфонах.
Интеграции с цифровыми системами — фотометрические камеры, цифровые гониофотометры, автоматические системы управления освещением.
Высокоточной цветовой фотометрии — измерения в трёхкомпонентных системах (XYZ, RGB, Lab) с целью точной передачи цвета в дисплеях, печати, LED-освещении.
Фотометрии в биомедицине — оценка световых условий при диагностике, в операционных, для фототерапии.
Фотометрические стандарты
Работа в области измерительной фотометрии регламентируется:
Международной системой единиц (СИ) — определения люмена, канделы и производных единиц.
CIE (Международная комиссия по освещению) — определяет стандарты функций видимости, цветовые модели, нормы освещённости.
ГОСТ и ISO — стандарты фотометрических методов, требования к приборам и условиям измерений.
Фотометрия как измерительная наука занимает важнейшее место в физике света, визуальных технологиях и инженерии освещения, объединяя фундаментальные понятия с практическими задачами точных и воспроизводимых измерений.