Метрологическое обеспечение измерений в оптико-электронных приборах и системах (стр. 2 )

Таблица 2 – Производные единицы СИ

Величина	Единица
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
международное	русское
…	…	…	…	…
Яркость	L-2 J	Кандела на метр	Cd/m2	Кд/м2
…	…	…	…	…

Таблица 3 - Производные единицы СИ, имеющие специальное наименование и обозначение

Величина	Единица
Наимено-вание	Размер-ность	Наимено-вание	Обозначение	Выражение через основные и производные единицы СИ
междуна-родное	русское
Плоский угол	1	радиан	rad	рад	m*m-1=1
Телесный угол	1	стерадиан	sr	ср	m2*m-2=1
Частота	T-1	герц	Hz	Гц	s-1
…	…	…	…	…	…
Световой поток	J	люмен	lm	лм	сd*sr
Освещенность	L-2 J	люкс	lx	лк	m-2 *сd*sr
…	…	…	…	…	…

2  Шкала длин волн и основные величины фотометрии

Оптико-электронными называются приборы (или системы), в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением или содержится в оптическом сигнале, а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрическую энергию [59]

Информация об излучающем объекте содержится в параметрах оптического сигнала: амплитуде, частоте, фазе, состоянии поляризации, длительности импульса и т. д., которые и регистрируются в оптико-электронном приборе (ОЭП).

Исходя из используемой области спектра (рис.1), ОЭП подразделяются на приборы, работающие в ультрафиолетовой (УФ, 0,01 ч 0,380 мкм), видимой (0,380 ч 0,780 мкм) и инфракрасной (ИК, 0,780 мкм ч 1 мм) областях спектра.

Рисунок 1 – Шкала длин волн

Стандарт ГОСТ Р ИСО 7944-2013 «Оптика и оптические приборы. Эталонные значения длин волн» устанавливает две основные длины волн для определения характеристик оптических материалов, оптических систем и приборов, а также очковых линз. Основными длинами волн являются е-линия ртути 546,07 нм и d-линия гелия 587,56 нм [29].

Фотометрией называется измерение величин, характеризующих световое излучение по производимому им зрительному ощущению [52]. Основоположником экспериментальной фотометрии считают П. Бугера, предложившего в 1729 году визуальный метод количественного сравнения источников света: установление равенства освещенностей соседних поверхностей путем изменения расстояний до источников.

Зрительное ощущение в фотометрии учитывается через относительную спектральную световую эффективность светло адаптированной зрительной системы. Наблюдатель, имеющий зрительную систему с относительной спектральной световой эффективностью приемника излучения, назван Международной комиссией по освещению (МКО) стандартным фотометрическим наблюдателем [52,60].

Относительная спектральная световая эффективность  рекомендована МКО по результатам измерений, проведенных различными методами, и представляет собой некоторую усредненную характеристику восприятия света нормальной светло адаптированной зрительной системой человека [60].

Спектрамльная световамя эффектимвность монохроматимческого излучемния —физическая величина, характеризующая чувствительность человеческого глаза к воздействию на него монохроматического света. Обозначается K(л) , в системе СИ имеет размерность лм/Вт. Световую эффективность K(л) удобно и целесообразно представлять в виде произведения двух сомножителей: K(л) = KmV(л), где Km — значение K(л) , достигаемое в максимуме, а V(л) — безразмерная функция длины волны, принимающая в максимуме значение, равное единице. Функция V(л) называется относительной спектральной световой эффективностью монохроматического излучения, её физический смысл заключается в том, что она представляет собой относительную спектральную чувствительность среднего (нормального) человеческого глаза.

Относительная спектральная световая эффективность  определена в поле  зрения  зрительной системы, равном 2о, которое соответствует угловому размеру желтого пятна в центре сетчатки (Рис.2). Зависимость V(л) приведена на рисунке 3. Её максимум располагается на длине волны 555 нм. В системе СИ единица силы света кандела определена таким образом, что максимальная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения Km равна 683 лм/Вт. Таким образом, выполняется: K(л) = 683 V(л).

Рисунок 2 – Горизонтальный разрез глаза человека

Рисунок 3- Относительная спектральная световая эффективность для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения.

Стандарт ГОСТ 8.332-2013 устанавливает значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения с целью применения их при измерениях и расчетах световых величин при различном спектральном составе излучения [7].

Стандартизация относительной спектральной световой эффективности  позволила определить систему световых величин в фотометрии [52,60]. Основной фотометрической величиной является световой поток, который пропорционален потоку излучения в видимом диапазоне длин волн с относительной световой спектральной эффективностью зрительной системы стандартного фотометрического наблюдателя

Фv = Km ∫ P(л) V(л)dл,

где:  P(л) – спектральная плотность энергетического потока излучения,

Km = 683 лм/Вт – максимальная световая спектральная эффективность на длине волны л = 555 нм.

Производными от светового потока являются сила света, освещенность, яркость (табл.4). Определения указанных физических величин приведены в стандарте ГОСТ 8.654-2016 [15].

Таблица 4 – Основные величины фотометрии

Наименование	Формула	Размерность	Km, размерность
Световой поток	Фv = Km ∫ P(л) V(л) dл	лм	683лм/Вт
Сила света	Iv = Km ∫ Iе(л) V(л) dл	кд	683 кд стерад/Вт
Освещенность	Еv = Km ∫ Ее(л) V(л) dл	лк	683 лк м2/Вт
Яркость	Lv = Km ∫ Lе(л) V(л) dл	кд/м2	-
Примечание: поток излучения – Р, сила излучения - Iе, облученность - Ее, энергетическая яркость - Lе

Основной световой единицей, имеющей метрологический эталон, является единица силы света – 1 кандела, которая представляет силу света источника монохроматического излучения с длиной волны л = 555 нм, энергетическая сила света которого равна  1/683 Вт/ср [8,15,60].

Световой поток измеряется в люменах, причем за один люмен принят световой поток, который источник силы света в одну канделу, излучает в телесном угле в один стерадиан.

Освещенность измеряется в люксах. За освещенность в один люкс принимается освещенность участка поверхности площадью в один квадратный метр, когда на него падает световой поток в один люмен.

Яркость измеряется в канделах на квадратный метр. Одна кандела равна яркости светящейся поверхности в том случае, когда его сила света в канделах численно равна площади его проекции в квадратных метрах на плоскость, перпендикулярную к направлению силы света.

Следует отметить, что в определении всех световых величин фотометрии входит кривая относительной световой эффективности (табл.4), через которую устанавливается связь световых величин с соответствующими энергетическими величинами (сила излучения - Iе, облученность - Ее, энергетическая яркость - Lе ), определения которых  приведены в стандарте ГОСТ 8.654-2016 [15].

Схема зрительной системы в фотометрии включает в себя оптический фильтр с характеристикой K(л) = V(л), идентичной относительной спектральной эффективности зрительной системы, и последовательно включенный с ним интегратор распределения потока излучения по спектру (рис.4). Характеристика K(л) = r(л)е(л) зависит от характеристики пропускания глазной среды r(л) и от спектральной чувствительности условного рецептора е(л). Функция S(Pv) учитывает нелинейность восприятия (НП - нелинейный преобразователь) светового потока зрительной системой человека [60].

Рисунок 4 – Схема восприятия яркости в фотометрии

В дневных условиях наблюдения в преобразовании оптического излучения участвуют три типа колбочек глаза. Поэтому схема зрительной системы содержит три цветовых канала (рис.5).

При линейном суммировании откликов цветовых каналов зрительной системы и выполнении условия, что wRK R(л) + wGKG(л) + wBKB(л) = K(л) = V(л), схемы на рис.4 и рис.5  эквивалентны. Коэффициенты wR, wG, wB принято называть яркостными коэффициентами [60].