«Фотометрия»

отдел научных измерений, трактующий о сравнении осветительной способности различных источников света и о сравнении степени освещения различных освещенных поверхностей; служащие для означенных целей приборы называются фотометрами. Ф. имеет значительную практическую важность, как средство для суждения о достоинствах различных источников освещения, и ввиду этого подвергалась, особенно в последнее время, внимательной разработке; несмотря на это, Ф. не достигла той степени точности, до которой дошли многие другие отделы техники измерений, и причина этого лежит в значительной мере в том, что окончательным инструментом Ф. является глаз со всеми его особенностями и недостатками. Основным элементом в Ф. является степень освещенности (освещение) какой-либо рассеивающей свет поверхности; глаз непосредственно судит о степени освещения по впечатлению, получаемому сетчатой оболочкой от лучей света, рассеянных этой поверхностью и попавших в глаз; последний легко судит о том, что одна поверхность освещена более или менее другой, и с достаточной точностью может узнать равенство освещения двух каких-либо освещенных и рассеивающих свет поверхностей. Чтобы мерить освещение, нам недостаточно этих чисто физиологических впечатлений, а нужно условиться относительно того, что мы будем называть освещением в 2, 3, 5 раз большим или меньшим данного. Глаз легко убеждается, что освещение падает по мере удаления освещенной поверхности от источника света и при увеличении наклона освещенной поверхности к освещающим ее лучам. Пользуясь этим, можно построить удобную шкалу освещений, если будем исходить из каких-либо теоретических представлений о природе света. Физика учит нас (см. Свет), что источник света является излучателем некоторого рода энергии, распространяющейся волнами в окружающем нас и всепронизывающем эфире. Если источник света по размерам весьма незначителен в сравнении с расстоянием, на котором мы наблюдаем даваемое им освещение, то световую энергию можно представить себе распространяющейся шаровыми волнами, центр которых расположен в источнике. Если мы условимся считать освещенность пропорциональной количеству световой энергии, падающей в единицу времени на освещаемую поверхность, то из представлений о природе света непосредственно следует: 1) освещение данной части освещенной поверхности меняется обратно пропорционально квадрату расстояния этой части от источника освещения, т. е. при удалении в 2, 3, вообще n раз большем, освещение падает в 2²= 4, 3²= 9, вообще n²раз; 2) освещение данной части поверхности падает пропорционально косинусу угла, образуемого лучами, освещающими данную часть, с нормалью к ней, т. е. будет наибольшим, когда лучи падают нормально на поверхность, и наименьшим, когда они касательны к поверхности. Если поверхность обладает значительными размерами, то, очевидно, освещение ее не может быть постоянным на всей поверхности ее, так как и расстояние источника и угол наклона лучей будут, вообще говоря, различными для различных частей поверхности. Если источник света обладает значительными размерами, то надо представить себе его разбитым на небольшие части (элементы) и считать, согласно вышесказанному, освещение поверхности всем источником равным сумме освещений, даваемых отдельными частями его. Притом можем за единицу освещения (степени освещенности) принять освещение, получаемое элементом поверхности, расположенным нормально к лучам света и находящимся на расстоянии единицы от какого-либо условно выбранного источника света; освещение части какой-либо поверхности, находящейся на расстоянии r от этого источника и образующей с нормалью к лучам угол α, выразится тогда числом J = Cosα/r². Данный условно выбранный источник света мы принимаем за исходную единицу меры в Ф. и говорим, что он обладает единицей силы света, так как дает на единице расстояния единицу освещения. Другому источнику света, который в тех же условиях дает освещение в S раз большее, мы приписываем силу света, выраженную числом S; освещение элемента какой-либо поверхности этим источником выразится числом

J = SCosα/r².

Различные источники с силами света s, s₁, s₂... и т. д. могут обладать различной величины излучающими поверхностями σ, σ₁, σ₂... и т. д. Отношение s/σ называются яркостью данного источника света. От яркости источника зависит интенсивность впечатления, испытываемого глазом, когда он глядит непосредственно на источник, освещение же, даваемое источником, зависит лишь от силы света его. Часто непривычный глаз инстинктивно приписывает большую силу света более яркому источнику; так, напр., более яркая лампа накаливания (светящаяся поверхность ничтожна) может казаться более "светлой", чем менее яркая керосиновая лампа (значительная светящаяся поверхность), обладающая той же самой силой света (заметим здесь кстати, что большая яркость, не имеющая ценности в смысле освещения, дает источнику преимущество в известных пределах в смысле различимости его с значительного расстояния). Если светящийся источник имеет значительные размеры и неправильную форму, то сила света его в различных направлениях может быть неодинакова (керосиновая лампа с плоской горелкой, лампа накаливания, вольтова дуга). Чтобы охарактеризовать осветительную способность такого источника света, вводят иногда понятие о средней силе света источника, понимая под этим термином арифметическое среднее из сил света источника по различным направлениям вокруг него; эта величина имеет, однако, лишь сравнительно небольшое практическое значение, так как теми источниками, у которых сила света по различным направлениям сильно различна (вольтова дуга постоянного тока), пользуются обыкновенно лишь по направлениям, близким к направлению наибольшей силы света их. Чтобы сравнить силы света двух источников, освещают каждым из источников какую-либо поверхность и меняют затем условия освещения поверхности одним из источников до тех пор, пока освещения, даваемые обоими источниками, не покажутся глазу одинаковыми; так, напр., мы освещаем лист бумаги свечой, отстоящей от листа на расстоянии одного метра, и удаляем сравниваемую со свечей лампу от другого такого же листа бумаги до тех пор, пока освещения обоих листов не покажутся нам одинаковыми; при этом принимаем меры, чтобы каждый из листов бумаги был освещен только одним из сравниваемых источников света. Пусть при таком испытании лампу нужно удалить от ее листа на 5 метров; на этом расстоянии лампа дает освещение в 5²= 25 раз более слабое, чем на расстоянии одного метра; следовательно, на расстоянии 1 метра освещение, даваемое лампой, было бы в 25 раз сильнее, чем то, которое дает свеча; мы говорим, что сила света лампы равняется 25 свечам. Освещаемые поверхности должны быть наблюдаемы одновременно, так как глаз обладает лишь весьма несовершенной памятью степеней освещения. Лучше всего, если сравниваемые освещенные поверхности соприкасаются или одна из них вполне окружает другую. В этих условиях глаз различает еще разность в освещении около 1 %, причем эта предельная заметная разница (согласно психофизическому закону Вебера-Фехнера) не зависит от абсолютной величины освещения. Если сравниваемые источники обладают точно одинаковым спектральным составом (цветом), то фотометрическое сравнение сил света их может быть, следовательно, произведено таким путем с точностью (в лучших условиях) около 1 %. Если же цвет источников даже только слегка разнится, то точность сравнения в значительной мере падает; сравнение источников различного цвета (напр. свеча и лампа накаливания) представляет огромные затруднения, так как в этих измерениях сравниваются в сущности несравнимые величины. Поэтому точность фотометрических измерений в большинстве случаев значительно ниже и падает до 3 % и даже еще ниже; отдельные наблюдения одного и того же наблюдателя могут согласоваться с точностью до 1 %, но разные наблюдатели ввиду субъективности представления об одинаковости освещения двух поверхностей различного оттенка освещения получат всегда различные результаты. Если еще заметить, что степень чувствительности глаза к разностям в освещении у различных людей различна и даже у одного и того же наблюдателя зависит от разнообразных условий (напр. степени утомления глаза), то ясно будет, почему фотометрические измерения обладают в общем столь малой точностью. Стремление повысить по возможности точность сравнения силы света источников привела к конструкции фотометров — приборов, специально устроенных для наиболее точного и удобного определения равенства освещения двух поверхностей. Первый Ф. был построен Бугером (Bouguer) в середине XVIII-го стол. Белый экран AB (напр. лист белой бумаги) разделяется черной нормальной к нему перегородкой TN (фиг. 1) на две части AN и BN, освещаемые каждая отдельным источником P и S;

Фиг. 1.

если при расстояниях источников, равных L и l, части AN и BN кажутся наблюдателю, глядящему на экран со стороны источников, равноосвещенными, то силы света P и S относятся, как P/S = L²/l². Позже Поттер заменил отражающий экран полупрозрачным экраном из бумаги или матового стекла, наблюдаемым на просвет; затем Ламберт (1760) и Румфорд (1794) и Фуко ввели еще малозначащие усовершенствования в прибор Бугера. Действительным шагом вперед был Ф. Ричи (Ritchie, 1826), изображенный на фиг. 2.

Фиг. 2.

В зачерненном внутри ящичке с отверстиями Е₁и Е₂помещены под углом 45° к оси ящичка зеркала М₁и М₂, отражающие свет от сравниваемых источников S и P на полупрозрачную бумагу sc; это дало возможность располагать источники по одной прямой, наблюдателю же находиться сбоку. Позже Ричи заменил М₁и М₂одинаковыми кусками матовой белой бумаги, а вместо экрана sc оставил отверстие, сквозь которое на экраны М₁и М₂глядел наблюдатель. Этот последний Ф. Ричи послужил прототипом множества других, отличающихся от него только деталями. Из них интересен Ф. С. Томпсона (1893), в котором бумажные экраны имеют лопасти А₁В A₂(фиг. 3), так что поле, освещенное одним источником, вдается в поле другого источника, что увеличивает точность установки; при одинаковой окраске источников границы между полями исчезают, и вся призма М₁М₂(фиг. 2) кажется одной равномерно освещенной площадью.

Фиг. 3.

Большим успехом в Ф. явился Ф. Бунзена (Bunsen, 1841), который в простейшем виде (фиг. 4) представляет экран Ρ из полупрозрачной бумаги с масляным, более прозрачным пятном в середине экрана; расстояния источников L и К подбираются так, чтобы пятно показалось исчезнувшим наблюдателю, глядящему на экран сбоку, с одной стороны его.

Фиг. 4.

Теория этого Ф. следующая: пусть а, b будут дроби, показывающие, какая часть света падающего отражается и пропускается бумагой экрана, а а₁и b₁пусть будут те же величины для масляного пятна; пусть расстояния источников L и К от экрана будут d и d₁. Тогда освещение бумаги с левой стороны экрана будет (L/d²)a + (K/d₁²)b, а освещение пятна с той же самой стороны экрана будет (L/d²)a₁+ (K/d₁²)b₁. Если пятно исчезло с левой стороны экрана, то эти две величины равны друг другу, откуда следует

(L/d²)(a — a₁) = (K/d₁²)(b₁— b).. . (m).

Если мы заменим источник К другим, М, то для исчезновения пятна опять с левой стороны необходимо будет удалить M на расстояние d₂, что даст равенство

(L/d²)(a — a₁) = (M/d₂²)(b₁— b).. . (n).

Разделяя (m) на (n), находим K/M = (d₁)²/(d₂)². Этот способ пользования Ф. Бунзена дает возможность сравнить силы света источников К и M, причем источник L является лишь вспомогательным; существенной роли в самом измерении он не играет, но должен, очевидно, в течение всего измерения сохранять постоянную силу света. Кроме этого (наиболее употребительного) способа пользования Ф. Бунзена, существуют и другие, на которых не останавливаемся. Ф. Бунзена подвергался многочисленным изменениям и усовершенствованиям, неоднократно исследовался с теоретической (L.Weber, "Annalen der Physik u. Chemie", 31 т., 1887 г.) и практической точек зрения и являлся до конца 80-х годов истекшего столетия несомненно лучшим Ф.; ввиду своей чрезвычайной простоты и сравнительно большой чувствительности он и теперь еще широко применяется в практической фотометрии. В 1889 г. гг. Луммер и Бродгун (Lummer и Brodhun) построили новый Ф. по типу Бунзена, но отличающийся от последнего в высшей степени существенными усовершенствованиями. Бумажный экран и масляное пятно в их приборе заменены двумя прижатыми друг к другу стеклянными прямоугольными призмами А и B (фиг. 5), одна из которых (А) отшлифована сферически по поверхности гипотенузы и снабжена небольшой круглой плоской фасеткой rs, прижатой к гипотенузной поверхности другой призмы.

Фиг. 5.

Свет от источника m рассеивается поверхностью l₁непрозрачного белого экрана ik (гипсовая матовая пластинка) и отражается зеркалом f₁на поверхность dp призмы A; свет, попадающий на фасетку rs, проходит дальше, свет же, попадающий на остальную выпуклую поверхность призмы, отражается назад. Если источника n нет, то наблюдатель, глядящий в лупу οω, видит светлый кружок на темном фоне. Лучи от источника n, идущие по пути n — l₂— f₂— bc, отражаются в лупу οω всей поверхностью ab призмы В, кроме части rs, сквозь которую лучи свободно проходят дальше. Если нет источника m, то наблюдатель видит светлое поле с черным кружком в центре. Если имеются оба источника, то наблюдатель видит либо более светлое, либо более темное, чем фон, пятно, смотря по тому, сильнее ли освещение, даваемое в l₁источником m, или освещение в l₂, даваемое источником n. Когда эти освещения равны, то пятно исчезает и в лупу виден равномерно освещенный фон. На фиг. 6 изображен вскрытый ящичек, в котором расположены все части Ф. Луммера и Бродгуна; P —-рассеивающий свет экран, f — зеркало, А и В — призмы, r — лупа.

Фиг. 6.

В действительности видимое в приборе поле несколько более сложно и состоит обыкновенно из двух трапецеидальных полей на более светлом или темном фоне, исчезающих при равенстве освещений. Дальнейшим усовершенствованием прибора было применение к нему принципа "равного контраста". Опыты показали, что глаз в высшей степени чувствителен к разнице в освещении двух полей, симметрично расположенных посреди третьего поля, слегка более темного или более светлого; глаз свободно замечает разницу в 0,5 % в освещении этих полей, между тем как при сравнении полей, не выделяющихся на каком-либо иначе освещенном фоне, наименьшая замечаемая глазом разница равна около 1 %. Чувствительность глаза зависит от величины контраста между полями и фоном и растет вместе с уменьшением контраста. В "контрастном" Ф. Луммера и Бродгуна контраст достигается соответственным уменьшением освещения полей стеклянными пластинками, поставленными на пути лучей; источники света передвигаются до тех пор, пока контраст между фоном и обоими полями совершенно одинаков. Величина контраста между полями и фоном около 3 %. Этот фотометр — наиболее совершенный современный фотометрический прибор; авторы указывают, что с ним достижима точность измерений до 0,25 %. Нужно, однако, заметить, что этот прибор только в руках очень опытных и внимательных наблюдателей может дать столь исключительную точность, обычная же точность измерений не превышает той, которая достижима с хорошим Ф. Бунзена. Своеобразный экран для Ф. был предложен Эльстером (1868) и затем Жолли (Jolly, 1888); он состоит из двух толстых пластинок А и В из парафина или опалового стекла (фиг. 7), плотно приложенных друг к другу одной из поверхностей и разделенных тончайшим листком олова.

Фиг. 7.

Свет сравниваемых источников падает на матовые поверхности а и а₁и, рассеявшись в массе А и В, освещает полированные поверхности с и с₁; источники перемещаются, пока с и c₁не покажутся одинаково освещенными и не сольются в одну однородно освоенную поверхность.

Во многих поляризационных Ф. ослабление освещения производится не удалением одного из источников от Ф., но при помощи двух поляризующих призм. Как известно, сила света, прошедшего последовательно через две поляризующие призмы, зависит от угла между главными сечениями (см. Двойное лучепреломление) призм и пропорциональна квадрату косинуса угла между ними; поворачивая одну из призм вокруг ее оси и измеряя угол поворота, можно ослабить силу светового пучка, проходящего через призмы, в желаемой мере (Ф. Целльнера). В других поляризационных Ф. (напр. Ф. Вильда) пользуются явлениями, видимыми при освещении Ф. двумя пучками света, поляризованными в перпендикулярных плоскостях и имеющими неодинаковую силу, но исчезающими, когда сила пучков одинакова. Так, напр., в поле Ф. Вильда видны радужные параллельные полоски; свет от сравниваемых источников поляризуется в двух перпендикулярных плоскостях, и расстояние источников до Ф. меняется до тех пор, пока полоски не исчезнут. Существует еще много других видов поляризационных Ф.; многим из них приписывалась чрезвычайная чувствительность (Вильд дает для своего фотометра 0,2 %), но легко понять, что чувствительность их не может быть больше, чем у хороших обыкновенных Ф., так как и в них окончательным мерилом чувствительности является степень восприимчивости глаза к контрасту в освещении или окраске двух соприкасающихся полей. Будучи более сложными и деликатными, чем обыкновенные Ф., поляризационные Ф. не привились в практической Ф.; единственным полем применения, где они оказывают неоценимые услуги, является астрофотометрия (см.) и некоторые вопросы чисто научной Ф. Чтобы выразить числом силу света, даваемую данным источником, необходимо сравнить его с другим, сила света которого принята за единицу. Такой источник (эталон силы света) должен удовлетворять следующим условиям: 1) спектральный состав излучаемого им видимого света не должен сильно отличаться от состава света наиболее употребительных источников; 2) он должен быть прост по устройству и в обращении; 3) он должен быть постоянен; 4) он должен быть легко воспроизводим. Ни один из имеющихся эталонов не может удовлетворять вполне всем этим условиям; наименее удовлетворяют им так наз. нормальные свечи, применяющиеся, однако, и до сих пор. Английская нормальная свеча изготовлена из спермацета с легкой примесью (4 %) воска согласно точно установленным правилам и сжигает 7,76 гр. спермацета в час при вышине пламени в 45 мм. Немецкая нормальная свеча была установлена в 1869 г. съездом деятелей по газовому освещению (Vereinskerze); она изготовлена из парафина (точка плавления 55° Ц.) и при вышине пламени в 50 мм сжигает 7,6 гр. в час; размеры и детали приготовления ее точно установлены постановлениями съезда. Эти свечи, точно так же, как и все другие, предлагавшиеся в разное время, имеют крупные недостатки: сила света их заметно зависит от свойств светильни, от способа обрезывания его, от ничтожных изменений в характере материала и иногда внезапно меняется в течение горения вследствие незначительного изменения в характере пламени. Лампа Карселя (см.), введенная в 1802 г. и еще недавно бывшая единственным эталоном, применявшимся во Франции, также оставлена вследствие непостоянства ее; та же участь постигла газовую нормальную лампу Метвена (1878) и пентановую лампу Гаркорта (1877). В настоящее время все эти источники уступили место нормальной лампе Гефнер-Альтенека (1884), усовершенствованной в Имперском физическом институте (Physikalische Reichsanstalt) в Берлине и принятой в этом виде за нормальную единицу электрическим конгрессом 1893 г. Эта лампа, точные размеры которой были выработаны в Имперском институте, сжигает чистый амилацетат (С₅Н₁₁С₂Н₈О₂) плотности 0,872 при 15° Ц. Нормальная вышина пламени 40 мм; чтобы иметь возможность поддерживать эту вышину постоянной, лампа (фиг. 8) снабжается особым визиром G с горизонтальной пластинкой, которая должна казаться касающейся острой верхушки пламени при нормальном горении лампы.

Фиг. 8.

Изготовляемые различными заводами лампы Гефнера могут быть посылаемы для проверки в германский Имперский институт. Эта лампа есть несомненно лучший и поэтому общепринятый эталон силы света; единственным недостатком ее является слегка красноватый оттенок света ее. Интересная попытка создать "абсолютный эталон" единицы силы света была сделана Виоллем (Violle), согласно предложению которого Международный электрический конгресс 1881 г. в Париже принял за единицу силы света — свет, излучаемый 1 кв. см поверхности расплавленной платины в момент ее затвердевания. Этот эталон, имеющий значительные теоретические преимущества перед всеми другими (белизна света, полное постоянство), не нашел, однако, практического применения, как вследствие крайней дороговизны (требует около килограмма платины), так и вследствие большой сложности всего устройства его. Попытки упростить (Сименс) и усовершенствовать (Милиус и Ферстер) его не привели к желаемым результатам. Несмотря на это, одна двадцатая единицы Виолля была все же принята во Франции за вспомогательную единицу и названа "децимальной свечой". Тщательные сравнения между описанными выше эталонами привели к следующим соотношениям между ними:

Сила света наиболее употребительных эталонов весьма незначительна, как видно из приведенной таблицы. Это представляет значительное затруднение при Ф. сильных источников света (напр. вольтовых дуг), которые для достижения равенства освещения приходится (при непосредственном пользовании этими эталонами) удалять на огромные расстояния от Ф. Чтобы избежать этого, применяют более сильные промежуточные (вспомогательные) эталоны, т. е. источники света, отличающиеся постоянством и раз навсегда точно сравненные с нормальным эталоном, напр. лампой Гефнера. Испытуемый источник света сравнивается с промежуточным эталоном; зная значение последнего в единицах Гефнера, легко вычислить и силу света исследуемого источника в тех же единицах. В качестве промежуточных эталонов применяются обыкновенно лампы накаливания (в 16 или 25 св.), тщательно испытанные при некотором определенном напряжении тока и сверяемые от времени до времени с основным эталоном; эти лампы накаливания питаются аккумуляторной батареей, а не динамо-машинами, так как ничтожные колебания в напряжении на зажимах лампы, неизбежные при пользовании динамо-машиной, очень заметно отзываются на силе света, даваемой лампой. Фотометрические измерения производятся в специальных темных комнатах, в которых стены, пол, потолок и мебель выкрашены в матовый черный цвет, для того чтобы избежать в комнате присутствия света рассеянного. Для более удобного и правильного расположения приборов и для облегчения определения расстояния между ними источники и Ф. располагаются на фотометрической скамье; часть подобной установки изображена на фиг. 9.

Фиг. 9

На двух длинных (3 м) рельсах а и b ходят на колесиках стойки, на которых располагаются сравниваемые источники (напр. лампа накаливания А и лампочка Гефнер-Альтенека С) и фотометрический прибор (напр. Ф. Луммера и Бродгуна В). Расстояния между источниками и Ф. отсчитываются по шкале, нанесенной на одном из рельсов. На этом же рисунке виден ряд вспомогательных приспособлений, применяемых в Ф. Часть А представляет станок, посредством которого испытуемая лампа накаливания может быть приведена в желаемое положение относительно Ф.; пользуясь таким прибором, можно измерить силу света, излучаемую лампой в различных направлениях (см. Электрическое освещение). Часть F представляет столик, вдвигаемый в одну из стоек; на нем располагают исследуемый источник света (напр. керосиновую лампу). Части Е и D служат для Ф. вольтовых дуг. Так как сила света вольтовых дуг чрезвычайно велика (до нескольких тыс. гефнеров), то при сравнении вольтовой дуги с эталоном пришлось бы первую удалить на огромное расстояние от Ф., что очень неудобно. Чтобы избежать этого, ослабляют освещение, даваемое дугой, при помощи рассеивающих чечевиц Е, располагаемых между дугой и Ф.; зная расстояния между дугой и чечевицей и фокусное расстояние чечевицы, можно рассчитать, во сколько раз чечевица ослабляет освещение, даваемое дугой. При исследовании силы света, излучаемого источником в различных направлениях (см. Электрическое освещение), пользуются зеркалом D; отразив свет при помощи зеркала на Ф., можно, поворачивая зеркало, исследовать силу света источника в желаемом направлении; пользуясь зеркалом, необходимо, однако, предварительными опытами определить, какой процент света теряется при отражении. Если принять лампу Гефнера за единицу силы света, то единица освещения будет освещение, даваемое единицей Гефнера на расстоянии одного метра (Гефнер-метр); часто еще применяемая единица "метр-свеча" близко (10—15 % разницы) равна единице "Гефнер-метр". Освещение, даваемое децимальной свечой на расстоянии одного метра, получило особое название "люкс" (lux — свет). Чтобы дать представление об этих единицах освещения, скажем, что наиболее яркое дневное освещение (см.) в комнатах доходит до 300 г.-м; в наиболее темных углах комнат имеется до 10 г.-м; минимум освещения, потребный для чтения без напряжения глаз, около 10 г.-м; наилучшее освещение для чтения около 50 г.-м., хорошее ночное освещение улиц достигается уже при 2 г.-м. Измерение освещения является вопросом чрезвычайно важным для решения задачи о рациональном в смысле гигиены и комфорта освещении внутренних помещений и улиц. Ввиду этого приобретают особую практическую важность Ф. для измерения освещения, специально предназначенные для этой последней цели, независимо от того, какой источник света дает измеряемое освещение. Ф. этой группы отличаются от вышеописанных простотой конструкции и удобопереносностью; они не стремятся к высокой точности обычных Ф., но дают зато возможность мерить непосредственно в метр-св. или гефнер-метр. освещение, напр., листа бумаги в данном месте пространства. Примером простейшего типа этих Ф. является Φ. Гоустона и Кеннели (фиг. 10).

Фиг. 10.

Ящичек, зачерненный внутри, заключает выступ В с наклеенным на поверхность В куском бумаги, покрытым буквами или мелкими рисунками, и лупой Е, установленной так, что наблюдатель отчетливо видит в нее эти буквы или рисунки. В верхней части ящика находится окно, закрытое куском опалового стекла W и задвигающееся при помощи пластинки S. Расположив окно W в желаемом направлении, задвигают S до тех пор, пока знаки на В не перестанут быть видимыми, и отсчитывают перемещение S по шкале, которую предварительно отградуировали в м.-св. при помощи какого-либо более хорошего фотометра. Для этой последней цели ставят W на различных расстояниях от нормальной свечи и каждый раз определяют перемещение S, при котором исчезают знаки. Этот Ф. малоточен, так как минимальное освещение, при котором исчезает возможность различать знаки, не есть величина постоянная для разных глаз и даже в разное время для одного и того же глаза; точность этого Ф. всего ок. 10 %. В Ф. Приса и Троттера (фиг. 11) наклонный матовый бумажный экран D освещается одной или двумя лампочками накаливания L, питаемыми небольшой переносной батареей аккумуляторов.

Фиг. 11.

Свет, рассеянный D, проходит через 3 звездообразных отверстия белого матового экрана S, освещаемого испытуемым светом. Посредством рукоятки, передвигаемой вдоль шкалы G, меняют наклон D до тех пор, пока звездочки не исчезнут на фоне S. Шкала G калибрируется как выше, и отсчет по передвижению рукоятки дает непосредственно освещение экрана S в м.-св. Два описанных Ф. находят широкое применение при исследовании освещения улиц, площадей и т. д.; если дело идет об исследовании освещения дуговыми фонарями, свет которых заметно белее света ламп накаливания, то в Ф. Приса экрану D дают слегка синеватый, а экрану S слегка желтоватый оттенок, что значительно облегчает установку Ф. на исчезновение звездочек. Несколько более точен, но зато более сложен и менее компактен Ф. Петрушевского. Устройство школьно-гигиенического Ф. проф. Ф. Ф. Петрушевского (1884) видно на фиг. 12.

Фиг. 12.

В фонаре AB расположена керосиновая лампа С, пламя которой закрыто жестяным щитком с прорезом особой формы, пропускающим свет лишь определенной небольшой части пламени; опыты показали, что при надлежащем обращении с лампой сила света, выходящего из отверстия щитка, в достаточной степени постоянна. Свет лампы проходит через два матовых стекла и освещает наклонный бумажный экран G, помещенный внутри жестяного открытого снизу ящичка М, вращающегося вокруг трубки N. Между двумя матовыми стеклами ходит диафрагма в виде кружка (2) с расширяющимся прорезом, вращающегося вокруг оси, вделанной в корпус фонаря ниже N. Поворачивая диафрагму, можно менять степень освещения экрана G. Если желают, напр., измерить освещение поверхности школьного стола (4), то, поставив на него Ф. и положив на стол кусок бумаги, направляют отверстие ящичка M на бумагу. Наблюдатель видит тогда в трубу R половину поля зрения закрытой экраном G, освещенным лампой; другая половина поля зрения (3) принадлежит бумаге КК. Вращая кружок-диафрагму, находят такое положение его, когда обе половины поля кажутся одинаково освещенными; по указателю, связанному с N, при движении шкалы, нанесенной на круге L, отсчитывают непосредственно освещение КК в м.-св. Шкала градуируется предварительными опытами, непременно для каждого экземпляра этого Ф. особенно. Более точен, но и гораздо дороже и сложнее фотометр Вебера (фиг. 13).

Фиг. 13.

Источником света в нем служит бензиновая лампочка b, освещающая матовое стекло f; пройдя сквозь последнее, лучи света от лампы попадают на систему призм Луммера и Бродгуна (см. выше) и дают освещение фона поля, видимого в отверстие О. Труба К направляется на лист бумаги (как в Ф. Петрушевского), освещающий рассеянным светом центральный кружок в поле зрения системы призм. Выдвигая трубу А и удаляя этим лампочку от матового стекла f, изменяют освещение фона до тех пор, пока центральное пятно не сольется с фоном; освещение в гефнер-метр. отсчитывается по шкале на трубе А, градуированной предварительными опытами. Призма S служит для облегчения наблюдений, когда труба направлена так, что неудобно приложить глаз к отверстию O. Если желают сравнить силы света двух источников, то в g вдвигается матовое стекло, освещаемое исследуемым источником, поставленным на определенном расстоянии от g. Чрезвычайные затруднения представляет сравнение силы освещения от источников, свет которых различно окрашен. Пользуясь обычными фотометрами, почти не удается подогнать даже мало разнящееся по цвету освещение сравниваемых полей так, чтобы они казались всем наблюдателям одинаково яркими. Даже самый вопрос о том, что следует понимать под одинаковым освещением источниками разных цветов, различными учеными решается различно. Мы можем назвать освещения одинаковыми, если количества световой энергии, падающие в единицу времени на 1 кв. см поверхности, будут одинаковы; но физиологическое впечатление от таких равноосвещенных поверхностей может быть самым различными. В настоящее время нужно признать вопрос о практическом сравнении освещения, даваемого разноокрашенными источниками, совершенно открытым, даже неопределенным. Разлагая свет, даваемый двумя различно окрашенными источниками, в спектр, мы получаем два спектра, в которых относительное распределение освещения вдоль спектра может быть совершенно различным. Выделив из обоих спектров два участка одинаковых длин волн, мы можем сравнить силы света этих участков обычными приемами Ф. Проделав эти измерения для всех участков видимого спектра, мы получим полную сравнительную характеристику исследуемых источников относительно спектрального состава их света и относительной интенсивности различных частей спектра их. Такие измерения представляют большой научный интерес, так как приближают нас к решению вопроса о природе явления свечения и зависимости спектрального состава света от различных условий, в которых возникает свечение; практический интерес их заключается в том, что они являются основанием, на котором будут построены дальнейшие успехи в деле освещения. Для подобных измерений служат особые приборы, называемые спектрофотометрами, простейшим примером такого прибора может служить спектрофотометр Крова (фиг. 14).

Фиг. 14.

В поле окуляра обыкновенного спектроскопа à vision directe (см.) расположена щель f, ширина которой и положение в поле могут быть по желанию изменяемы. Поворачивая трубу vf вокруг коробки с призмой Р₁при помощи винта ν и перемещая щель f, мы можем выделить в поле зрения желаемую часть наблюдаемого спектра. Трубка M со шкалой m, освещаемой каким-либо вспомогательным источником света, проектирует в поле зрения шкалу (см.), по которой можно определить наблюдаемый участок спектра. Щель n спектроскопа разделена на две примыкающие друг к другу части, расположенные вертикально одна над другой; одна из них освещается через чечевицу l одним из двух сравниваемых источников света, другая через трубу NN' и призмочку р другим источником (более сильным). В трубе NN' помещены два николя N и N'; поворачивая N' вокруг N и измеряя угол поворота, мы можем в желаемой степени ослабить освещение половины щели, отвечающей этому источнику. Наблюдатель видит через окуляр С два расположенных друг над другом и соприкасающихся спектра от двух источников света; выделив желаемую часть спектра, наблюдатель уменьшает поворачиванием N освещение части щели, даваемое более сильным источником, до тех пор, пока видимые в трубу части спектра не покажутся одинаково яркими. Переходя от одной части спектра к другой и замечая необходимые для уравновешивания яркости различных частей двух спектров углы поворота николя, наблюдатель получает характеристику относительного распределения яркости в спектре одного источника сравнительно с другим. Еще более прост спектрофотометр Фирорда (Vierordt), в котором ослабление освещения спектра достигается уменьшением ширины щели. Из многих конструкций спектрофотометров следует указать на приборы Глана (Glan) и Кенига (König), отличающиеся значительной точностью, и на прекрасный спектрофотометр Луммера и Бродгуна, в котором применено то же фотометрическое приспособление, что и в Ф. названных ученых. Метеорологическую Ф. — см. в специальной статье. Астрономическая Φ. см. Астрофотометрия и Астрономическая фотография. См. также выше. Подробнее о Ф. и литературе ее см. подробные курсы физики (напр. "Курс физики" О. Д. Хвольсона, т. II), а также специальные сочинения A. Krüss, "Die Electrotechnische Photometrie" (Вена, 1886); A. Palaz, "Traité de photometrie industrielle" (П., 1892), W. Stine, "Photometrical Measurements" (Нью-Йорк, 1900).

А. Г.

(от Фото... и ...метрия (См. …метрия)

раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения (См. Оптическое излучение), испускаемого источниками, распространяющегося в различных средах и взаимодействующего с телами. При этом энергия электромагнитных колебаний оптического диапазона усредняется по малым интервалам времени, которые, однако, значительно превышают период таких колебаний. Ф. охватывает как экспериментальные методы и средства измерений фотометрических величин (См. Фотометрические величины), так и относящиеся к этим величинам теоретические положения и расчёты.

Основным энергетическим понятием Ф. является Поток излучения Ф_е, имеющий физический смысл средней мощности, переносимой электромагнитным излучением. Пространственное распределение Ф_е описывают Энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (или) телесному углу (См. Телесный угол). В фотометрии импульсной (См. Фотометрия импульсная) применяются также интегральные по времени фотометрические величины. В узком смысле Ф. иногда называют измерения и расчёт величин, относящихся к наиболее употребительной системе редуцированных фотометрических величин (См. Редуцированные фотометрические величины)–системе световых величин (См. Световые величины)(освещённости (См. Освещённость), силы света (См. Сила света), яркости (См. Яркость), освечивания (См. Освечивание), светимости (См. Светимость) и пр.; соответствующие энергетические фотометрические величины – энергетическая освещённость, энергетическая сила света, энергетическая яркость и т.д.). Световые величины – это фотометрические величины, редуцированные в соответствии со спектральной чувствительностью (См. Спектральная чувствительность) т. н. среднего светлоадаптированного человеческого глаза (важнейшего для деятельности человека приёмника света (См. Приёмники света); см. Адаптация физиологическая; об условиях, при которых получают характеристики среднего глаза как приёмника, см. ст. Световые величины). Применяются и др. системы редуцированных (по отношению к др. приёмникам) фотометрических величин: эритемные, бактерицидные, фотосинтетические. Изучение зависимостей фотометрических величин от длины волны излучения и спектральных плотностей (См. Спектральная плотность) энергетических величин составляет предмет спектрофотометрии (См. Спектрофотометрия) и спектрорадиометрии. Методы Ф. широко применяются в астрономии для исследования космических источников излучения в различных диапазонах спектра излучения (см. Астрофотометрия, Показатель цвета). Сведение Ф. лишь к измерениям световых величин ошибочно.

Фундаментальный для Ф. закон Е=I/l², согласно которому освещённость Е изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния l от точечного источника с силой света I был сформулирован И. Кеплером в 1604. Однако основоположником экспериментальной Ф. следует считать П. Бугера, который опубликовал в 1729 описание визуального метода количественного сравнения источников света – установления (путём изменения расстояний до источников) равенства освещённостей соседних поверхностей с использованием в качестве прибора глаза. Методы визуальной Ф. применяются в отдельных случаях до настоящего времени (2-я половина 20 в.) и в результате работ сов. учёных, которые ввели понятие т. н. эквивалентной яркости, распространены на область малых яркостей. В зависимости от используемых методов измерения фотометрических величин Ф. условно делят на визуальную, фотографическую, фотоэлектрическую, фотохимическую и так далее.

Начатое И. Ламбертом (1760) развитие теоретических методов Ф. нашло обобщённое выражение в теории светового поля (См. Световое поле), доведённой до стройной системы сов. учёным А. А. Гершуном (30-е гг. 20 в.). Современная теоретическая Ф. распространена на Мутные среды. Теоретическая Ф. основывается на соотношении dФ_е = L_edG, выражающем в дифференциальной форме закон квадратов расстояний; здесь dФ_е –дифференциал потока излучения элементарного пучка лучей, мерой множества которых (см. Мера множества) является дифференциал dG фактора геометрического (См. Фактор геометрический), L_e –энергетическая яркость излучения. Фотометрические свойства веществ и тел характеризуются Пропускания коэффициентами τ, Отражения коэффициентамиρ и Поглощения коэффициентамиα, которые для одного и того же тела связаны очевидным соотношением τ + ρ + α = 1. Ослабление потока излучения узконаправленного пучка при прохождении через вещество описывается Бугера – Ламберта – Бера законом (См. Бугера - Ламберта - Бера закон).

Экспериментальные методы Ф. основаны на абсолютных и относительных измерениях потока излучения различными селективными и неселективными приёмниками излучения (т. е. приёмниками, реакция которых зависит или не зависит от длины волны излучения). Для определения размерных фотометрических величин применяют либо Фотометры с непосредственным сравнением неизвестного и известного потоков, либо фотометры, предварительно градуированные в соответствующих единицах измерения энергетических или редуцированных фотометрических величин. В частности, для передачи значений световых величин обычно используют сличаемые с государственными световыми эталонами (См. Световые эталоны) образцовые и рабочие светоизмерительные лампы – источники с известными фотометрическими характеристиками. Ф. лазерного излучения (См. Лазерное излучение) в основном построена по принципу использования образцовых и рабочих спектрально неселективных приёмников излучения, сличаемых с государственными эталонами мощности и энергии когерентного излучения Лазеров.Измерение безразмерных величин τ и ρ выполняется фотометрами с применением относительных методов, путём регистрации отношения реакций линейного приемника излучения на соответствующие потоки излучения. Применяется также уравнивание реакций линейного или нелинейного приёмника излучения изменением по определённому закону в известное число раз сравниваемых потоков излучения.

Теоретические и экспериментальные методы Ф. находят применение в светотехнике (См. Светотехника) и технике сигнализации, в астрономии и астрофизике, при расчёте переноса излучения в плазме (См. Плазма) газоразрядных источников света и звёзд, при химическом анализе веществ, в пирометрии (См. Пирометрия), при расчётах Теплообмена излучением и во многих др. областях науки и производства.

Лит.: Бугер П., Оптический трактат о градации света, пер. с франц., М., 1950; Гершун А. А., Избр. труды по фотометрии и светотехнике, М., 1958; Мешков В. В., Основы светотехники, ч. 1–2, М. – Л., 1957–61; Тиходеев П. М., Световые измерения в светотехнике. (Фотометрия), 2 изд., М. – Л., 1962; Волькенштейн А. А., Визуальная фотометрия малых яркостей, М. – Л., 1965; Сапожников Р. А., Теоретическая фотометрия, 2 изд., Л., 1967; Гуревич М. М., Введение в фотометрию, Л., 1968.

А. С. Дойников.

1. фотометри́я;
2. фотометри́и;
3. фотометри́и;
4. фотометри́й;
5. фотометри́и;
6. фотометри́ям;
7. фотометри́ю;
8. фотометри́и;
9. фотометри́ей;
10. фотометри́ею;
11. фотометри́ями;
12. фотометри́и;
13. фотометри́ях.

-и, ж.

Раздел физической оптики, занимающийся измерением световых величин (освещенности, яркости, силы света, светового потока и т. д.) и энергетических характеристик электромагнитного излучения.

[От греч. φω̃ς, φωτός — свет и μετρέω — мерю]

ФОТОМЕ́ТРИЯ, фотометрии, мн. нет, жен. (от греч. phos - свет и metreo - измеряю).

1. Измерение силы света; Отдел оптики, занимающийся измерением силы света, яркости источников света (физ.).

2. Отдел астрономии, занимающийся определением яркости звезд (астр.).

ж.

Раздел оптики, занимающийся измерением световых величин.

ФОТОМЕТРИЯ (от фото... и ...метрия) -..1) совокупность методов измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения и световых величин: освещенности, силы света, светового потока, яркости и др

2)] Измерение интенсивности излучений и потоков заряженных частиц по величине почернения, вызываемого ими в светочувствительном слое.

жен.;
физ. photometry

ж. физ.

fotometría f

ж. физ. астр.

fotometria

ФОТОМЕТРИЯ

раздел физ. оптики, в к-ром рассматриваются энергетич. характеристики оптического излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. При этом энергия излучения усредняется по малым интервалам времени, к-рые, однако, значительно превышают период исследуемых эл.-магн. колебаний. Ф. включает в себя как экспериментальные методы и средства измерений фотометрических величин, так и опирающиеся на эти величины теоретического положения и расчёты.

Осн. энергетич. понятием Ф. является поток излучения Фе, имеющий физ. смысл мощности, переносимой эл.-магн. излучением. Пространств. распределение Фe описывают энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (или) телесному углу. В фотометрии импульсной применяются также интегральные по времени фотометрич. величины. В узком смысле Ф. иногда наз. измерения и расчёт величин, относящихся к наиболее употребительной системе редуцированных фотометрических величин — системе световых величин, редуцированных в соответствии со спектральной чувствительностью т. н. среднего светло-адаптированного человеческого глаза (см. АДАПТАЦИЯ ГЛАЗА), СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ). Изучение зависимостей фотометрич. величин от длины волны излучения и спектр. плотностей энергетич. величин составляет предмет спектрофотометрии и спектрорадиометрии.

Фундаментальный для Ф. закон Е=I/r2, согласно к-рому освещённость Е изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния r от точечного источника с силой света I, был сформулирован нем. астрономом И. Кеплером в 1604. Однако основоположником экспериментальной Ф. следует считать франц. физика П. Бугера, предложившего в 1729 визуальный метод количеств. сравнения источников света — установления (путём изменения расстояний до источников) равенства освещённостей соседних поверхностей с использованием в качестве прибора глаза. Методы визуальной Ф. применяются в отд. случаях до наст. времени (2-я пол. 20 в.) и в результате работ сов. учёных, к-рые ввели понятие эквивалентной яркости, распространены на область малых яркостей. В зависимости от используемых методов измерения фотометрич. величин Ф. условно делят на визуальную, фотогр., фотоэлектрическую и т. д.

Начатое нем. физиком И. Ламбертом (1760) развитие теоретич. методов Ф. нашло обобщённое выражение в теории светового поля, доведённой до стройной системы А. А. Гершуном (30-е гг. 20 в.). Совр. теоретич. Ф., использующая понятие светового вектора, распространена на мутные среды. Теоретич. Ф. основывается на соотношении dФе=LеdG, выражающем в дифференциальной форме закон квадратов расстояний; здесь dФе— дифференциал потока излучения элементарного пучка лучей, dG — дифференциал геометрического фактора, Le— энергетич. яркость излучения. Фотометрич. свойства в-ва и тел характеризуются коэффициентом пропускания т, коэффициентом отражения r и коэффициентом поглощения а, к-рые для одного и того же тела связаны очевидным соотношением t+r+a=1. Ослабление потока излучения узконаправленного пучка при прохождении через в-во описывается Бугера — Ламберта — Бера законом.

Экспериментальные методы Ф. основаны на абс. и относит. измерениях потока излучения разл. селективными и неселективными приёмниками излучения. Для определения размерных фотометрич. величин применяют фотометры либо с непосредств. сравнением неизвестного и известного потоков излучения, либо предварительно градуированные в соответствующих единицах измерения энергетич. или редуцир. фотометрич. величин. В частности, для передачи значений световых величин обычно используют сличаемые с гос. световыми эталонами образцовые и рабочие светоизмерительные лампы — источники с известными фотометрич. характеристиками. Ф. лазерного излучения в основном использует образцовые и рабочие неселективные приёмники излучения, сличаемые с гос. эталонами мощности и энергии когерентного излучения лазеров. Измерение безразмерных величин t и r выполняется фотометрами с применением относительных методов, путём регистрации отношения реакций линейного приёмника излучения на соответствующие потоки излучения. Применяется также уравнивание реакций линейного или нелинейного приёмника излучения изменением по определённому закону в известное число раз сравниваемых потоков излучения.

Теоретич. и экспериментальные методы Ф. находят применение в светотехнике и технике сигнализации, в астрономии и астрофизике для исследования космич. источников излучения, при расчёте переноса излучения в плазме газоразрядных источников света и звёзд, при хим. анализе в-в, в пирометрии, при расчётах теплообмена излучением и во мн. др. областях науки и производства.

(Фото- + греч. metreō измерять)

совокупность методов измерения энергетических параметров оптического излучения, характеризующих процессы его испускания, распространения, поглощения и рассеяния.

Фотометри́я абсорбцио́нная — Ф., основанная на измерении светопоглощения анализируемым объектом; применяется в лабораторной практике,. например для количественного анализа биологически активных веществ.

Фотометри́я пла́менная (син. ф. эмиссионная) — Ф., основанная на измерении спектральных характеристик исследуемых веществ; применяется, например, для определения ионного состава биологических жидкостей.

Фотометри́я эмиссио́нная — см. Фотометрия пламенная.

раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет - это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ФОТОМЕТРИЯ0,38 до ФОТОМЕТРИЯ0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие "стандартного наблюдателя" как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО - не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Рис. 1. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЛАЗА К СВЕТУ РАЗНОГО ЦВЕТА. Так изменяется доля света, воспринимаемая глазом человека. Свет с длиной волны менее 0,38 мкм называется ультрафиолетовым, а с длиной волны более 0,78 мкм - инфракрасным. Тот и другой невидимы для человеческого глаза.

Фотометрические величины. Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была "свеча", которая считалась единицей силы света. Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 - лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята "международная свеча", которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540*1012 Гц (l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный источник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4p лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м2, т.е. одному люксу. Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2. (Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.)

Виды фотометрических измерений. Основные виды фотометрических измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) измерение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

ОБЩИЕ МЕТОДЫ ФОТОМЕТРИИ

Существуют два общих метода фотометрии: 1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости; 2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода - вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со "стандартным наблюдателем" МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура. В самых точных фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 - 3)*10-3%.

Визуальная фотометрия. История визуальной фотометрии начинается с П. Бугера (1698-1758), замечательного ученого, который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии. И. Ламберт (1728-1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов. В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно - при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии. Дело в том, что при уровнях яркости в диапазоне 0,01-1 кд/м2 спектральная чувствительность глаза плавно изменяется от соответствующей адаптации к свету (дневной, или фотопической) до соответствующей адаптации к темноте (суперечной, или скотопической), а потому здесь невозможно предсказать, какой должна быть спектральная чувствительность физического (электрического) фотометра, чтобы обеспечивалось согласие с возможными результатами визуальной фотометрии. Правильная методика для этого диапазона яркостей состоит в визуальном сравнении с источником света, энергетическое распределение которого соответствует высокотемпературному полому телу, фигурирующему в определении канделы. (Таким источником света может служить электрическая лампа накаливания при некотором значении силы тока.) При очень низких уровнях световых потоков используется второй (сумеречный) эталон, принятый международным соглашением в 1959, что позволяет проводить фотоэлектрические измерения без каких-либо неоднозначностей.

Визуально невозможно определить, насколько яркость одной поверхности больше, чем яркость другой. Но если две поверхности непосредственно примыкают друг к другу, то по исчезновению разграничивающей линии между ними равенство их яркостей можно установить визуально с точностью до 1% и даже еще точнее. Было разработано много различных устройств для образования таких полей сравнения; одно из них, т.н. кубик Люммера - Бродхуна, показано на рис. 2,а. Это две сложенные вместе трехгранные призмы из оптического стекла, причем контактная грань одной призмы слегка закруглена. Вследствие этой закругленности призмы имеют лишь частичный оптический контакт, через который свет может проходить прямо. Но в тех местах, где грани призм не соприкасаются, свет полностью отражается. Часто бывает желательно, чтобы свет от двух источников падал с противоположных сторон, и поэтому применяются схемы типа показанной на рис. 2,б. Наблюдатель, глядя в микроскоп с небольшим увеличением, видит поля сравнения, показанные на рис. 2,в.

Рис. 2. СХЕМА КУБИКА ЛЮММЕРА - БРОДХУНА, применяемого для сравнения силы света двух источников. а - две призмы, из которых состоит кубик; б - их расположение в фотометрической головке; в - поля сравнения, видимые в окуляр O. Свет от источника S1 попадает в нее после внутреннего отражения в призме S2. В результате формируется изображение в виде двух соосных эллипсов. 2. В результате формируется изображение в виде двух соосных эллипсов.

Чтобы добиться одинаковой яркости двух полей сравнения, нужно регулировать световой поток хотя бы одного из сравниваемых источников света. В лабораторных измерениях сравниваемые лампы закрепляют в держателях, которые можно перемещать по направляющей. Такая направляющая, прямая и достаточно жесткая, называется фотометрической скамьей. Фотометрическая головка (типа показанной на рис. 2,б) устанавливается неподвижно. Если одна лампа закреплена на расстоянии x1 (рис. 3) от экрана, а другая отодвинута на расстояние x2 и при этом яркость полей сравнения одинакова, то отношение сил света I1 и I2 двух ламп определяется равенством I1 /x12 = I2 /x22.

Рис. 3. ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ СКАМЬЯ, применяемая в визуальной фотометрии (фотометрическая головка показана на рис. 2,б). Лампа 1 неподвижна, а лампу 2 перемещают, добиваясь, чтобы обе лампы казались наблюдателю одинаково яркими.

Это равенство выражает т. н. закон обратных квадратов расстояний И.Кеплера (1604), который является основным законом фотометрии. Согласно этому закону, если яркость двух полей сравнения одинакова, то силы света двух ламп обратно пропорциональны квадратам расстояний от соответствующих ламп до экрана фотометра. В справедливости этого соотношения легко убедиться, рассмотрев световую пирамиду с лампой в вершине (рис. 4). Свет, проходящий через сечение A пирамиды на единичном расстоянии от лампы, будет распределен по площади 4А на удвоенном расстоянии, по площади 9А - на утроенном расстоянии и т.д. Единственное условие применимости этого закона требует, чтобы размеры источника были малы по сравнению с расстоянием.

Рис. 4. ЗАКОН ОБРАТНЫХ КВАДРАТОВ РАССТОЯНИЙ, основной закон фотометрии.

В некоторых специальных измерениях применяются другие средства изменения яркости поля сравнения, например, поляризатор с анализатором, которые поляризуют и ослабляют проходящий световой поток соответственно своей взаимной ориентации, клинья из серого стекла и быстро вращающиеся диски с секторными вырезами ("вращающиеся секторы"). Диски имеют форму плоской крыльчатки вентилятора. Если диск вращается достаточно быстро, так что не заметно никакого мерцания, то свет ослабляется пропорционально доле полного круга, приходящейся на секторные вырезы. Каков бы ни был выбранный способ регулировки яркости, важно, чтобы изменялась только яркость, но не цвет поля. Относительно световых источников разного цвета установлено, что если цвета различаются более или менее заметно, то результаты сравнения приобретают субъективный характер и даже у одного и того же наблюдателя могут меняться. При этом точность визуальной фотометрии сильно снижается.

Физическая фотометрия. Начало физической фотометрии положили Ю.Эльстер и Г. Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш. Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях. Электрические фотоприемники, используемые в физической фотометрии, реагируют на свет с разными длинами волн не в точном соответствии с эталоном МКО. Поэтому для них требуется светофильтр - тщательно изготовленная пластинка из цветного стекла или окрашенного желатина, которая пропускала бы свет разных длин волн так, чтобы фотоприемник со светофильтром по возможности точно соответствовал "стандартному наблюдателю". Следует учитывать, что если световые потоки, различающиеся цветом, сравниваются с применением такого устройства, то результаты сравнения верны лишь условно. На самом деле невозможно гарантировать, что источники, яркость которых одинакова по оценке, основанной на эталоне МКО, покажутся одинаково яркими любому человеку. Выделение признака яркости из общего внешнего вида по-разному окрашенных источников света есть акт мысленного абстрагирования, который даже у одного и того же индивидуума протекает по-разному в разное время, а потому в тех случаях, когда требуются численные оценки, необходима стандартизованная методика измерений. Фотодиод (иногда называемый вентильным фотоэлементом) представляет собой металлическую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового материала (например, селена с напыленной поверх него тонкой пленкой золота или другого неокисляющегося металла) (рис. 5). Толщина пленки подобрана так, что она проводит электричество, но прозрачна и пропускает свет. Свет, падающий на селен, вызывает дрейф свободных электронов, которые заряжают металлическую пленку отрицательно относительно селена.

Рис. 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОДИОД. Свет, падающий на слой селена, создает поток электронов, который может быть измерен гальванометром или микроамперметром. 1 - слой селена; 2 - металлическая подложка; 3 - прозрачный слой золота; 4 - металлическое кольцо.

Если к такому фотодиоду присоединить микроамперметр с малым сопротивлением, то показываемый им ток будет почти строго пропорционален освещенности фотодиода. Если же сопротивление цепи велико, то это соотношение прямой пропорциональности нарушается, и в лабораторных условиях применяют специальные схемы, имитирующие нулевое внешнее сопротивление. Простая комбинация фотодиода с микроамперметром используется в фотографических экспонометрах. На фотометрической скамье рис. 3 вместо визуального фотометра можно установить фотодиод. Более того, можно установить рядом два фотодиода, обращенных в противоположные стороны, и измерять разность их токов. В таком варианте лампа 1 служит лампой сравнения и остается на своем месте в ходе эксперимента, а лампа, которую требуется сравнить, устанавливается в положение 2, после чего ее перемещают так, чтобы разность токов была равна нулю. Существуют люксметры, состоящие из фотодиода, корректирующего светофильтра и микроамперметра, широко применяемые инженерами по освещению и другими специалистами. В частности, фотодиод с корректирующим светофильтром используется для повседневных фотометрических измерений всех видов в заводских лабораториях. Если точность 1-2% приемлема, а сила света достаточно велика, то с такими устройствами можно работать без каких-либо затруднений. В случае слабых источников света, а также в тех случаях, когда требуются повышенная точность и более надежная калибровка, фотометристы обращаются к вакуумным фотоэлементам. Такой фотоэлемент имеет фотокатод в виде металлической пластинки, обычно покрываемой одним или несколькими тонкими слоями металлов и их оксидов, и второй электрод - анод, причем оба они находятся в стеклянном высоковакуумном баллоне. Когда на фотокатод падает свет с длиной волны, превышающей некоторое "пороговое" значение (зависящее от материала фотокатода), из него выбиваются электроны. Если фотоэлемент включить последовательно с батареей и чувствительным измерительным прибором, как показано на рис. 6, то электроны, высвобождающиеся с катода, будут притягиваться анодом. Поток таких электронов, а следовательно, и ток в цепи пропорциональны освещенности.

Рис. 6. ВАКУУМНЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ. Фотокатод покрыт калием или цезием, который испускает электроны под действием падающего света. Возникающий при этом ток может быть измерен чувствительным прибором. 1 - анод; 2 - микроамперметр; 3 - фотокатод; 4 - фотоэлемент.

Вместо измерительного прибора можно использовать электронный усилитель, и тогда слабые токи будут усиливаться. Можно также добавить дополнительные усилительные каскады; тщательно спроектированная аппаратура такого рода позволяет измерять свет звезд, слишком слабый, чтобы его можно было видеть простым глазом. Для повышения чувствительности и стабильности измерений перед фотоэлементом можно установить вращающийся прерыватель света и усиливать полученный переменный ток. Такой метод особенно эффективен, если усиливаемый ток выпрямляется в точном синхронизме с прерывателем. Это позволяет подавить шумы электронной схемы и прочие помехи. Для усиления тока можно обойтись без внешнего усилителя, если использовать явление вторичной электронной эмиссии. Соответствующие устройства называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ); некоторые типы ФЭУ схематически изображены на рис. 7. Электроны, высвобождающиеся с фотокатода, притягиваются к первому из ряда электродов, называемых динодами. Каждый из них находится под более высоким напряжением, чем предыдущий. Электрон, падающий на динод, высвобождает несколько вторичных электронов; вторичные электроны идут к следующему диноду, и каждый высвобождает еще несколько электронов и т.д. Среднее отношение числа испущенных электронов к числу падающих (коэффициент усиления) можно легко регулировать, изменяя напряжение между соседними динодами. Коэффициент усиления может достигать миллиона и более, причем предел обусловлен только тем обстоятельством, что некоторое количество электронов высвобождается с фотокатода даже в темноте и они умножаются так же, как и другие.

Рис. 7. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ, которые при одной и той же интенсивности падающего света дают гораздо больший ток, чем фотоэлемент, представленный на рис. 6. Коэффициент усиления, зависящий от напряжения на соседних динодах, может достигать f7. 1 - фотокатод; 2 - диноды; 3 - коллектор; 4 - фокусирующая сетка; 5 - падающий свет; 6 - слюдяной экран.

Ни у одного фотоэлемента или фотоэлектронного умножителя кривая спектральной чувствительности не соответствует в точности кривой чувствительности для глаза. Спектральная чувствительность зависит от материала фотокатода. Поэтому в тех случаях, когда приходится сравнивать световые потоки разного цвета, необходим светофильтр, а расчет и градуировка светофильтра для точной фотометрии могут составить основную часть затрат на аппаратуру.

Измерение светового потока. Одна из характеристик лампы или осветительной арматуры, необходимая инженеру по освещению, - это испускаемое ею полное количество света. Только измерив эту величину, можно определить относительную эффективность осветительных устройств. Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока: гониометрический метод и метод "интегрирующей сферы" ("сферы Ульбрихта"). Гониометр - это приспособление, позволяющее измерять освещенность, создаваемую лампой, в любом желаемом направлении. Лампа либо неподвижна, либо вращается вокруг вертикальной оси так, чтобы распределение света лампы не изменялось. Поэтому фотометр (обычно фотоэлектрический) закрепляют на конце длинного качающегося держателя, или используют подвижные зеркала. Во избежание больших поправок расстояние от лампы до фотометра выбирают на порядок больше максимального размера лампы; поэтому гониометр для больших люминесцентных ламп занимает много места. После того как измерена освещенность во многих направлениях, вычисляют полный световой поток. Интегрирующая сфера (рис. 8) представляет собой полый шар, выкрашенный изнутри матовой белой краской. Внутри сферы подвешивается лампа или арматура с экраном, закрывающим ее со стороны небольшого окошка из опалового стекла (освещенность которого измеряется). Внутри подвешивается также эталонная лампа (световой поток которой точно измерен при помощи гониофотометра), закрытая экранами со стороны первой лампы и окошка. Освещенность окошка при включенной той или другой лампе пропорциональна ее полному световому потоку (если не считать поправок, которые существенны, когда лампы имеют разные размеры или форму либо заметно различаются цветом испускаемого света).

Рис. 8. ИНТЕГРИРУЮЩАЯ СФЕРА для измерения полного количества света, испускаемого лампой во всех направлениях. За окошком снаружи расположен фотометр, который сравнивает полные световые потоки двух ламп, включаемых по очереди.

Специальные фотометры. Кроме рассмотренных приборов, существуют специальные фотометры для измерения яркости поверхностей, коэффициентов пропускания и отражения разных образцов, характеристик световозвращающих отражателей (дорожно-маркировочной краски, дорожных знаков), освещенности улиц и пр.

См. также ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРА

Сапожников Р.А. Теоретическая фотометрия. Л., 1977 Гуревич М.М. Фотометрия: Теория, методы и приборы. Л., 1983 Кулагин С.В., Гоменюк А.С. и др. Оптико-механические приборы. М., 1984

ФОТОМЕ́ТРИЯ -и; ж. [от греч. phōs (phōtos) - свет и metreō - измеряю] Спец. Совокупность методов измерения световых величин (освещённости, яркости, силы света, светового потока и т.п.) и энергетических характеристик электромагнитного излучения. Ф. солнечного света.

◁ Фотометри́ческий, -ая, -ое. Ф. метод. Ф-ие исследования.

* * *

(от фото... и...метрия), 1) совокупность методов измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения и световых величин: освещённости, силы света, светового потока, яркости и др.2) Измерение интенсивности излучения и потоков заряженных частиц по величине почернения, вызываемого ими в светочувствительном слое.

* * *

ФОТОМЕ́ТРИЯ, совокупность методов измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения и световых величин (освещенности, силы света, светового потока, яркости), а также измерение интенсивности излучений и потоков заряженных частиц по величине почернения, вызываемого ими в светочувствительном слое.

в геологоразведочном деле, геол. документация геологоразведочных выработок (горно-разведочных и стенок буровых скважин) и обнажений фотографированием в заранее принятом масштабе и ориентировке, позволяющих переводить взятые с фотографии размеры в истинные (мощности геол. тел, их углы падения и т. п.). См. Механизация геологической документации.

(от фото... и ...метрия) - раздел физ. оптики, в к-ром рассматриваются теория и методы измерения хар-к оптического излучения при его испускании, распространении, поглощении и рассеянии. Под Ф. в узком смысле понимают световые измерения, т. е. оценку видимого излучения в соответствии с его действием на глаз.

ФОТОМЕТРИЯ — (1) раздел физ. оптики, рассматривающий совокупность методов измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения и световых величин: освещённости, силы света, светового потока, яркости и др.; (2) измерение интенсивности излучений и потоков заряженных частиц по степени почернения, вызываемого ими в светочувствительном слое.