Измерение света
Поведение света, в физике, обычно рассматривается с учетом формы электромагнитного излечения или движения частиц. Последнее включает понятие “лучей” света, которые используются в анализе взаимодействия света и линз.
Единицами измерения для электромагнитного применения света, как правило, являются метры (длина волны) и Ватты (сила света).
Учение фотометрии и использование света для передачи сигналов потребовала развития других единиц измерения для учета физиологических аспектов того, как человеческий глаз воспринимает источник света, представленных в Таблице 6.
Спектральная чувствительность человеческого глаза (или реакция глаза на свет различного цвета) оценивалась в исследованиях с участием большого количества людей. Результаты исследований были представлены на кривой распределения светочувствительности или V(λ) кривой для дневного зрения и V(λ) кривой для ночного зрения.
Единицы измерения
Порог освещенности
В физическом выражении порог освещенности - это самый низкий уровень освещенности от точечного источника света по отношению к уровню освещенности заданного фона, что приводит к зрительной реакции в глазе.
Для применения в визуальном сигнальном оборудовании порог освещенности (E) обычно составляет 0,2 микролюкс для глаза наблюдателя.
Для створных огней ограниченной дальности действия при высоком уровне береговой освещенности эта цифра может оказаться слишком низкой. Согласно рекомендациям для удобства наблюдения относительного расположения огней и получения максимально возможной точности при ориентировании на створные и секторные линии необходимо минимальная освещенность 1 микролюкс для глаза наблюдателя. Данное условие должно выполняться на внешних границах взятого участка для минимальной метеорологической видимости, при которой возможно использование створных огней.
Для огней плавучих средств навигации необходимо обеспечить необходимую вертикальную расходимость, так чтобы сохранить минимальную освещенность для наблюдателя при бортовой и килевой качке плавучего средства.
Сила света
Сила света навигационных огней прямо пропорциональна яркости источника света. Размер источника света обратно пропорционален его яркости и прямо пропорционален дивергенции оптической системы.
Кандела (кд) - это единица, используемая для измерения силы света светотехнического средства навигационного оборудования.
Закон обратных квадратов
Свет, излучаемый источником, расходится во всех направлениях. Для точечного источника можно представить, что фронты световой волны создают ряд сферических поверхностей. Как показано на рисунке 9 свет дальше расходится от источника, площадь поверхности сферы увеличивается и соответственно освещенность снижается. Так как освещенность измеряется в люменах на квадратный метр, а площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса, освещенность уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника. Снижение освещенности на расстоянии описывается Законом обратных квадратов.
Закон Аллара
От освещенности источника света по достижении им глаз наблюдателя зависит, увидит ли наблюдатель этот свет. Отношения между освещенностью в глазах наблюдателя, эффективной силой света источника, расстоянием до наблюдателя и коэффициентом прозрачности атмосферы представлены в законе Аллара:
E = (I*Td)/d2
где:
- E = освещенность в глазе наблюдателя (лм/м2)
- I = эффективная сила света источника (кд)
- T = коэффициент прозрачности атмосферы
- d = расстояние меду источником света и наблюдателем.
(Так как значение T дается на одну морскую милю, d в числителе также должно быть в морских милях. В знаменателе же d берется в метрах)
Закон Аллара применяется только, если освещенность фона низкая по сравнению со средней освещенностью.
В случаях, когда средняя фоновая освещенность высокая, как это обычно бывает днем, уравнение будет следующим:
E = [I - (L - L')A]* Td/d2
где:
L = яркость (кд/м2) фонового света, измеренная в направлении линии зрения с позиции возле огня СНО (например, участок неба рядом с маяком)
L’ = средняя яркость (кд/м2) неосвещенного навигационного знака, измеренная в направлении линии зрения с позиции возле маяка (например, измерение яркости оптической линзы маяка с выключенной лампой)
A = площадь (м2) луча света СНО падающего на плоскость нормаль к линии зрения (например, измерение освещенной площади оптики маяка)
(L - L‟ )A= так как I = LA, это сила света, необходимая чтобы сделать среднюю освещенность прожектора равной освещенности фона (кд).
Примечание 1: Яркость равна освещенности деленной на площадь (L = I / A). Измерения яркости могут проводиться с помощью яркомера; обычно это приборы, которые измеряют количество света на заданной площади через фиксированное отверстие.
Примечание 2: Когда обнаруженный навигационный огонь существенно отличается по цвету от фонового света, закон Аллара не применяется.
Колориметрическое измерение навигационных огней (Цветоизмерение)
Колориметрия.
Существует два вида инструментов для измерения цвета света: один из них - колориметр; другой - спектрорадиометр.
Колориметры обычно состоят из трех светочувствительных элементов, каждый с цветным фильтром. Каждый фильтр соответствует одному из трех рецепторов глаза, красному, зеленому и синему, такие приборы называют «трехцветными» колориметрами. Колориметр дает три потока, которые соответствуют функциям X, Y и Z наблюдателя.
Спектрорадиометры состоят из монохроматора и фоторецептора. Монохроматор разделяет свет на отдельные волны (подобно тому, как призма делает радугу) и, как правило, последовательно вращается в направлении выходной щели. Фоторецептор, позади выходной щели, измеряет различные участки спектра во время вращения монохроматора. На выходе получают серию показаний, позволяющих построить график отношения мощности к длине волны. Затем результаты могут быть оценены с помощью функций X, Y и Z человека- наблюдателя для получения информации о цвете.
Последовательные монохроматоры описанного выше типа довольно медленные и не подходят для измерения проблесковых огней. Трехцветные колориметры, с другой стороны, позволяют измерять цвет гораздо быстрее. В настоящее время появился новый вид спектрорадиометров, известных как спектрорадиометры «на основе массива». Вместо одного фоторецептора и вращающегося монохроматора, неподвижный монохроматор имеет выход, направленный на массив приборов с зарядной связью (ПЗС). Такие приборы имеют гораздо большую скорость измерений, чем последовательные монохроматоры.
Последние открытия в области измерения цвета были сделаны вследствие разработки технологии цифровых фотокамер. «Фотометры с изображением», как еще их называют, это чуть больше, чем калиброванные цифровые фотокамеры, некоторые из них с трехцветной фильтрацией. Они могут проводить быстрое измерение целого пейзажа, что позволяет использовать их за пределами лаборатории. Однако точность некоторых более дешевых приборов оставляет желать лучшего.
Подведем итоги:
- Трехцветные колориметры позволяют быстро сделать измерения, однако более дешевые модели допускают ошибки при измерении источников узкополосного света, таких как светодиоды.
- Последовательные монохроматоры медленные и дорого стоят, но очень точные.
- Спектрорадиометры на основе массива - быстрые, относительно недорогие, но могут допускать ошибки при измерении рассеянного света.
- Фотометры с изображением дорогие, не очень точные, но могут измерять целый пейзаж, а не только один источник света.
Данные, полученные при измерении цвета, обычно представляют на цветовом графике разработанном МКО в 1931 г. Три значения X, Y и Z сводятся к двум значениям x и y, как показано на Рисунке 11.
Литература
Navguide: Руководство по навигационному оборудованию [2012]
