Кіріспе

Көрінетін жарықты өлшеу ғылымы

Фотометрия – оптиканың адам көзіне көрінетін жарықтың шамасын өлшеумен айналысатын саласы. Ол объектінің немесе жүйенің шығаратын, өткізетін немесе қабылдайтын жарық мөлшерін сандық тұрғыда бағалаумен шұғылданады. Қазіргі заманғы фотометрияда әрбір толқын ұзындығындағы сәулелену қуаты, адамның жарыққа сезімталдығын модельдейтін жарықтық функциясымен салмақталады. Әдетте, бұл салмақтау функциясы фотопиялық сезімталдық функциясы болып табылады, бірақ скотопиялық функция немесе басқа функциялар да осылай қолданылуы мүмкін. Салмақтар CIE және ISO ұйымдарымен стандартталған. Фотометрия, абсолютті қуат бойынша сәулелену энергиясын (жарық қоса алғанда) өлшеу ғылымы – радиометриядан ерекшеленеді.

Фотометрия және көз

Адамның көзі көрінетін жарықтың барлық толқын ұзындықтарына бірдей сезімтал емес. Фотометрия осыған есеп беруге тырысады, әрбір толқын ұзындығында өлшенген қуатты сол толқын ұзындығында көздің сезімталдығын көрсететін фактормен салмақтап бағалайды. Көздің жарыққа толқын ұзындығына байланысты реакциясының стандартталған моделі жарықтық функциясы арқылы беріледі. Көз жарық жағдайларына (фотопиялық көру) және қараңғы жағдайларға (скотопиялық көру) бейімделгенде толқын ұзындығына байланысты әртүрлі жауап береді. Фотометрия көбінесе көздің фотопиялық реакциясына негізделгендіктен, фотометриялық өлшемдер ай мен жұлдыздардың жарығы сияқты түстерді ажырату мүмкін болмайтын, әлсіз жарық жағдайындағы жарық көздерінің қабылданатын жарықтығын дәл көрсетпеуі мүмкін. Фотопиялық көру шаршы метрге үш кэнделадан жоғары жарық деңгейінде көздің реакциясының ерекшелігі болып табылады. Скотопиялық көру 2 × 10−5 кд/м2 төмен жарық деңгейінде пайда болады. Мезопиялық көру осы шектер арасында кездеседі және спектрлік жауап бойынша толық сипатталмаған.

Фотометриялық шамалар

Электромагниттік сәулеленудің әсерін өлшеу 18 ғасырдың соңында-ақ ғылыми зерттеу саласы болды. Өлшеу әдістері зерттелетін әсерлерге байланысты әр түрлі болды және осыған байланысты әр түрлі терминология пайда болды. Термометрлермен өлшенген инфрақызыл сәулеленудің жалпы жылыту әсері, жалпы энергия және қуат шамаларымен радиометриялық бірліктерді әзірлеуге алып келді. Адам көзінің детектор ретінде пайдаланылуы көздің сезімталдық сипаттамасына сәйкес фотометриялық бірліктердің дамуына себеп болды. Көк сәулеленудің химиялық әсерлерін зерттеу, жалпы дозаны немесе секундына фотондармен өлшенетін актинометриялық бірліктерді анықтауға мүмкіндік берді. Фотометриялық өлшеулерде көптеген түрлі өлшем бірліктері қолданылады. "Жарқын" деген сөз жарық ағыны жоғары (люменмен өлшенеді) жарық көзіне, немесе жарық ағынын өте тар сәулеге шоғырландыратын (канделамен өлшенеді) жарық көзіне, немесе қараңғы фонға қарсы көрінетін жарық көзіне қатысты болуы мүмкін. Жарық үш өлшемді кеңістікте таралу жолдары – таралып, шоғырланып, жылтыр немесе матовый беттерден шағылысуы және жарық көптеген әртүрлі толқын ұзындықтарынан тұратындықтан, жарықты өлшеудің түбегейлі түрлерінің саны көп, сондай-ақ оларды көрсететін шамалар мен бірліктер де көп. Мысалы, кеңселер әдетте жоғары жарық ағыны үшін көптеген кіріктірілген люминесценттік шамдармен "жарық" жарықтандырылады. Лазерлік көрсеткіштің жарық ағыны өте төмен (ол бөлмені жарықтандыра алмайды), бірақ бір бағытта қызыл жарқын (сол бағыттағы жарық интенсивтілігі жоғары).

Ватт пен люменнің айырмашылығы

Ватт – сәулелену ағынының бірлігі, ал люмен – жарық ағынының бірлігі. Ватт пен люменді салыстыру радиометриялық және фотометриялық бірліктер арасындағы айырмашылықты көрсетеді. Ватт – қуаттың бірлігі. Біз шамдарды ваттағы қуатпен есептеуге дағдыланғанбыз. Бұл қуат жарық шығару мөлшерін өлшемейді, керісінше шамның қанша энергия жұмсайтынын көрсетеді. «Жалпы қолданысқа» арналған қыздырғыш шамдардың барлығы дерлік бірдей сипаттамаларға ие болғандықтан (бірдей спектрлік қуат таралуы), қуат тұтыну қыздырғыш шамдардың жарық шығаруына шамамен баға беруге мүмкіндік береді. Ватт сонымен қатар шығыстың тікелей өлшемі болуы мүмкін. Радиометриялық тұрғыдан алғанда, қыздырғыш шамның тиімділігі шамамен 80% құрайды: энергияның 20% жоғалады (мысалы, шамның қосылысы арқылы жылу өткізіледі). Қалғаны сәулелену түрінде шығарылады, көбінесе инфрақызыл сәуле. Осылайша, 60 ваттты шам шамамен 45 ватттық жалпы сәулелену ағынын шығарады. Шындығында, қыздырғыш шамдар кейде жылу көзі ретінде қолданылады (мысалы, тауық балапандарына арналған инкубаторларда), бірақ көбінесе олар жарық беру мақсатында қолданылады. Олар өте тиімсіз, себебі олар шығаратын сәулелену энергиясының көп бөлігі көзге көрінбейтін инфрақызыл сәулелер болып табылады. Ықшам люминесценттік шам 60 ваттты қыздырғыш шамға тең жарық бере алады, бірақ электр қуатын 15 ваттқа дейін ғана жұмсайды. Люмен – жарық шығарудың фотометриялық бірлігі. Көптеген тұтынушылар әлі де шамды тұтынылатын қуаты ретінде қарастырса да, АҚШ-та бірнеше ондаған жылдар бойы шам қаптамасында жарық шығаруын люмендермен көрсету сауда талабы болып табылады. 60 ваттты шамның қаптамасы, 15 ваттты Ықшам люминесценттік шамның қаптамасы сияқты, шамамен 900 люмен жарық беретінін көрсетеді. Люмен – бір кандела күшіндегі нүктелік көздің бір стерадианға берген жарық мөлшері ретінде анықталады; ал кандела, SI жүйесіндегі негізгі бірлік, 540 терагерц жиілігі бар монохроматикалық сәулелену көзінің жарық қарқындылығы және стерадианға 1/683 ватт сәулелену қарқындылығы ретінде анықталады. (540 ТГц шамамен 555 нанометрге сәйкес келеді, бұл жасыл түсті толқын ұзындығы, оған адам көзі ең сезімтал. 1/683 саны стандартты шамға жуық болуы үшін таңдалған. Осы анықтамаларды біріктіргенде, 555 нанометрлік жасыл жарықтың 1/683 ватты бір люмен беретінін көреміз. Ватт пен люмен арасындағы қатынас жай ғана масштабтау факторы емес. Біз мұны білеміз, себебі 60 ваттты шам және 15 ваттты Ықшам люминесценттік шам екеуі де 900 люмен бере алады. Анықтама бізге 1 ватт таза жасыл 555 нм жарық 683 люменге тең екенін айтады. Ол басқа толқын ұзындықтары туралы ештеңе айтпайды. Люмендер фотометриялық бірліктер болғандықтан, олардың ваттқа қатынасы толқын ұзындығына байланысты, оның көрінуіне қарай. Мысалы, инфрақызыл және ультракөк сәулелері көрінбейді және есепке алынбайды. Инфрақызыл сәулеленудің бір ватты (қыздырғыш шамнан шығатын сәулеленудің көп бөлігі осыған жатады) нөл люменге тең. Көрінетін спектрде жарықтың толқын ұзындығы «фотопиялық спектрлік жарық тиімділігі» деп аталатын функцияға сәйкес салмақталады. Бұл функцияға сәйкес, 700 нм қызыл жарық 555 нм жасыл жарықпен салыстырғанда шамамен 0,4% тиімді. Осылайша, 700 нм қызыл жарықтың бір ватты тек 2,7 люменге тең. Осы салмақтаудың нәтижесінде «люмен» бірлігі түссіз: люмен қандай түспен көрінетінін анықтау мүмкін емес. Бұл азық-түлік тауарларын пакет саны бойынша бағалауға ұқсас: нақты мазмұны туралы ақпарат жоқ, тек жалпы салмақталған мөлшерді білдіретін сан.

Фотометриялық өлшеу әдістері

Фотометриялық өлшеулер фотодетекторларға негізделеді, бұл жарыққа түскен кезде электр сигналын тудыратын құрылғылар (әр түрлі типтері бар). Бұл технологияның қарапайым қолданыстарына қоршаған ортаның жарық деңгейіне байланысты шамдарды қосу және өшіру, сондай-ақ белгілі бір нүктеге түсетін жарықтың жалпы мөлшерін өлшеуге арналған жарық өлшегіштер жатады. Жарықтандыру өнеркәсібінде фотометриялық өлшеулердің күрделі формалары жиі қолданылады. Сфералық фотометрлер шамдардың бағытталған жарық ағынын өлшеу үшін пайдаланылады және олардың құрамында шам орталыққа орнатылған үлкен диаметрлі шар болады. Фотоэлемент шамнан барлық жақтан келетін жарықты өлшей отырып, үш ось бойынша айналады. Шамдар мен жарықтандыру құралдары гониофотометрлер мен айналмалы айна фотометрлерімен сыналады, бұл құрылғылар фотоэлементті жеткілікті қашықтықта тұрақтандырады, сонда шам нүктелік көз ретінде қарастырылады. Айналмалы айна фотометрлері шамнан шығатын жарықты барлық бағытта алысқа орналасқан фотоэлементке бағыттау үшін айналардың моторланған жүйесін пайдаланады, ал гониофотометрлер фотоэлементке қатысты шамның бағытын өзгерту үшін айналатын 2 осьті платформаны қолданады. Екі жағдайда да, жарық интенсивтілігі осы деректерден тізімделеді және жарықтандыруды жобалауда қолданылады.