ЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ И ФОТОМЕТРИЯ

Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Основы светотехники и фотометрия»

для специальности 330540- Светотехника и источники света

Алматы 2004

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебно-методической работе

_______________Э.А. Сериков

“___”___________2004 г.

ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ И ФОТОМЕТРИЯ

Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Основы светотехники и фотометрия»

для специальности 330540- Светотехника и источники света

СОГЛАСОВАНО Рассмотрено и одобрено на

Начальник УМО заседании кафедры ЭПП

___________О.З. Рутгайзер Протокол № _______

“___”__________2004г. от “___”___________2004г.

Редактор Зав.кафедрой ЭПП,

___________ Ж.М. Сыздыкова доцент

“___”__________2004г. ___________А.С. Маркус

Специалист по стандартизации

___________ Н.М. Голева

“___”__________2004г.

Составитель: Старший преподаватель

кафедры ЭПП

___________А.С. Алданова

Алматы 2004

СОСТАВИТЕЛЬ: А.С.Алданова. Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ по курсу «Основы светотехники и фотометрия» для специальности 330540 - Светотехника и источники света. – Алматы: АИЭС, 2004.- 37 с.

Методические указания соответствуют курсу «Основы светотехники и фотометрия», включают задания на выполнение лабораторных работ, краткие теоретические сведения, исходные данные, указания и перечень рекомендуемой литературы.

Методические указания предназначены для студентов специальности 330540 – Светотехника и источники света.

Ил. 19, табл.3, библиогр. - 20 назв.

Рецензент: д-р. техн. наук, проф. Мукажанов В.Н.

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2004 год.

Содержание

Введение	4
1 Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик теплового излучения источников света	4
2 Лабораторная работа № 2. Исследование спектрального состава излучений источников света различных типов	14
3 Лабораторная работа № 3. Исследование световых характеристик излучения и интегральных характеристик светового поля	22
4 Лабораторная работа № 4. Цветовые расчеты источников света в системе XYZ	31
Список литературы	40

Введение

Согласно учебному плану студенты специальности 330540 – Светотехника и источники света изучают курс «Основы светотехники и фотометрия», в котором предусмотрено выполнение лабораторных работ, предполагающих закрепление студентами пройденных разделов дисциплины.

1 Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик теплового излучения источников света

1.1. Цель работы: Изучение законов теплового излучения. Ознакомление с методом измерения яркостной температуры. Определение зависимости яркостной температуры исследуемых источников излучения от уровня напряжения.

1.2. Краткие теоретические сведения

Излучение - это испускание электромагнитной энергии природными телами или искусственно созданными устройствами - источниками излучения. Наиболее распространенными источниками излучения являются нагретые тела.

Тепловое излучение возникает в результате изменения внутренней энергии атомов и молекул, входящих в состав излучающего тела, причем внутренняя энергия этих элементарных частиц, уровень их возбуждения зависят от температуры нагретого тела: чем больше температура, тем больше энергия излучающих частиц, поэтому тепловое излучение часто называют температурным. Для того чтобы тепловое излучение тела происходило непрерывно, к телу извне должна подводиться энергия, превращающаяся в тепловую. Пополнение тепловой энергии излучающего тела может осуществляться за счет различных процессов (прохождение электрического тока, химическая реакция и т.п.). При этом с телом не должно происходить никаких физических или химических изменений. Его излучение в этом случае характеризуется только одной физической величиной - температурой. При нарушении баланса между получаемой телом энергией и ее излучением температура тела понижается или повышается. Это приводит к остыванию или нагреванию тела, т.е. к изменению температуры.

Электромагнитное излучение, испускаемое телом и возникающее в результате теплового возбуждения частиц вещества (атомов, молекул, ионов) за счет изменения его внутренней энергии, не сопровождающееся никакими физическими или химическими изменениями в теле, называется тепловым или температурным. Источник теплового излучения называется тепловым излучателем.

При изучении излучения нагретых тел их температуру измеряют в градусах абсолютной шкалы температур - градусах Кельвина (К). Температура обозначается буквой Т и связана с температурой в градусах Цельсия следующим равенством: .

Излучение видимой области спектра испускается телами, имеющими высокие температуры. При низких температурах наблюдаются люминесценция и электрический разряд в газах. Как известно, каждое из излучений характеризуется своим спектром. Температурные спектры излучения твердых и жидких тел, а также газов, сжатых при больших давлениях, являются сплошными. Линейчатые спектры излучения дают раскаленные газы и пары, а также электрические разряды в газах. Атомы разных элементов имеют характерные линейчатые спектры. Излучение молекул и люминесценция характеризуются полосатыми спектрами.

Тепловой излучатель, полностью поглощающий все падающие на него излучения, называется черным телом. Излучение реальных тел как интегральное, так и в любом спектральном интервале всегда меньше излучения черного тела при той же температуре. Поэтому черное тело иногда называют полным излучателем.

Излучение реальных тел характеризуют эквивалентными температурами. Например, для определения температуры раскаленных металлов используется метод эквивалентных температур. Эквивалентными температурами называются температуры черного тела, при которых его излучение по некоторым определенным характеристикам совпадает с излучением реальных тел. Параметры излучения, на основе которых определяются эквивалентные характеристики, следующие: плотность потока излучения с поверхности нагретого тела - энергетическая светимость; яркость излучения в узкой области спектра и цветность излучения.

Радиационная температура T_R — такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость равна энергетической светимости исследуемого тела, имеющего истинную температуру Т. Закон Стефана—Больцмана гласит, что интегральная энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры:

где Вт/(м²·К⁴).

Связь T_R с истинной температурой тела Т можно установить с помощью закона Стефана - Больцмана:

; .

Так как ε_e(T) < 1, то T>T_R. Чем больше температура тела, тем ближе его T_R к температуре черного тела.

Закон Планка определяет зависимость спектральной плотности энергетической светимости черного тела от длины волны и температуры:

где , - постоянные, определенные М. Планком исходя из квантовых представлений;

h=6,626×10^-34 Дж·с - постоянная Планка;

с=2,998×10⁸ м/с - скорость света в вакууме;

k= 1,381×10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана, откуда

С₁=3,742×10^-16 Вт·м² и

С₂=1,4388×10² м·К.

Измерения T_R осуществляются радиационными пирометрами или, так называемыми, пирометрами суммарного излучения. На рисунке 1 приведена схема пирометра для измерений полной энергии излучения. В качестве приемников используются высокочувствительные термоэлементы, болометры, термисторы и другие термоиндикаторы. Они обеспечивают неселективное поглощение всего падающего потока излучения. Для повышения чувствительности поверхности приемников покрывают слоем вещества, обладающего высоким коэффициентом поглощения для всех длин волн [α_e(T)=0,92÷0,98] (например, сажей, платиновой чернью). При измерениях окуляр пирометра наводится на поверхность исследуемого тела таким образом, чтобы изображение его поверхности, создаваемое линзой, находилось в месте расположения приемника, например термоэлектрического термометра. Так как яркость изображения пропорциональна яркости источника, то ток термоэлектрического термометра пропорционален разности температур термопары, а следовательно, яркости источника.

Градуировка шкалы гальванометра осуществляется с использованием эталонного излучателя, при этом учитываются потери энергии излучения при ее отражении и поглощении.

Рисунок 1 - Принципиальная схема пирометра суммарного излучения: И – излучающее тело; Л – линза; Т – приемник-термопара; Г – регистрирующий прибор – гальванометр.

Яркостная температура T_L - температура черного тела, при которой его яркость в узкой области спектра равна яркости исследуемого тела в той же области спектра при истинной температуре Т. Поскольку яркостная температура T_L обычно определяется в видимой области спектра достаточно точными методами, можно использовать формулу Вина вместо формулы Планка.

В. Вин, сделав предположение о зависимости длины волны излучения только от скорости движения молекул и учтя, что их распределение по скоростям подчиняется закону Максвелла, получил следующее соотношение:

где С₁ и С₂ — постоянные.

Тогда

откуда

Поскольку для реальных тел ε_e(λ,T) < 1 и lnε_e(λ,T) имеет отрицательные значения, то Т > T_L.

Для измерения яркостной температуры T_L применяют оптический пирометр с «исчезающей» нитью (рисунок 2). Принцип действия прибора основан на визуальном сравнении яркости нити лампы сравнения пирометра с яркостью исследуемого тела. Яркостная температура может быть измерена на любой длине волны. Однако в визуальной фотометрии эти изменения осуществляют при l = 665 нм, что позволяет снизить границу измеряемых значений T_L до 600-700°С. Измерения выполняют следующим образом. Сначала вводят красный светофильтр и, перемещая окуляр, добиваются резкого изображения нити лампы сравнения. Потом, не изменяя фокусировки нити, путем перемещения объектива получают четкое изображение исследуемого объекта. Затем поворотом или перемещением корпуса пирометра совмещают исследуемый участок с изображением нити. Изменяя переменным резистором накал нити, добиваются равенства яркостей нити и изображения объекта. Соответствующее положению резистора показание гальванометра с учетом градуировочной кривой определяет значение T_L. Введение ослабляющих нейтральных светофильтров расширяет пределы измерения T_L до 3000-3500°С.

Цветовая температура Т_с - температура черного тела, при которой цветность его излучения совпадает с цветностью излучения исследуемого тела при его истинной температуре Т. Совпадение цветностей сравниваемых излучений может наблюдаться при совпадении их относительного распределения энергии по спектру в видимой области.

Для получения значения Т_с измерения выполняют в двух удаленных участках спектра. В визуальной фотометрии принято проводить эти измерения при λ₁=665 нм и λ₂=467 нм. Узкие участки спектра выделяются красным и синим светофильтрами, поэтому метод называют методом «сине-красного отношения». Значение Т_с может быть и больше, и меньше Т в зависимости от соотношения ε_e(λ₁,T)/ ε_e(λ₂,T). Излучение черного тела при температуре, равной цветовой для данного тела, будет иметь ту же цветность, что и цветность данного тела. Однако одну и ту же цветность могут иметь излучения и разных спектральных составов. В этом случае понятие цветовой температуры применимо к излучателям, спектральное распределение которых сильно отличается от этого распределения для черного тела при любой температуре. Когда излучение тел весьма сильно отличается от излучения черного тела, понятие цветовой температуры не имеет смысла, поскольку цвет таких тел можно только очень грубо воспроизвести с помощью черного тела.

Рисунок 2 - Схема оптического пирометра с «исчезающей» нитью: 1 – подвижный окуляр; 2 – нейтральный светофильтр; 3 – лампа сравнения; 4 – окуляр; 5 – красный светофильтр; 6 – переменный резистор; 7 – гальванометр; 8 – источник питания.

1.3. Описание лабораторной установки

Яркостная температура источников излучения определяется с помощью оптического прибора ЭОП-66. Пирометр оптический ЭОП-66 (далее - пирометр) предназначен для точного измерения яркостных температур нагретых тел по их тепловому излучению в видимой области спектра в свете эффективной длины волны 0,65±0,01 мкм.

Диапазон измеряемых температур 1073 до 10273 К (от 800 до 10000 °С) делится на 5 пределов:

I от 1073 до 1673 К включительно (от 800 до 1400°С включительно);

П свыше 1673 до 2273 К включительно (свыше 1400 до 2000°С включительно);

Ш свыше 2273 до 3273 К включительно (свыше 2000 до 3000°С включительно);

IV свыше 3273 до 6273 К включительно (свыше 3000 до 6000°С);

V свыше 6273 до 10273 К включительно (свыше 6000 до 10000°С).

Изменение температур выше 1673 К (1400°С) осуществляется путем применения поглощающих стекол.

1.3.1 Устройство и принцип работы пирометра

Работа пирометра основана на измерении квазимонохроматической яркости излучения нагретого объекта путем уравнивания ее с яркостью эталона.

В качестве эталона яркости в пирометре используется специальная пирометрическая лампа, для которой дана зависимость температуры нити от тока, протекающего по ней. Изображение источника излучения, температуру которого необходимо измерить, с помощью объектива проецируется в плоскости нити пирометрической лампы. Наблюдатель, смотрящий в окулярной микроскоп, видит нить пирометрической лампы на фоне изображения источника излучения. Изменяя силу тока в пирометрической лампе, уравнивают яркость нити лампы с яркостью измеряемого объекта. Температура объекта определяется согласно «Свидетельству о Государственной поверке» по величине тока, протекающего по нити пирометрической лампы в момент уравнивания яркостей нити и изображения объекта.

1.3.2 Оптическая схема и конструкция пирометра

Рисунок 3 - Оптическая схема пирометра

Оптическая схема пирометра представлена на рисунке 3.

В оптическую схема пирометра входит двухлинзовый объектив 5, микроскоп 1, являющийся окуляром пирометра, и пирометрическая лампа 3.

Объектив пирометра имеет фокусное расстояние 254 мм и светосилу 1:3.

Окулярный тридцатикратный микроскоп обеспечивает диоптрийную настройку в пределах ± 5 диоптрий.

Баллон лампы имеет скошенные торцы для устранения влияния отраженного света при фотометрировании. Дугообразная вольфрамовая нить пирометрической лампы с одной стороны сошлифована на половину диаметра. Нить лампы сошлифованной стороной обращена к микроскопу, т.е. к наблюдателю.

Поглощающие стекла 4 и 6 установлены на пути светового потока и предназначены для расширения диапазона измеряемых температур. Красные светофильтры 2 служат для монохроматизации светового потока.

Общий вид пирометра показан на рисунке 4.

Пирометр ЭОП-66 представляет собой телескоп, состоящий из объектива 2 и окулярного микроскопа 8, оправы которых закреплены в кронштейне. К кронштейну крепится блок ламп 4, в котором помещены три патрона с лампами 6. Телескоп пирометра устанавливается на основании 7. С помощью ручки червяка 15, при обтянутом стопоре 13, телескоп пирометра плавно поворачивается на угол до 25° в горизонтальной плоскости, а ручкой 14 фиксируется в выбранном положении. При необходимости быстрого поворота в горизонтальной плоскости следует ослабить стопор 13 и ручку фиксатора 14, после чего вручную повернуть кронштейн. Основание пирометра 7 имеет винтовые опоры 16, позволяющие наклонять оптическую ось прибора в пределах ± 3°.

Рисунок 4 - Общий вид и конструкция пирометра

Для получения четкого изображения объектов, расположенных на различных расстояниях от прибора, объектив пирометра с помощью ручки 3 перемещается вдоль оптической оси.

Перемещение окуляра микроскопа 8 вдоль оптической оси обеспечивает необходимую диоптрийную наводку. Пирометр снабжен тремя пирометрическими лампами 6, которые закрепляются в патронах. Поворотом ручки 9 лампы поочередно вводятся в поле зрения окуляра пирометра,

Юстировочные шарниры позволяют при юстировке поворачивать лампы и наклонять их в любых направлениях.

Регулировочный винт II обеспечивает перемещение лампы в вертикальном направлении. Стопорный винт 10 предназначен для фиксации лампы в выбранном положении. Подключение напряжения к пирометрической лампе осуществляется с помощью контактов, скользящих по контактным доскам. Контактная система обеспечивает подключение напряжения только к лампе, находящейся в поле зрения окуляра пирометра. Градуировка пирометрических ламп производится предприятием-изготовителем после их старения.

Для расширения температурной шкалы пирометр снабжен кассетой 12 со стеклянными поглощающими стеклами и выносным поглотителем 18. Кассета поглотителей 12 вынимается из коробки блока ламп 4 с помощью толкателя 20.

Для монохроматизации светового потока пирометр снабжен кассетой 5 со светофильтрами. Кассета светофильтров 5 крепится к коробке блока ламп двумя винтами 19. Поворотный механизм кассеты поглотителей 12 и кассеты светофильтров 5 обеспечивают введение соответствующих стекол в поле зрения окуляра пирометра.

Положение кассеты 12 и кассеты 5 обозначается индексами (точками) по окружности кассеты.

В первом окне кассеты светофильтров 5 установлено бесцветное стекло, во втором и в третьем окне установлены красные фильтры, один из которых устанавливается вместе с диафрагмой, предназначенной для уменьшения яркости измеряемого объекта при неизменном спектральном составе светового потока; в четвертом окне устанавливаются светофильтры любых марок при проведении научно-исследовательских работ.

При выпуске пирометра предприятие-изготовитель устанавливает в этом окне зеленое стекло.

Реостат с секциями грубой и тонкой регулировки накала пирометрических ламп имеет плавный ход. На реостате указано направление вращения для каждой секции реостата, соответствующее увеличению тока в пирометрической лампе, и отмечены положения: "ВКЛ" и "ОТКЛ".

Сопротивление реостата секции грубой регулировки составляет 28±2 Ом. Сопротивление реостата секции тонкой регулировки составляет 1±0,5 Ом. Реостат позволяет устанавливать ток в пирометрической лампе в интервале от 0,3 до 0,6 А с точностью 10 мкА, при этом напряжение источника питания должно быть в пределах от 4 до 6 В.

1.3.3 Подготовка пирометра к работе

Установить пирометр перед объектом на основании, устойчивом к сотрясениям и вибрациям.

Ослабить ручку фиксатора 14 и стопор 13 (рисунок 4).

Снять защитные крышки с объектива, окуляра и блока ламп.

Установить в поле зрения окуляра тот патрон, в котором находится нужная для работы пирометрическая лампа (согласно «Свидетельству о Государственной поверке»), с помощью ручки 9 (рисунок 4).

Увеличением тока в цепи обеспечить видимое свечение нити лампы.

Добиться четкого изображения нити лампы перемещением окуляра микроскопа.

Убедиться в правильности расположения вершины нити пирометрической лампы относительно отверстия дымчатой диафрагмы, помещенной в окуляре пирометра. Вершина нити пирометрической лампы должна находиться в центре отверстия дымчатой.

В случае неправильного расположения нити следует провести юстировку лампы 6. Для этого необходимо отвернуть колпак и, ослабив стопорный винт 10, с помощью шарнира и регулировочного винта II (рисунок 4) выставить вершину нити.

Зафиксировать выбранное положение лампы, затянув стопорный винт 10, придерживая рукой регулировочный винт II (рисунок 4). После чего надеть защитный колпак.

Установить кассету светофильтров 5 в положение «•», кассету поглотителей 12 согласно таблице.

Навести пирометр на объект, температура которого измеряется. Затянув стопорный винт 13, плавно поворачивая телескоп пирометра ручкой червяка 15 и одновременно меняя наклон его опорами 16, добиться такого положения, чтобы изображение объекта перекрывало отверстие дымчатой диафрагмы или располагалась в его центре.

Зафиксировать положение кронштейна после наведения пирометра на объект ручкой 14 (рисунок 4).

Поворотом ручки 3 (рисунок 4) добиться в поле зрения окуляра четкого изображения визируемого объекта. При этом изображение объекта и нити пирометрической лампы в поле зрения окуляра должны быть одинаково четкими.

Установить кассету светофильтров в положение «••», при этом изображение объекта не должно меняться или смещаться.

1.3.4 Порядок работы с пирометром

Добиться исчезновения рабочего участка нити, ограниченного дымчатой диафрагмой на фоне изображения объекта измерения (произвести фотометрирование), регулируя накал нити пирометрической лампы с помощью секций грубой и тонкой регулировки. Измерить силу тока, протекающего по нити лампы, с точностью до 1·10^-5 А. Ток, протекающий по нити пирометрической лампы, не должен превышать максимальной величины, указанной в «Свидетельстве о Государственной поверке».

Для ориентировочного измерения силы тока в пирометрической лампе служит амперметр. Если температура объекта постоянна или меняется достаточно медленно, то для получения большей точности измерения следует провести двумя наблюдателями 5 фотометрирований и соответствующих измерений тока. К моменту уравнивания яркостей подходить то со стороны большей, то со стороны меньшей яркости нити пирометрической лампы по отношению к яркости объекта.

Вычислить среднее значение тока и по данным «Свидетельства о Государственной поверке» или по графику, построенному по этим данным, определить температуру контролируемого объекта. После окончания измерений установить реостат в положение «ОТКЛ». Оптическую систему закрыть крышками.

1.4. Рабочее задание

1.4.1 Изучить законы теплового излучения и теоретические сведения об эквивалентных температурах излучающих тел и методах из измерения.

1.4.2 Ознакомиться с устройством и принципом действия оптического пирометра ЭОП-66.

1.4.3 Ознакомиться с методикой измерения яркостной температуры.

1.4.4 Снять зависимости тока пирометрической лампы в зависимости от напряжения на исследуемых источниках излучения (по заданию преподавателя), изменяя напряжение на исследуемой лампе от U_н до полного погасания лампы через 30 вольт. Записать показания приборов в таблицу 1.

1.4.5 По данным «Свидетельства о Государственной поверке» определить яркостную температуру исследуемого объекта и занести в таблицу 1.

1.4.6 По полученным данным построить графики зависимости яркостной температуры от напряжения на источниках излучения.

1.4.7 Сделать выводы по работе.

Таблица 1 - Экспериментальные данные

Напряжение на источнике излучения U, В
Ток пирометрической лампы I, мА
Яркостная температура T_L, К(°С)

1.5. Контрольные вопросы

1.5.1 Понятие источника излучения. Тепловое (температурное) излучение.

1.5.2 Энергетическая светимость и коэффициент поглощения α_e.

1.5.3 Тепловое равновесие. Правило Прево.

1.5.4 Закон Кирхгофа. Излучательная способность черного тела M⁰_eλ(λ,T).

1.5.5 Черное тело и его модель.

1.5.6 Формула Вина.

1.5.7 Закон Планка.

1.5.8 Закон Стефана-Больцмана.

1.5.9 Закон «смещения» Вина.

1.5.10 Излучение реальных тел. Спектральный коэффициент излучения. Селективные и неселективные излучатели.

1.5.11 Эквивалентные температуры и методы их измерения.

1.5.12 Тепловые источники излучения.

2. Лабораторная работа № 2. Исследование спектрального состава излучений источников света различных типов

2.1 Цель работы: Исследование спектрального состава различных источников света. Ознакомление с принципом работы спектральных приборов и методом определения спектрального состава излучений.

2.2 Краткие теоретические сведения.

Внутренняя энергия излучающей частицы квантовой системы складывается из кинетической и потенциальной энергий электронов в электронном облаке атома или иона. В молекуле к этому добавляются кинетическая и потенциальная энергии относительного движения и расположения ионов, составляющих молекулу. Согласно законам квантовой механики энергия электрона, связанного в атоме, а следовательно, и энергия атома или молекулы в целом не произвольна. Она имеет прерывистый (дискретный) ряд значений Е₀, Е₁, Е₂, ..., Е_п, которые называются уровнями энергии (рисунок 5). Самый нижний уровень Е₀, при котором энергия атома наименьшая, - это основной уровень. Уровни Е₁, Е₂, ..., Е_п, соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными. Переход с высшего уровня на низший связан с потерей энергии ΔЕ₀₁ = Е₁-Е₀, которая выделяется в виде порции или кванта излучения. Если уровни находятся на значительном расстоянии, т.е. разность энергий значительна, то частота n велика и излучение возможно в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Если уровни расположены близко, то частота n мала и излучение испускается в инфракрасном диапазоне.

Рисунок 5 - Образование спектров излучения и поглощения:

а и б – квантовые переходы в атоме; в – вид спектра.

Определить спектральный состав излучения - значит разделить и измерить монохроматические составляющие сложного излучения.

Для разложения сложного излучения в спектр широко используется явление дисперсии. Суть его состоит в следующем: излучения разных длин волн по-разному отклоняются от своего первоначального направления, когда проходят сквозь прозрачное вещество, например призму (призма - оптическая деталь с плоскими преломляющими и отражающими поверхностями, образующими между собой двугранные углы). На рисунке 6 приведена принципиальная схема спектрального прибора, с помощью которого определяют спектральный состав излучений. Поток излучения через входную щель Щ₁ попадает на линзу Л₁, которая превращает его в почти параллельный пучок, а линза Л₂, установленная после призмы П, снова собирает его в плоскости выходной щели Щ₂. Проходя через призму, свет благодаря явлению дисперсии разлагается в спектр. Выходная щель Щ₂ выделяет из спектра узкую полоску, соответствующую излучению определенной длины волны. При помощи приемника П измеряется энергия излучения, выделенного из спектра выходной щелью. Изменяя положение щели Щ₂, «проходят» весь спектр. Таким образом, получение монохроматических излучений ограничено помимо физических (конечная ширина спектральных линий излучения) и техническими причинами (спектральным прибором). Поэтому спектральную линию можно определить как изображение входной щели, образованное монохроматическим излучением в дисперсионном спектральном приборе.

Сложные излучения по виду спектров бывают линейчатые, полосатые и сплошные. Чтобы атом или молекула могли испустить излучение, они должны быть предварительно «подняты» на более высокий энергетический уровень, т.е. должны быть возбуждены. Существуют различные способы возбуждения: один из них - возбуждение в результате поглощения излучения.

Рисунок 6 - Принципиальная схема спектрального прибора.

Если излучение, падающее извне, имеет частоту, соответствующую энергии возбуждения, т.е. если кванты излучения или фотоны имеют энергию, равную ΔE₀₁=hν₀₁, то атом или молекула переходит с уровня Е₀на Е₁ с поглощением кванта излучения. Происходит поглощение кванта или потока падающего излучения. Возбужденное состояние неустойчиво, и атом или молекула могут сами произвольно (спонтанно) возвратиться в исходное состояние. Это акт спонтанного излучения. Оба процесса изображены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема переходов между энергетическими уровнями:

а – при поглощении; б – при спонтанном излучении.

В равновесном состоянии, когда распределение частиц вещества по уровням энергии определяется температурой, наблюдается тепловое излучение, т.е. излучение, обусловленное излучением атомов и молекул при самопроизвольных, спонтанных квантовых переходах с более высоких уровней на более низкие. «Поднятие» атомов на более высокие уровни происходит непрерывно, и при постоянной температуре число возбужденных атомов постоянно. Чем выше температура, тем больше это число.

Под действием света, электрического тока, химической реакции и других внешних источников возбуждения равновесное состояние нарушается, в результате этого на некоторых возбужденных уровнях накапливается избыточное по сравнению с равновесным число частиц, хотя на остальных уровнях их число остается практически равновесным. Поэтому наряду с тепловым излучением появляется дополнительное свечение, избыточное над тепловым, которое называется люминесценцией.

Способностью к люминесценции обладают многие газы, жидкости и твердые тела. Искусственно приготовленные вещества, способные люминесцировать под действием излучения, называются люминофорами.

Люминесценцию можно классифицировать по виду возбуждения. Так, люминесценция под действием света, т.е. электромагнитного излучения видимой области спектра, называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки быстрыми электронами - катодолюминесценцией, под действием электрического поля - электролюминесценцией. К электролюминесценции относят два вида явлений - свечение газового разряда и электролюминесценцию твердых тел, возникающую при воздействии электрического поля. Люминесценция под действием химических превращений - хемолюминесценция, при трении и разламывании кристаллов - триболюминесценция.

Явление люминесценции нашло широкое применение в технике. Люминофоры - вещества, способные люминесцировать, специально изготовляют для практических целей. По своей химической природе они делятся на органические, называемые люмогенами, и неорганические, большинство из которых относится к кристаллофосфорам. Люмогены применяются для изготовления ярких флюоресцентных красок, используются при химическом люминесцентном анализе, в биологии, медицине и криминалистике. В неорганических люминофорах происходит рекомбинационное свечение люминесценции, обусловленное наличием в кристаллической решетке этих веществ атомов активаторов. Кристаллофосфоры обычно представляют собой соли, в состав которых введены небольшие добавки тяжелых металлов - активаторов, образующих центры свечения люминесценции. Они используются для изготовления самых разнообразных люминофоров. Так, катодолюминофоры применяют для экранов электронно-лучевых трубок, рентгеновские экраны изготовляют из рентгенолюминофоров, электролюминофоры используются в электронно-оптических преобразователях.

Из всех видов кристаллофосфоров наибольшее распространение получили фотолюминофоры, используемые в газоразрядных источниках света низкого давления - люминесцентных лампах.

В настоящее время разработано большое количество типов газоразрядных ламп, которые различаются как составом наполняющего газа, так и режимом разряда - давлением паров металлов и разрядным током. Источником света в таких лампах являются газ или пары металлов, которые излучают под действием проходящего через них тока, т.е. имеет место газовый разряд. Излучение используется либо непосредственно (ртутные и ксеноновые лампы), либо для возбуждения свечения фотолюминофора.

Интегральные энергетические и светотехнические характеристики излучения можно получить по данным измерений элементарных монохроматических величин. Так, например, зная спектральную интенсивность излучения источника φ(λ) [φ(λ)=dФ_е/dλ, φ(λ)=ΔФ_е/Δλ], можно определить его лучистый (Ф_е) и световой (Ф) потоки по следующим соотношениям:

, - при линейчатом или в виде сочетания полос в спектре;

, - для излучения со сплошным спектром

(V(λ) – относительная спектральная световая эффективность адаптированного глаза к однородному получению с длиной волны λ = 555 нм;

Δλ, dλ – спектральный интервал, для которого определена φ(λ)).

Для оценки эффективности того или иного распределения излучения по спектру применяют различные приемники, в том числе и человеческий глаз. Приемники оптического излучения в согласии с их кривой спектральной чувствительности реагируют только на соответствующую часть излучения. Эти части (доли) принято оценивать с помощью соответствующих КПД. Например, если в качестве приемника излучения используется глаз, то со зрительным ощущением связаны КПД видимого излучения

энергетический КПД

и световой КПД излучения

Светотехническую эффективность источников оптического излучения принято характеризовать световыми отдачами ламп (H_л) и схемы (H_сх), поскольку

;

(Р_л, Р_ПРА – соответственно мощности, потребляемые лампой и пускорегулирующим аппаратом).

В отличие от ламп накаливания, имеющих низкую Н_л, что обусловлено характером распределения их излучения по спектру, одним из главных достоинств люминесцентных ламп (ЛЛ) является возможность получения высокой световой отдачи источника света при практически любом распределении излучения по спектру.

Наиболее широкое распространение получили лампы, имитирующие естественный свет в различных видах. Часто цвет этих ламп характеризуют соответствующей цветовой температурой (Т_ц). Чем выше Т_ц излучения лампы, тем более голубой и холодный оттенок имеет ее свет.

В настоящее время основным люминофором, применяемым для производства ламп указанных типов, является галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем (ГФК). Благодаря высокому квантовому выходу при возбуждении обеими резонансными линиями ртути, высокой стабильности, а также характеру распределения энергии в спектре излучения с помощью ГФК удалось создать лампы, обладающие весьма высокими Н_л и приемлемой стабильностью светового потока в процессе эксплуатации. Высокая Н_л ламп типа ЛБ объясняется не только высоким квантовым выходом ГФК, но и близостью полосы его излучения с кривой чувствительности глаза.

Спектральное распределение излучения ЛЛ существенно отличается от такового у черного тела той те цветности. Это приводит к тому, что стандартные ЛЛ обладают весьма высокими Н_л, не обеспечивают высокого качества цветопередачи. Поэтому такие лампы применяются для целей общего освещения. Для специальных же областей применения, в которых качество цветопередачи играет более важную роль, чем высокая Н_л , а также для быта создаются лампы тех же цветовых тонов с улучшенным спектром излучения, но с более низкой (на 15 – 30%) Н_л.

При создании источников света, обеспечивающих улучшенную цветопередачу, а также для решения многих других светотехнических задач необходимо знание соотношений лучистых (световых) потоков, обусловленных видимыми линиями ртути ΣФ_eλi (ΣФ_λi) и излучением люминесценции Ф_ел (Ф_л). Излучение видимых линий ртути оказывает заметное влияние на цветовые характеристики ламп, главным образом из-за излучения синей (λ=436 нм) и фиолетовой (λ=405 нм) линий. В общем световом потоке стандартных ламп излучение линий составляет 8÷13% преимущественно за счет излучения зеленой (λ=546 нм) и желтых (λ=577/579 нм) линий.

2.3 Описание лабораторной установки

Разложение излучения от источников света осуществляется с помощью спектрографа.

2.3.1 Оптическая схема и принцип действия прибора

Свет от источника 1 (рисунок 8) проходит трехлинзовый осветитель, состоящий из конденсоров 2, 3 и 4, щель 5 и попадает на зеркальный объектив 6 коллиматора, который отклоняет лучи на угол 2°17'. Параллельный пучок, идущий от зеркального объектива, падает на призму 7, разлагающую его в спектр. Объектив 8 собирает лучи в фокальной плоскости 9, которая совпадает с плоскостью эмульсии фотопластинки.

Рисунок 8 - Оптическая схема прибора

Для удобства расшифровки спектра на пластинке может быть впечатана миллиметровая шкала. Для ориентировочного определения спектральной области по шкале может служить график на рисунке 9.

Рисунок 9 - Определение спектральной области

Перед щелью спектрографа устанавливается ступенчатый ослабитель 10 (рисунок 8), градуированный для ультрафиолетовой области 310 нм.

Осветительная система прибора, состоящая из трех конденсоров с фокусными расстояниями 75, 150 и 275 мм, обеспечивает ахроматическое освещение щели при установке конденсоров и источника света на расстояния, указанные на рисунке 8. Источник света проектируется конденсором 2 на диафрагму револьверного типа, укрепленную на оправе конденсора 3. Конденсор 3 проектирует уменьшенное изображение конденсора 2 на щель спектрографа. Изображение освещенной диафрагмы конденсором 4 проектируется в плоскость объектива и заполняет его. Конденсоры с фокусными расстояниями 75 и 150 мм, входящие в трехлинзовую систему, можно заменить одним кварцевым конденсором с фокусным расстоянием 75 мм, который устанавливается на расстоянии 316 мм от щели; источник света помещается на расстоянии 67 мм от конденсора. При этом изображение электродов получается в плоскости объектива камеры.

На плато литого основания крепятся основные узлы прибора: щель, зеркальный объектив, призма на столике, объектив в оправе, держатель лампы подсветки шкалы и кассетная часть.

Щель спектрографа — симметричная с переменной шириной от 0 до 0,4 мм и ценой деления 0,001 мм. Отсчет ширины щели производится по шкале барабанчика. Для дополнительной фокусировки щель можно перемещать вдоль оптической оси вращением барабанчика.

Для ограничения высоты щели служит диафрагма с фигурными вырезами (рисунок 10), которая помещается в насадке перед щелью.

Рисунок 10 - Диафрагма с фигурными вырезами

Непосредственно за щелью имеется затвор, включение и выключение которого осуществляется выключателем, расположенным на корпусе прибора.

С помощью клинового зажима на рамке кассетной части укрепляют кассету. Перемещение рамки с кассетой в вертикальном направлении производится по направляющей маховичком с фиксатором, один щелчок которого указывает на перемещение рамки на 1 мм; величина перемещения отсчитывается по миллиметровой шкале.

Все оптические узлы закрываются кожухом.

2.4. Рабочее задание

2.4.1 Изучить теоретические сведения о спектральных характеристиках и методах их измерения.

2.4.2 Ознакомиться с устройством и принципом действия спектрографа.

2.4.3 Исследовать спектральный состав различных источников света и провести сравнительный анализ спектра лампы накаливания и разрядных ламп.

2.4.4 Для заданных преподавателем источников света по спектральному распределению излучения рассчитать световой поток лампы.

2.4.5 Сделать выводы по работе.

2.5 Контрольные вопросы

2.5.1 Спектр электромагнитных колебаний.

2.5.2 Квантовые свойства излучения. Постулаты Бора.

2.5.3 Спектральная линия, линейчатый, полосатый и сплошной спектры.

2.5.4 Энергия и поток излучения.

2.5.5 Распределение потока излучения по спектру.

2.5.6 Определение спектрального состава излучения.

2.5.7 Природа и механизм люминесценции.

2.5.8 Классификация явлений люминесценции.

2.5.9 Закон Стокса, два закона люминесценции С.И. Вавилова.

2.5.10 Применение люминесценции. Люминофоры.

3. Лабораторная работа № 3. Исследование световых характеристик излучения и интегральных характеристик светового поля

3.1. Цель работы: Изучение световых характеристик излучения и интегральных характеристик светового поля. Измерение освещенности от светящего элемента на поверхности в зависимости от расстояния и от угла наклона поверхности. Расчет интегральных характеристик светового поля от равноярких излучателей.

3.2. Краткие теоретические сведения

Эффективный поток в системе световых величин и единиц принято называть световым потоком Ф. За единицу светового потока принят Люмен (лм).

Пространственную плотность светового потока в заданном направлении в системе световых величин и единиц называют силой света I. Она равна отношению элементарного светового потока dФ к элементарному телесному углу dω, в пределах которого заключен и равномерно распределен этот световой поток . Для равномерно распределенного светового потока в пределах телесного угла ω . Единица силы света I – Кандела (кд).

Освещенностью принято называть поверхностную плотность падающего светового потока. Освещенность численно равна отношению площади поверхности, на которую он падает и по которой равномерно распределяется:

где Ф – световой поток, лм;

S – площадь освещаемой поверхности, м².

Для неравномерного распределения светового потока:

где dS – элементарный участок освещаемой поверхности, в пределах которого элементарный световой поток dФ можно считать равномерно распределенным.

Единица освещенности E – люкс (лк).

Освещенность, создаваемая точечным источником (рисунки 11-14), может быть выражена через силу света по закону квадратов расстояния. Освещенность пропорциональна силе света источника в данном направлении и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемого элемента поверхности:

где I_a - сила света источника по направлению к освещаемой поверхности, кд;

l - расстояние от источника до освещаемой поверхности, м;

a - угол между направлением силы света и нормалью к освещаемой поверхности.

Согласно закону Ламберта освещенность пропорциональна косинусу угла падения света на освещаемую поверхность.

Рисунок 11 – Освещенность горизонтальной поверхности.

Рисунок 12 – Освещенность вертикальной поверхности, перпендикулярной плоскости, в которой расположены вертикальная ось источника света и направление силы света

Рисунок 13 – Освещенность вертикальной поверхности, неперпендикулярной плоскости, в которой расположены вертикальная ось источника света и направление силы света

Рисунок 14 – Освещенность наклонной плоскости

Пространственную плотность в системе световых величин и единиц характеризуют яркостью L - силой света dI(α) с площади проекции dA' элемента поверхности излучающего тела dA на плоскость Р, перпендикулярную направлению излучения (рисунок 15). Единица яркости - кд/м².

Рисунок 15 – Яркость участка поверхности в данном направлении

Каждую точку светового поля можно количественно охарактеризовать многими значениями яркости, являющейся функцией места расположения точки и направления наблюдения. Однако поскольку это вызывает определенные неудобства при расчетах, часто пользуются интегральными характеристиками поля.

Интегральная характеристика светового поля С определяет среднюю освещенность выбранной поверхности, расположенной в данной точке поля. Эта характеристика светового поля - функция точки и направления. Она зависит от распределения яркости в пространстве

где L(β,φ) - яркость излучения в направлении, определяемом значениями углов β и φ в исследуемой точке поля;

f(β) - функция, определяющая ценность излучения, поступающего с данного направления на выбранную поверхность, расположенную в данной точке поля (рассматривается ниже);

dω - элементарный телесный угол, в пределах которого из данной точки пространства виден участок поверхности с яркостью L(β,φ).

Если излучающие поверхности равнояркие, то

Если приемник излучения – сфера малого радиуса r, то отношение площади проекции сферического приемника равно:

Тогда сферическая освещенность Е_4π равна:

Если световые излучения поступают в исследуемую точку преимущественно из одного полупространства, то в качестве интегральной характеристики светового поля используют среднюю полусферическую освещенность.

где β - угол между нормалью к плоскости основания полусферы и направлением излучения в исследуемую точку поля.

Проекция полусферической поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению α. Где половина площади окружности равна 0,5πr², половина площади эллипса - 0,5πr²cosβ. Средняя полусферическая освещенность

где - освещенность плоскости основания полусферы;

dE_н - нормальная освещенность площадки, перпендикулярной оси телесного угла ω.

Средняя полусферическая освещенность выражает среднюю плотность светового потока (освещенность) на полусфере исчезающе малого радиуса, расположенной в исследуемой точке поля. Средняя полусферическая освещенность зависит как от расположения точки, для которой она определяется, так и от ориентации полусферы. За ориентацию полусферы принимают положение ее основания. Если источники излучения расположены по обе стороны от основания полусферы, то необходимо брать разность освещенностей обеих сторон основания полусферы.

Для оценки насыщенности светом используют среднюю цилиндрическую освещенность, под которой понимают среднюю освещенность боковой поверхности цилиндра с вертикальной ориентацией и малыми размерами (основание и высота цилиндра стремятся к нулю). Функция ценности для средней цилиндрической освещенности

где β - угол падения излучения от точечного источника на боковую поверхность вертикально расположенного цилиндра.

Общее выражение, определяющее среднюю цилиндрическую освещенность,

Мгновенное значение потока энергии электромагнитного поля через замкнутый контур единичной площади в плоскости, перпендикулярной направлению переноса энергии, характеризуется вектором Умова-Пойнтинга .

Для характеристики светового поля введен усредненный по времени вектор плотности переноса световой энергии - световой вектор . Световой вектор определяет в любой точке поля значение (модуль) и направление вектора переноса световой энергии в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению переноса. Свойства светового вектора:

Поток светового вектора Ф' через некоторую поверхность равен разности световых потоков, падающих на одну и другую сторону этой поверхности:

Проекция светового вектора ε_N на любое направление определяется разностью освещенностей двух сторон некоторой площадки, на нормаль к которой спроектирован вектор:

где E_β, E_π_-_β - освещенности сторон поверхности;

β - угол между направлением и нормалью к поверхности.

Световой вектор определяется векторной суммой нормальных значений освещенности, а средняя сферическая освещенность - арифметической суммой этих же величин.

Для измерения освещенности применяются специальные фотометрические приборы, получившие название люксметров

Переносной объективный люксметр состоит из фотоэлемента с гальванометром, которые хранятся в небольшом футляре. Чувствительный гальванометр 2, включенный в цепь фотоэлемента 1, может шунтироваться двумя сопротивлениями R₁ и R₂ при помощи соответствующего переключателя (рисунок 16). Шкала гальванометра градуируется непосредственно в люксах по стандартному источнику А с цветовой температурой Т_ц=2854 К, спектральный состав излучения которого приближается к спектральному составу ламп накаливания средней мощности.

Возможность измерения малых значений освещенности достигается применением гальванометров чувствительностью порядка 10^-6 А/дел. Для измерения больших освещенностей прибор снабжается шунтами и нейтральными фильтрами, надеваемыми на фотоэлемент.

Рисунок 16 - Схема люксметра.

3.3 Рабочее задание:

3.3.1 Для заданного преподавателем источника света измерить с помощью люксметра освещенность и произвести ее проверочный расчет в различных точках на горизонтальной и вертикальной плоскостях при изменении одного из параметров с заданным шагом:

- высоты установки источника света;

- расстояния от источника света в горизонтальной плоскости;

- положение лампы по вертикали или горизонтали (только для линейных ЛЛ);

- смещение точки относительно центра лампы (только для линейных ЛЛ).

3.3.2 Рассчитать среднюю яркость лампы.

3.3.3 Рассчитать силу света в направление к точке.

3.3.4 Рассчитать среднюю сферическую, полусферическую и среднюю цилиндрическую освещенности в точках.

3.3.5 Определить световой вектор в точках и направляющие косинусы этих векторов.

3.3.6 Все экспериментальные данные и результаты расчетов занести в таблицу 2.

3.3.7 По заданию преподавателя построить зависимости освещенности, цилиндрической освещенности, полусферической освещенности, сферической освещенности, яркости, силы света и относительной освещенности в зависимости от расстояния по горизонтали и высоты от источника света до освещаемой поверхности.

3.3.8 Сделать выводы по работе.

3.4 Контрольные вопросы

3.4.1 Световой поток.

3.4.2 Световые свойства материалов.

3.4.3 Сила света.

3.4.4 Освещенность.

3.4.5 Светимость и яркость.

3.4.6 Нестационарные световые процессы.

3.4.7 Методы визуальной и физической фотометрии.

3.4.8 Простейшие равнояркие излучатели и их характеристики.

3.4.9 Световое поле. Яркость пучка лучей.

3.4.10 Интегральная характеристика светового поля С.

3.4.11 Функция ценности излучения.

3.4.12 Средняя сферическая освещенность.

3.4.13 Средняя полусферическая освещенность.

3.4.14 Средняя цилиндрическая освещенность.

3.4.15 Световой вектор, световые линии и трубки.

3.4.16 Типы равноярких излучателей. Расчет интегральных характеристик светового поля от равноярких излучателей

3.4.17 Основные закономерности и характеристики многократных отражений. Коэффициент использования светового потока

Таблица 2 - Экспериментальные данные и результаты расчетов

Параметр	Величина
Параметр	Опыт 1	Опыт 2	…	Опыт n
Высота ИС от освещаемой поверхности h, м
Расстояние от ИС до освещаемой поверхности в горизонтальной плоскости a, м
Расстояние от ИС в направление к точке освещаемой поверхности l, м
Угол между направлением силы света и нормалью к освещаемой поверхности a
Положение линейной ЛЛ (по горизонтали Г или вертикали В)
Смещение точки относительно центра лампы b, м
Освещенность горизонтальной поверхности Е_г, лк	измеренная
Освещенность горизонтальной поверхности Е_г, лк	расчетная
Освещенность вертикальной поверхности Е_в, лк	измеренная
Освещенность вертикальной поверхности Е_в, лк	расчетная
Освещенность вертикальной поверхности неперпендикулярной плоскости Е_в_g, лк (при заданном угле g)	измеренная
	расчетная
Освещенность наклонной поверхности Е_н, лк (при заданном угле g)	измеренная
	расчетная
Расчетная средняя яркость лампы L, кд/м²
Расчетная сила света в направление к точке I_α, кд
Расчетная средняя сферическая освещенность в точке Е_4π, лк
Расчетная средняя полусферическая освещенность в точке Е_2π, лк
Расчетная средняя цилиндрическая освещенность в точке Е_ц, лк
Проекции светового вектора
Модуль светового вектора
Направляющие косинусы векторов

4. Лабораторная работа № 4. Цветовые расчеты источников света в системе XYZ

4.1 Цель работы: Изучение принципов колориметрии, образования цвета и построения колориметрических систем и цветовых атласов. Расчет координат цвета и цветности излучения источников света с различными спектрами в системе XYZ с помощью ЭВМ.

4.2 Краткие теоретические сведения

В технике цвет значительно расширяет полезную информацию о различных физико-химических явлениях: по цвету судят о ходе химической реакции, о температуре нагретого тела и т. д. Точно охарактеризовать, уметь воспроизвести цвет, оценить разницу в цвете двух предметов - важная практическая задача, которой занимается колориметрия.

Восприятие глазом множества цветов и оттенков объясняет теория трехкомпонентного цветового зрения Юнга - Гельмгольца. Сетчатка глаза содержит два вида зрительных рецепторов - палочки и колбочки; Согласно теории цветового зрения глаз получает ощущение цвета только при работе колбочковых элементов сетчатки. Сетчатая оболочка имеет колбочковые элементы трех разновидностей с различным цветочувствительным веществом: группы колбочек, реагирующих на излучения с длинами волн 380-550 нм; 500-600 нм и 600-780 нм. Все три типа колбочек работают при сравнительно высоких яркостях, поэтому дневное зрение является цветовым. При низких уровнях яркости работают палочки. Все палочки по спектральной чувствительности однотипны. Действие излучений на палочки приводит к возникновению ощущений, различных только по значению. При ночном зрении, т. е. при низких уровнях яркости, глаз различает предметы не по цвету, а по светлоте.

Глаз состоит как бы из трех приемников, и поэтому совокупности колбочек каждого типа называются красно-, зелено- и синеощущающими приемниками, или КЗС-приемниками.

Для оценки цветового действия излучения введено понятие спектральной чувствительности трех приемников глаза, которые подобно функциям спектральной чувствительности любого приемника вместе с энергетическими величинами Ф_еλ(λ) падающих на них излучений позволяют рассчитать уровни возбуждения КЗС-приемников, характеризующие цвет как меру действия излучения на глаз.

Кривые относительной спектральной чувствительности КЗС-приемников , , приведены на рисунке 17. Так как они определяют уровни возбуждения основных приемников, то их называют также кривыми основных возбуждений, а красный, зеленый и синий цвета, ощущения которых могут возникнуть при действии излучения на каждый из этих приемников в отдельности, - основными физиологическими цветами. Из кривых, приведенных на рисунке 17, видно, что каждый цветоощущающий приемник глаза реагирует на однородные излучения в широком диапазоне видимой части спектра, но их спектральная чувствительность имеет резко выраженный максимум.

Рисунок 17 - Кривые относительной спектральной чувствительности КЗС-приемников глаза

Множество цветов можно получить, смешивая в различных пропорциях три разноцветных излучения. Первый способ получения цветов, основанный на сложении трех световых потоков, имеющих разные цвета, называется аддитивным. Второй способ получения цветов называется субтрактивным. Он основан на вычитании цветов. Результирующий цвет при этом определяется разностью между исходным белым и цветом излучения, поглощенного последовательно расположенными избирательными средами (например, светофильтрами).

Так как в качестве основных цветов можно брать три любых линейно независимых цвета, то разные исследователи выбирали различные основные цвета и условия наблюдения цветового равенства (угловой размер, яркость полей сравнения), что привело к большим трудностям, так как для сравнения результатов экспериментов необходимо было производить дополнительные расчеты. Поэтому в 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) стандартизовала цветовую систему RGB, в которой в качестве основных цветов были выбраны цвета монохроматических излучений: R (red - красный) - λ_R=700 нм; G (green - зеленый, линия ртутного разряда) - λ_G= 546,1 нм и В (blue-голубой, линия ртутного разряда) - λв=435,8 нм.

Хотя с помощью системы RGB решаются все основные задачи колориметрии, она обладает существенным практическим неудобством: необходимостью использовать для однородных излучений отрицательные значения координат цвета. Определение яркости требует осуществления математических операций. Поэтому была создана система, позволяющая упростить вычисления цветовых координат и яркостей. При создании расчетной системы XYZ было учтено следующее.

Отрицательные координаты можно исключить, если в качестве основных вместо цветов R, G, В взять другие цвета, которые должны быть выбраны так, чтобы вся область реальных цветов, в том числе и основные R, G, В, вписывалась в цветовой треугольник, в вершинах которого располагаются основные цвета X, У, Z новой системы. Тогда сами цвета будут нереальными, так как лежат вне поля реально существующих цветов, за локусом. Поскольку при переходе от системы RGB к системе XYZ преобразования осуществляются по соотношениям линейной алгебры, выражения для цветов X, Y, Z при помощи комбинации реально существующих цветов R, G, В имеют следующий вид:

где R_x = 0,4185; G_x = - 0,0912; B_x = 0,0009;

R_Y=- 0,1588; G_Y= 0,2524; В_Y= 0,0025;

R_z = -0,0829; G_z = 0,0157; B_z = 0,1786 - координаты цвета основных цветов X, Y, Z новой системы, выраженные в координатном пространстве системы RGB.

Любой цвет, например F, в системе XYZ выражается цветовым уравнением

где X, Y, Z - координаты цвета, т. е. величины, указывающие, в каких количествах необходимо взять основные цвета для получения цвета, зрительно тождественного цвету F.

Координаты цветности:

; ; ,

где - цветовой модуль.

Рисунок 18 - Кривые сложения цветов в системе XYZ.

На основе уравнений перехода от одной цветовой системы к другой удельные координаты однородных излучений , , в системе RGB были пересчитаны для системы XYZ, в результате получены кривые , , (рисунок 18). Удельные координаты однородных излучений единичной мощности даны в таблицах. Отрицательные значения координат цвета однородных излучений отсутствуют, так как цветности основных цветов выбраны исходя из условия, что все координаты должны быть положительными.

Координаты цвета сложного излучения, имеющего спектральное распределение φ(λ), рассчитываются с помощью удельных координат точно так же, как и в системе RGB:

Расчетная система XYZ построена так, что только одна координата Y определяет количественную характеристику излучения - яркость. Основные цвета X, Y, Z выбраны таким образом, что относительные яркости их единичных цветов, т.е. их яркостные коэффициенты,

; ; .

Таким образом, для упрощения расчетов было принято, что яркости двух основных цветов X и Z равны нулю. В этом случае яркости цветов, получаемые смешением цветов X, Y и Z, будут совпадать с яркостью основного цвета Y. Отсюда L_x = L_z = 0; L_Y = 683 кд/м², а Λ_Y=1.

Так как только координата Y определяет яркость цвета, то, следовательно, кривая сложения выражает относительную яркость спектральных цветов излучений одинаковой мощности. Поскольку относительная яркость спектральных цветов излучений одинаковой мощности определяется кривой V(λ), кривая сложения совпадает с кривой V(λ) для монохроматического излучения в условиях дневного зрения. Тогда для Y примет вид

Яркость L_F цвета F в расчетной системе XYZ равна

причем если определяется цвет излучения, отраженного от какого-либо освещенного образца или прошедшего через него, то координата цвета Y численно совпадает с коэффициентом отражения или пропускания этого образца.

Основу цветовых расчетов составляет свойство аддитивности цветов при их смешении. Это свойство является следствием опытного закона, заключающегося в том, что цвет смеси нескольких излучений зависит только от их цветов и не зависит от их спектральных составов.

Пусть, например, смешиваются два цвета: F₁=X₁[X]+Y₁[Y]+Z₁[Z] и F₂=X₂[X]+Y₂[Y]+Z₂[Z], причем F₁ и F₂- цвета, заданные произвольными излучениями, а правые части равенств - те же цвета, полученные смесями трех основных цветов.

Цвет смеси: F₃=F₁+F₂=X₃[X]+Y₃[Y]+Z₃[Z], где Х3=Х+Х₂; Y₃=Y₁+Y₂; Z₃=Z₁+Z₂.

Коэффициенты цветности смеси: x₃=X₃/σ; y₃=Y₃/σ; z₃=Z₃/σ, где σ=X₃+Y₃+Z₃.

Рассмотрим характерные примеры цветовых расчетов.

Цвет монохроматического излучения. Дано монохроматическое излучение с λ = 550 нм, поток излучения которого Ф_е(λ) = 10 Вт. Найти координаты цвета однородного излучения.

Для определения координат цвета однородного излучения используем таблицу ординат кривых сложения , , . Находим удельные координаты и координаты цвета однородного излучения с λ=550 нм: =0,4434; =0,9950; =0,0087. Координаты цвета: Х=4,334; Y=9,950; Z=0,087.

Цвет излучения с линейчатым спектром. Дан поток Ф_е°(λ) линейчатого спектра, состоящего из п линий, т. е. п однородных излучений,

Коэффициенты цвета каждого однородного излучения (каждой линии): ; ; .

Коэффициенты цвета суммарного излучения Ф_е°(λ), состоящего из п линий, равны

Цветовой модуль (алгебраическая сумма координат цвета)

Коэффициенты цветности излучения, состоящего из п линий,

; ; ,

где , , - удельные координаты i-й линии;

Ф_е(λ)_i; — поток излучения i-й линии.

Рассмотрим пример расчета, координат, цвета и цветности излучения ртутной лампы, имеющей спектр, состоящий из шести линий.

Цвет излучения имеющего сплошной спектр. Для излучения, имеющего сплошной спектр, расчеты проводятся, исходя из однородных излучений, взятых через определенные промежутки длины волны.

Пусть поток излучения , где — спектральная плотность потока излучения.

Рассчитаем основные цветовые характеристики, а именно: координаты цвета и координаты цветности.

Для нахождения координат цвета видимый спектр разбивают на п интервалов, в пределах которых излучение можно считать однородным. Обычно берут Δλ=10 нм. Тогда координаты цвета

Для определения цветовой температуры источников, знание которой необходимо для решения многих метрологических задач, особенно для нахождения цветовой температуры Т_с источников, например газоразрядных, цвет которых не совсем совпадает с цветом тепловых источников излучения, т. е. не попадает на линию цветности черного тела, можно использовать равноконтрастный график. Для оценки Т_с на равноконтрастный график наносят координаты цветности излучения исследуемого источника. Затем из этой точки опускают перпендикуляр к линии цветности черного тела и находят цветовую температуру излучения.

Если необходимо определить Т_с в системе XYZ, то на увеличенном фрагменте цветового графика ху строят линии, соответствующим этим перпендикулярам (рисунок 19). Поскольку цветовой график ху не является равноконтрастным, линии пересекают линию цветности черного тела не под прямым углом. Например, если люминесцентная лампа дневного цвета имеет цветность, лежащую на линии, проходящей через точку линии цветности черного тела, соответствующую Т_с=5000 К, то этот источник света имеет цветовую температуру 5000 К.

Для нахождения Т_с тепловых источников света используют метод сине-красного отношения, поскольку об их цветовой температуре можно судить по отношению спектральной плотности излучения в двух малых зонах, расположенных на краях видимого спектра. Для этого находят отношение фототоков фотоэлемента при работе с синим и красным светофильтрами, а затем по градуировочной кривой определяют цветовую температуру источника излучения.

Рисунок 19 – Линии постоянных значений цветовой температуры излучений на цветовом графике МКО 1931

В последнее время для целей освещения используются источники света, которые должны не только обладать цветом излучения, близким к дневному, но и обеспечивать правильную передачу цветов освещаемых предметов. Однако относительное спектральное распределение их энергии излучения не всегда обеспечивается. Такое различие является причиной того, что цвет предметов, освещенных искусственными источниками и естественным светом, воспринимается по-разному.

Характеристика, оценивающая влияние спектрального состава излучения источника света на зрительное восприятие цветных объектов в сравнении с восприятием тех же объектов, освещенных стандартным источником, называется цветопередачей.

Однако хорошие цветопередающие свойства источника трудно сочетать с его эффективностью, в частности со световой отдачей. Более того, иногда воспроизведение спектрального распределения энергии естественного света практически невозможно из-за наличия у источника излучений мощных линий ртути, которые к тому же нельзя подавить и которые необходимы для возбуждения свечения люминофора.

Для оценки того, как источник влияет на восприятие цвета по сравнению со стандартным, введен индекс цветопередачи источника света. Индекс цветопередачи является мерой соответствия зрительного восприятия цветных объектов, освещаемых выбранным и стандартным источниками света в определенных условиях наблюдения (наблюдатель должен обладать нормальным цветовым зрением и быть адаптированным к окружающей световой обстановке при освещении каждым из источников). Стандартный источник, с которым производится сравнение, берут таким, чтобы при создаваемом им освещении объект имел естественный цвет.

Индекс цветопередачи R_a рассчитывается по формуле

где Δ — цветовое различие, среднее арифметическое из восьми значений ΔE_a для восьми цветов:

где и, v - координаты равноконтрастного цветового графика МКО;

u₀_i, v₀_i - координаты цветности i-гo образца относительно стандартного излучения;

u_k, v_k - координаты цветности исследуемого излучения; u₀, v₀ - координаты цветности стандартного излучения.

Источники, обладающие хорошими цветопередающими свойствами, имеют R_a=95 и более.

При расчете R_a какого-либо источника из стандартных выбирают источник, наиболее близкий по цветовой температуре.

4.3 Рабочее задание

4.3.1 Расчет цветовых характеристик излучения можно производить либо с использованием программ Excel, MathCAD и др., либо созданием программы расчета посредством любого языка программирования. Для выполнения расчета составить алгоритм.

4.3.2 Для заданных преподавателем источников света по спектральным характеристикам из каталога определить значения потоков излучения по длинам волн Ф_е°(λ) спектра.

4.3.3 Определить удельные координаты цвета каждого однородного излучения, используя таблицу ординат кривых сложения , , .

4.3.4 Рассчитать координаты цвета однородного излучения: Х_i, Y_i, Z_i.

4.3.5 Рассчитать коэффициенты цвета суммарного излучения Х, Y, Z и цветовой модуль s.

4.3.6 Рассчитать коэффициенты цветности излучения x, y, z.

4.3.7 По диаграмме цветности ху с линиями равного цветового тона и чистоты по отношению к источнику Е или А определить цветовой тон излучения, характеризуемый доминирующей длиной волны λ_d, и чистоту цвета р.

4.3.8 Результаты расчета вывести в табличном виде (таблица 3).

4.3.9 Сделать выводы по работе.

Таблица 3 – Расчет координат цвета лампы по спектральному составу излучения

Номер линии	λ, нм	Ф_е(λ), Вт	Удельные координаты цветов однородных излучений	Координаты цвета однородных излучений

1 2 … n

4.4 Контрольные вопросы

4.4.1 Теория трехкомпонентного цветового зрения Юнга - Гельмгольца.

4.4.2 Основные физиологические цвета. КЗС-приемники.

4.4.3 Аддитивное и субтрактивное образование цвета. Построение колориметрических систем.

4.4.4 Система RGB. Графическое изображение цветности.

4.4.5 Преобразование колориметрических систем. Расчетная система XYZ.

4.4.6 Система l, λ_d, р. Стандартные источники белого излучения А, В, С, Е. Цветовые атласы.

4.4.7 Цветовые расчеты в системе XYZ.

4.4.8 Метод избранных ординат.

4.4.9 Равноконтрастные системы. Измерение цветовой температуры. Индекс цветопередачи.

4.4.10 Общие сведения о получении цвета и его практическом применении.

4.4.11 Оценка качества воспроизведения цвета и способы измерения цвета.

Список литературы

1. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. – М., 1983.

2. Мешков В.В. Основы светотехники: Учебное пособие для вузов. Ч.1 – М., 1979.

3. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники: Учебное пособие для вузов. Ч.2 – М., 1989.

4. Щепина Н.С. Основы светотехники. – М.,1985.

5. Гуторов М.М. Сборник задач по основам светотехники. – М., 1988.

6. Ламехов О.А., Фрид Ю.В., Журкин Г.В. Светотехника и светоизмерения. – М., 1980.

7. Рыков В.И., Четвергов Д.И. Методы и средства измерения световых параметров источников света.- Саранск., 1988.

8. Черноусов П.И., Матвеев А.Б. Лабораторные работы по курсу «Теоретические основы светотехники и фотометрии». – М., 1959.

9. Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике. – М., 1962.

10. Азаренюк В.В. и др. Фотометрия: Учебное пособие. – Саранск., 1979.

11. Епанешников М.М. Электрическое освещение. – М., 1973.

12. Бухштаб М.А., Дойников А.С., Коромысличенко В.А. Фотометрия для инженеров. – Ленинград., 1991.

13. Кривошеев М. А., Кустарев А. К. Цветовые измерения. – М., 1990.

14. Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы, приборы). – Ленинград., 1983.

15. Дойников А. С. Прикладная фотометрия. – М., 1983.

16. Справочная книга по светотехнике/ Под ред. М. Б. Айзенберга. – М., 1995.

17. Тищенко Г. А. Осветительные установки. – М., 1984.

18. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы. – М., 1984.

19. Справочная книга для проектирования электрического освещения / Под ред. Г.М. Кногрринга. – Ленинград., 1976.

20. Трофимова Т.И. Курс физики. –М., 2001.

Доп. план 2004 г., поз.90

Айгуль Сапаровна Алданова

ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ И ФОТОМЕТРИЯ

Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Основы светотехники и фотометрия»

для специальности 330540- Светотехника и источники света

Редактор Ж.М. Сыздыкова

Специалист по стандартизации Н.М. Голева

Подписано в печать __.__.__ Формат 60х84 1/16

Тираж 80 экз. Бумага типографская №1

Объем 2,44 уч.-изд.л. Заказ ____.Цена тг.

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

480013 Алматы, Байтурсынова, 126