Визуальная фотометрия: история и современность

Д. ГАЛЛ, Технический университет, Ильменау, Германия
«СВЕТОТЕХНИКА», 2007, №2
Перевод с нем. А.Е. Атаева.

Введение

С 17-го по 19-е столетия многие известные ученые занимались развитием практической фотометрии. Среди них были математики, астрофизики, физики, теологи и философы. Основанием для этого было то, что оптические параметры уже использовались в оптике, спектроскопии, астрофизике, генерации света, цветовых измерениях цвета и физиологии,
а светоизмерительная техника еще отсутствовала. Теоретической базой при этом служил трактат Ламберта по фотометрии (1760).

Трудности в развитии практической фотометрии в то время, в частности, характеризует следующее. Еще отсутствовали оптические датчики, и для измерения светотехнических и цветовых параметров использовались лишь глаза. Не было и эталонных источников света (ИС), включая мощные. В противоположность тому, интенсивно развивалось производство приборов оптики и точной механики. Физики, и прежде всего Отто Люммер, смогли развить и распространить основы теории света на ИС и источники излучения. Были созданы основы осветительной техники, касавшиеся и соответствующей метрики. При этом в конце 19-го –начале 20-го столетий было много усилий по развитию фундаментальной фотометрии.

В отсутствие физических приемников для измерения световых и лучистых параметров использовалась контрастная чувствительность человеческого глаза. Соответствующий
вид фотометрии называется визуальной фотометрией. Известны попытки повышения воспроизводимости данных, получаемых с помощью визуальных фотометров. Так возник
целый ряд визуальных фотометров, колориметров и спектрометров, на сегодня забытых.

В начале 21-го века благодаря обстоятельному труду Сеана Ф. Джонстона [1] фотометрия испытала новый подъем. Весьма впечатляет, как индустриализация и военные нужды
превратили ее в важное научное направление. В современной фотометрии (объективная фотометрия или физическая фотометрия), благодаря визуальной фотометрии, используется функция спектральной световой эффективности (()) V   [2]. При этом, в целом, практическая метрология многих светотехнических параметров еще значительно уступает возможностям визуальной фотометрии. Поэтому богатый опыт и знания визуальной фотометрии полезно использовать.

История визуальной фотометрии

Отцы фотометрии – астроном Пьер Бугер (рис. 1) и астроном, математик и философ Иоганн Генрих Ламберт (рис. 2). Многие используемые и сегодня формулы для расчета значений световых и лучистых величин следуют из работ Ламберта. В своем труде «Фотометрия» [3] Ламберт отмечает отсутствие научных основ фотометрии и построения фотометрических приборов: «Представляется, что большая часть человеческих знаний не используется нами. Замечательный пример – теория света. В исследованиях сути и реальности столь много важных непреодолимых трудностей, что наши знания – в темной оболочке, так что над светом господствует тьма». Ламберт знал о письмах Исаака Ньютона и Эйлера, в которых излагалась теория света, но она не была пригодна для построения метрики света: «Здесь отсутствуют, как это видно, полностью (или, по крайней мере, главные) пункты, необходимые для исследования свойств величин. Отсутствует физическая теория света, которая могла бы строго доказывать и быть завершающей. Отсутствуют инструменты для измерения света. Наконец, отсутствуют начальные принципы, на которых можно было бы работать дальше».

Рис. 1. Пьер Бугер (1698–1758)  Рис. 2. Иоганн Генрих Ламберт (1728–1778) [4]

Ламберт особенно сожалел об отсутствии подходящих для фотометрии датчиков света. Он знал, что человек исходно должен мерить визуально [3]: «Потому что, если найти различные фотометрические инструменты, сначала нужно с их помощью менять светлоту и цвет по отношению к глазу. Следовательно, фотометрия сталкивается с трудностями, как при открытии термометра с его точными измерениями температуры… Я точно знаю, что много раз проводились эксперименты, чтобы показать, что движение света можно наблюдать относительно зонда или стальной пластины в фокусе выпуклой линзы, или зеркала, и что солнечный свет находится в движении.Что представляет собой солнечный свет можно представить увеличением или уменьшением тепла пропорционально плотности луча, и это позволяет заменить фотометр термометром».

Рис. 3.Фотометры Ламберта (а) и Бугера (б) [5], фотометражирного пятна Бунзена (в) [6]

В качестве средства для световых измерений Ламберт предлагает теневой фотометр, в котором уравниваются «плотности света» двух теневых картин (рис. 3, а). Бугер предложил еще один вариант – с соседними фотометрическими полями (рис. 3, б). Позже Бунзен усовершенствовал известный фотометр жирного пятна (рис. 3, в). После большого числа экспериментов Ламберт указал свойства и сложности визуальной фотометрии. При этом он отметил также проблему, которая возникает при фотометрировании ИС разных цветов. Бенджамин Томпсон (рис. 4) и Каунт Румфорт (1753–1814) в 1794 г. построили первые фотометры для промышленных измерений, которые позволяли определять светотехнические параметры тогдашних «ламп» и горящего масла. В начале 19-го века многие известные ученые занимались вопросами света, что требовалось для астрофизики, спектроскопии, физиологической оптики, цветовых измерений (колориметрии), оптического измерения температуры (пирометрии) и развития ламп и световых приборов.

Рис. 4. Бенджамин Томпсон (1753–1814) Рис. 5. Отто Люммер (1860–1925) [7, 8]

Отто Люммер (рис. 5) до Макса Планка описал законы изучения черного тела и создал основу для будущих светотехнических норм. Вместе с Ойгеном Бродуном (1860–1938) он определил развитие фотометрии более чем на 40 лет вперед. Это явилось основой для создания серии промышленных фотометров – техничных и точных. Математик, химик и физик Аугуст Беер (1825–1863) создал основы описания поглощения света и ввел стандарты в теории света («Введение в высокую оптику»). Так как приемником в визуальной фотометрии служит глаз, для нее требовалось создать физиологические основы зрения. Пионеры здесь – Гельмгольц, Кис, Шредингер [9], Херинг, Вебер, Фехнер, Кёниг [10, 11], Кольрауш, Дрессир, Бехштайн, Нагель [12] и др. Особые заслуги в этом имеют Артур Кёниг (рис. 6) и Конрад Дитериц, открывшие наличие функции спектральной чувствительности человеческого глаза. Эта кривая  явилась отправным пунктом в численном описании световых и цветовых величин. Кёниг был учеником Гельмгольца, которому и посвятил свои основополагающие работы по метрике цвета.

Рис. 6. Артур Кёниг (1856–1901) [10, 11]

С устройством для смешения цветов, которое применял еще Гельмгольц, он исследовал чувствительность датчиков: «Восприятие в виде функции освещения большого числа элементов необходимо редуцировать из бесконечного числа восприятий цвета в возможно малое число элементарных ощущений». Удивительно, что Гельмгольц без соответствующих измерений смог в то время смог гипотетически описать кривую спектральной чувствительности глаза. В биографиях вышеназванных ученых не отмечено, что прорывные достижения их пришлись на 30-летний возраст, что говорит об универсальности образования и способов работы этих ученых.

С 1920 г. арсенал средств физической (объективной) фотометрии укрепляется «физическими изобретениями». В качестве классических датчиков сначала были предложены фотокамеры – с их малыми временными выдержками и хорошей линейностью. Полупроводниковые датчики в виде селеновых фотоэлементов и фотосопротивлений были внедрены позже, так как технология их  изготовления еще не обеспечивала постоянства параметров. С устранением технологических трудностей полупроводниковые датчики стали производиться, что исполнило мечту Ламберта о фотометре, способном измерять температуру подобно термометру. Соответствующие аналоговые или цифровые измерительные приборы по удобству измерений и воспроизводимости оказались существенно лучше визуальных, однако точности измерений существенно не улучшили. Ведь следовало учитывать, что функция физического датчика связана с визуальной фотометрией. Для развития объективной фотометрии, важной во многих случаях, необходимо обратиться к опыту и
вопросам дальнейшего развития визуальной фотометрии.

Основы визуальной фотометрии

Хотя абсолютную освещенность оценивать глаз и не может, он в состоянии устанавливать  равенства светлот и цветов, и потому всегда следует сравнивать результаты объективных измерений и параллельных зрительных оценок. Это означает, например, что светлоты двух сравниваемых ИС должны соотноситься с параметрами используемых средств оптического ослабления.

В обеспечение визуальных измерений, в связи с этим, необходимо создание: 

• световых эталонов;
• методов направленного и неселективного оптического ослабления;
• оптимальных условий для визуального сравнения (фотометрическое поле).

В фотометрии поначалу действовали и другие способы определения освещенности. Так, термин «равносветлый» соответствовал равной остроте видения разных объектов. С помощью  специальных эталонов (рис. 7) определяли светлоту того или иного объекта. Этот принцип и сегодня используется при визуальном определении пороговой освещенности.
Принцип остроты видения имел преимущества в монохромной фотометрии, не требующей цветовых сравнений.

Рис. 7. Эталоны для определения светлоты [6]

Создание световых норм

Светотехнические величины должны соответствовать определенным нормам. Первоначальные немецкие определения светотехнических величин были семантически лучше современных. Так, освещенность называлась плотностью светового потока (единица «люкс» или «метрическая свеча»), сила света – силой пространственно-углового потока или плотностью светового потока на единицу пространственного угла, а светность – светлотой плоскости.

Создание первоначальных световых единиц затруднялось тем, что все ИС того времени были нестабильны и невоспроизводимы по характеристикам. До того как в 1940 г. международной метрологической конвенцией эталонным ИС было принято черное тело, эталонами в основном служили ИС типа парафиновых свечей и масляных ламп с определенными геометрией и физическими параметрами. В Германии использовались созданные Хефнером амилацетатные лампы, так называемые свечи Хефнера (рис. 8). В других странах эталонами служили лампы с угольными нитями (международная свеча = 1,11 свечи Хефнера) [13]. Для УФ области спектра в качестве эталонного использовалось излучение катодного пятна угольной дуговой лампы.

Рис. 8. Свеча Хефнера [6]

Реализации методов направленного и неселективного ослабления

Точность и воспроизводимость результатов визуальной фотометрии зависят главным образом от примененных методов ослабления, с помощью которых устанавливают равенство светлот. Эти методы – суть следующее:

• ослабление пропорционально квадрату расстояния;
• ослабление вращающимся сектором;
• применение апертурных линз;
• использование средств направленного поглощения (например, поляризационных фильтров и серых клиньев).

Важнейшую роль при этом должно играть неселективное ослабление. Соответственно, используя закон Тальбота, очень хорошие результаты могут обеспечиваться вращающимися секторами (рис. 9).

Рис. 9. Один из первых примеров вращающегося сектора [6]

Создание оптимальных условий для визуального сравнения

Монохромная и гетерохромная фотометрии используют синхронное сравнение светлот. Важную роль при этом играет оформление поля зрения. Оно должно производиться так, чтобы глаз работал в оптимальном режиме (тщательное светоэкранирование, равномерное освещение, надлежащая адаптация и пр.). По Люммеру и Бродуну идеальное устройство сравнения должно отвечать следующим требованиям:

• каждое из полей сравнения освещается только сориентированным на него ИС;
• поля сравнения должны непосредственно соприкасаться, по возможности разделяясь четкой границей;
• при тождественности полей сравнения указанная граница должна полностью исчезать;
• устройство должно быть максимально стабильным;
• при смене ИС не должно наблюдаться никаких изменений. Устройство может быть улучшено переходом к полям сравнения, основанным на принципе контрастного фотометрирования Люммера-Бродуна (рис. 10).

Для сравнения гетерохромных светлот используют так называемый метод мельканий (рис. 11), основанный на том, что частота мелькания цвета ниже частоты мелькания светлоты.
Результаты, гетерохромной фотометрии, полученные разными способами, могут отличаться друг от друга, прежде всего, на краях видимого спектра. Это ярко показывает всего сравнение кривых спектральной чувствительности (рис. 12). Более точные результаты при этом получаются при гетерохромном прямом сравнении [14].

Естественно, в визуальной фотометрии присутствуют как «индивидуальные», так и «общие» неопределенности результатов. На рис. 13 показана ширина разброса результатов
для 125 наблюдателей (Прист, 1923 г., согласно [6]). Как видно из рис. 14, отклонения данных от наблюдателя к наблюдателю могут обнаруживать разные особенности. Так, разброс данных в фотометрии мельканий удивительно мал (  0,5 %).

Уже после первых экспериментов были выданы следующие указания по визуальной фотометрии [5]:

• если результаты демонстрируют «особенности», их нужно отвергать;
• в помещении не должно быть мешающих ИС;
• при длительных последовательных измерениях должны делаться перерывы;
• должна быть временная граница экспериментов;
• она принципиально должна выполняться несколькими наблюдателями;
• так как у каждого наблюдателя есть особенности, необходимо усреднять результаты по всем наблюдателям.

Рис. 10. Кубик контраст-фотометра Люммера-Бродуна

Рис. 11. Фотометр мельканий

Рис. 12. Спектральная чувствительность глаза, полученная разными методами измерения: 1 – по частоте мельканий; 2 – по силе ощущения (при гетерохромном прямом сравнении); 3 – среднее значение результатов по всем цветовым и семи различительным методам; 4 – по методу четырехкратного насыщения; 5 – по стереометоду; 6 – по фовеально-отсекающему методу; 7 –полученная для условий сумеречного зрения

Рис. 13. Разброс данных по спектральной чувствительности глаза по Присту [6]: стандартная кривая;

Рис. 14. Индивидуальные и общие различия по Дзиобеку [6]

Примеры визуальных фотометров

Первые переносные приборы для фотометрии газовых фонарей создавали весьма странное впечатление. В конце 19-го–начале 20-го столетий разрабатывалось и промышленно производилось множество визуальных фотометров, относящихся к категории точных приборов. Они отличались солидной конструкцией и приличной оптической системой. Различия вариантов лежали в выборе методов ослабления и оформлении поля зрения. С помощью тонких приемов пытались улучшить воспроизводимость получаемых с ними результатов. Ниже представлен ряд таких устройств.

Так называемые универсальные фотометры построены по принципу ящика, позволяющего измерять различные светотехнические параметры с помощью основного оптического устройства и соответствующей оснастки (рис. 15–19). При этом карманным фотометром Бехштайна легко можно пользоваться и вне стен лаборатории [5]. Фотометр Люммера-Бродуна предназначен для измерений в «фотометрическом ящике» и имеет фотометрическое поле в виде контрастного кубика по рис. 10. Способом ослабления в поляризационном фотометре Мартенса служит поляризация света (призмой с двойным лучепреломлением). Направленное ослабление света может производиться и освещением диска из молочного стекла при разном расстоянии (фотометр с молочным стеклом Вебера).

Рис. 15. Передвижной фотометр SUGG’s [1] (1889)

Рис. 16. Карманный фотометр Бехштайна (фирма Schmidt & Haensch)

Рис. 17. Фотометр Люммера-Бродуна

Рис. 18. Поляризационный фотометр Мартенса

Рис. 19. Фотометр с молочным стеклом Вебера

Следующие рисунки представляют несколько приборов гетерохромной фотометрии и колориметрии.

Фотометр мельканий (рис. 20, 21) играет большую роль в определении кривой спектральной чувствительности человеческого глаза. Изменение частоты мельканий осуществляется либо с помощью регулирующего трансформатора, либо – резистора.

Рис. 20. Фотометр мельканий Бехштайна

Рис. 21. Специальные зеркальные элементы для фотометра мельканий

Первыми колориметрами были приборы с тремя полями сравнения (рис. 22), действовавшие по принципу выравнивания. Визуальные спектрофотометры были реализованы в виде монохроматоров (рис. 23), часто дававших по два расположенных рядом спектра.

Рис. 22. Визуальный колориметр Бехштайна

Рис. 23. Спектральный фотометр Луммера-Бродуна

На рис. 24 показан цветовой круг, позволяющий производить нужные цвета. Цветовой круг вначале настраивали вручную, а затем с помощью часового механизма. Фотометры (ступенчатый и Polaphot) Цейсса (рис. 25, 26) выделяются «кошками» – блендами, управлявшими световым потоком, направляемым в глаз. Визуальные фотометры также предназначались для спектроскопии и химического анализа прозрачных тел и жидкостей. С нефелометром Клайманна (рис. 27) могли определяться скорость потока и мутность жидкостей. Поскольку с помощью визуальных фотометрами первоначально могли определяться лишь освещенность и равенство освещенностей, для определения значений других светотехнических величин необходимы были дополнительные устройства. Однако основой этих устройств всегда был визуальный фотометр (рис. 28–31).

Рис. 24. Цветовой круг Циммерманна

Рис. 25. Ступенчатый фотометр Цейсса

Рис. 26. Поляризационный фотометр Цейса

Рис. 27. Нефелометр Клайманна

Рис. 28. Переносной фотометрический прибор «Пекарь»

Рис. 29. Шар Ульбрихта с визуальным фотометром [15]

Рис. 30. Люксметр фирмы OSRAM

Рис. 31. Люксметр Kрусса

Интересен также представленный на рис. 32 шар пространственного угла. Он состоит из стеклянного шара, в центре которого находится небольшая лампа накаливания, а на поверхности расположена сеть градусов широты и долготы. С его помощью можно легко определять угловые размеры помещений.

Рис. 32. Шар пространственного угла Тайхмюллера

Заключение

Данное сообщение не претендует на историческую точность. В основном оно «перебрасывает мост» к современным вопросам светотехники, световым и цветовым измерениям. Значение визуальной фотометрии можно лучше оценить, учтя усилия и вклады в нее внесенные. Что дала визуальная фотометрия для оценки светотехнических величин? На это ответил Отто Люммер еще в 1903 г.: «Однако много разных источников света может еще появляться друг за другом с растущей активной мощностью, и развиваться под девизом «Больше света». Каждый способ освещения имеет свои качества и преимущества, которые оправдывают его существование. По этой причине нелегко сравнивать друг с другом значимость отдельных источников света, то, что означает – фотометрия для этого вводится как верховный судья».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Johnston S.F. A History of Light and Colour Measurement-Science in the Shadows. Publ. Inst. of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 2001.

2. ViikariM., EloholmaM.,Halonen L. «80 Years of V()   Use: A Review» Light &Engineering, 13 (2005) 4, 24-36.

3. Lambert J.H. «Photometria sive demensura et gradibus luminis, colorumet umbrae» (1760), Hrg.E. Andig, Verlag W. Engelmann, Leipzig, 1892.

4. http://lexicon.de

5. Korte H. Visuelle Photometrie in Sewig, R. Handbuch der Lichttechnik, Springer-Verlag, Berlin 1938.

6. Kohn H. «Photometrie» in M ller- Pouillets Lehrbuch der Physik , 11. Auflage 2. Band, Verlag F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1929.

7. Lummer O. «Grundlagen, Ziele und Grenzen der Leuchttechnik» (Auge und Lichterzeugung), R.Oldenbourg–Verlag,Muenchen/Berlin, 1918.

8. Lummer O., Brodhun, E. Zeitschrift fuer Instrumentenkunde 9 (1889) 23 und 41; 12(1882) 41.

9. Schroedinger E. «DieGesichtsempfindungen» in Mueller- Pouillets Lehrbuch der Physik, 11. Auflage, 2. Band, Verlag F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1926.

10. Koenig A., Dieterici C. Die Grundempfindungen in normalen und anormalen Farbensystemen und ihre Intensitaetsverteilung im Spektrum, Verlag Leopold Voss, Hamburg-Leipzig, 1892.

11. Koenig A. Gesammelte Abhandlungen zur Physiologischen Optik, A. Barth Verlag, Leipzig, 1903.

12. Nagel W. «Methoden zur Erforschung des Licht- und Farbensinns in HdB der physiologischen Methodik», Hrg. R. Tigerstedt, Verlag S. Hirzel, Leipzig, 1909.

13. Liebenthal E. «Praktische Photometrie», Vieweg-Verlag, Braunschweig, 1907.

14. Arndt W. Ueber neue Beobachtungen beim subjektivenPhotometrieren.Licht 6 (1936); 75-77.

15. Ulbricht R. «Das Kugelphotometer», R. Oldenbourg – Verlag,Muenchen/Berlin, 1920.

Дитрих Галл (Deitrich Gall),
профессор, доктор наук,
заведующий кафедрой в техническом университете Ильменау
E-mail: dietrich.gall@tu-ilmenau.de

Присылайте свои вопросы и пожелания по адресу inet@svetoservis.ru.
Успехов Вам!

Выпуск подготовила Новикова Евгения
Группа компаний "Светосервис"

www.svetoservis.ru