Анализ качества потока оптического излучения светодиодных ламп

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

Факультет – Естествознания и стандартизации_______________________

Кафедра – Физики___________________

___________________________________

Направление подготовки– 12.03.01 Приборы и методы контроля качества и диагностики



Допустить к защите

Заведующий кафедрой

______________ /Савченко Ю.И./

«____»  ___________  2017 г.











ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА



Обучающегося  Падалка Анастасии Анатольевны

(фамилия имя отчество)

На тему:  Анализ качества потока оптического излучения светодиодных ламп

(полное наименование темы)



ВКР выполнена на ____ страницах

Графическая часть на ____ листах



Руководитель 		                                   доцент, кпн Бутаков Сергей Анатольевич		

(подпись, дата, должность, ученая степень, звание, Ф.И.О.)







Нормоконтроль и проверка
на антиплагиат выполнены.
Оригинальность текста ___% 

_________________ /Солнцев А. Ю./

(подпись, дата)

Обучающийся __________________

                       (подпись)

«____»  _____________  2017 г. 

			

		

		

Магнитогорск 2017



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ 
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»



Кафедра – Физики_____







УТВЕРЖДАЮ:

Заведующий кафедрой

____		____ /Савченко Ю.И./

«____»  ________		____  2017 г.





ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА



ЗАДАНИЕ

Тема:  Анализ качества потока оптического излучения светодиодных ламп



Обучающемуся  Падалка Анастасии Анатольевне

                               (фамилия имя отчество)





Тема утверждена приказом  ____от__________ 2017 г.



Срок выполнения «_____»  ____________________ 2017 г.



Исходные данные к работе: 										 																																																																																																																																																																																						

Перечень вопросов, подлежащих разработке в выпускной квалификационной работе:

Рассмотреть основные понятия фотометрии;

Изучить работу датчиков регистрации оптического излучения;

Ознакомиться с прибором для измерения интенсивности (люксметр);

Измерить интенсивность для различных участков спектра светодиодных ламп, полученные результаты сравнить с интенсивностью спектра естественного излучения;

Определить участки спектра светодиодных ламп, существенно отличающихся от аналогичных участков естественного освещения;

	Изучить действующие ГОСТы и стандарты по светобиологической безопасности светодиодных ламп.

Оценить возможный ущерб для зрения из-за перераспределения интенсивностей в спектре.

																												

Графическая часть:

   																																																																																																																																															

Консультанты по работе (с указанием относящихся к ним разделов):

																																																																																																																																																										



Руководитель:______________________________________  /_ 			_/

(подпись, дата)



Задание получил:___________________________________  /_				_/



(подпись, дата)




ОТЗЫВ

на выпускную квалификационную работу,                                                           выполненную обучающимся группы ЭАПб-13                                                       Падалка Анастасией Анатольевной,                                                                      

на тему «Анализ качества потока оптического излучения светодиодных ламп»

	Проблема своевременного освещения и несоответствия интенсивности спектров светодиодных ламп с интенсивностью спектров естественного света, сравнение участков спектра существенно отличающихся от спектра Солнца обуславливает актуальность темы выпускной квалификационной работы. Целью исследования выпускника состояла в выявлении несоответствия спектров светодиодных ламп и естественного света.

	Выпускная квалификационная работа выполнена в соответствии с заданием и отличается грамотностью, логичностью изложения, что подтверждает глубину проработки материала и усердие обучающегося при ее написании.

	В первой главе дан теоретический анализ основ фотометрии. Во второй главе рассмотрены датчики регистрирующие оптическое излучение, а в третей дана экспериментальная оценка состояния интенсивности светодиодных ламп.

	Считаю, что студенту в выпускной квалификационной работе успешно удалось решить все поставленные задачи, среди которых, наиболее значимыми являются: проведение формирующего эксперимента с целью определения участков спектра светодиодных ламп, существенно отличающихся от аналогичных участков естественного освещения.

	Работа Падалка А.А. носит выраженный практический характер, представляет законченную выпускную квалификационную работу.

	Выпускная квалификационная работа, выполненная Падалка Анастасией Анатольевной, заслуживает оценки «отлично», а сам выпускник заслуживает присвоения квалификации «Бакалавр» по направлению 12.03.01 Приборы и методы контроля качества и диагностики.

Руководитель выпускной квалификационной работы доцент, кпн Бутаков С.А.

РЕФЕРАТ



Выпускная квалификационная работа: 74 страницы,  33 рисунка,  11 таблиц, 9 источников. Также к дипломному проекту прилагается графическая часть в виде презентации.

Ключевые слова оптическое излучение, люксметр, качество потока оптического излучения, интенсивность, светодиодные лампы.

Объектом исследования является оптическое излучение светодиодных ламп. 

Предметом исследования выступает влияние интенсивности оптического излучения на зрение человека, определение светодиодных ламп в соответствующие группы риска.

Цель выпускной квалификационной работы - выявление несоответствия спектров светодиодных ламп и естественного света, и количественное сравнение их различия.

Методы исследования: систематический подход, умозаключения, сравнение, анализ данных, статистические методы

Область  применения: качество оптического излучения особенно значимо в помещениях, в которых долгое время находятся люди.

Автор работы подтверждает, что приведённый в ней аналитический материал правильно и объективно отражает состояние исследуемого процесса, а заимствованные из литературы и других источников положения и концепции сопровождаются ссылками на их авторов.




СОДЕРЖАНИЕ

	ВВЕДЕНИЕ	7

	1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОПТИКИ	9

		1.1	Оптическое излучение	9

	1.2 ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ	12

	2. Источники и приемники оптического излучения	24

	2.1 Типы источников излучения. Принципы их классификации	24

	2.1.1 Приёмники света	26

	2.2.1 Приемники оптического излучения	32

	2.2 Оптические датчики	38

	2.2.2 Регистрация спектров. Выбор системы регистрации	39

	2.2.3 Спектрометры на основе дифракционных решеток или призм	44

		3.	Экспериментальное выявление интенсивности для различных участков спектра светодиодных ламп.	53

		3.1	Светодиодные лампы как объект контроля и особенности их работы	53

		3.1	Описание объекта контроля	55

		3.2	Оборудование, используемое при проведении испытаний	55

	3.4 Проведение измерений и их дальнейшей оценки	58

	Заключение	74

	Список литературы	76








ВВЕДЕНИЕ

Более 90% информации человек получает посредством зрения. Поэтому очевиден интерес, проявляемый к изучению закономерностей и природы воздействия световых волн на глаз или какие-либо другие приемники излучения (датчики). 

Суть механизма воздействия света, прежде всего, заключается в передаче регистрирующему устройству энергии, переносимой световой волной.

Человеческий глаз воспринимает только часть этого интервала — примерно от 380 нм до 780 нм. Именно этот волновой диапазон и называется видимым светом.

Свет с разной длиной волны воспринимается глазом по-разному. 
Это различие в восприятии названо цветом.

Максимальная чувствительность глаза при дневном свете достигается на длине волны 555 нм, а при сумеречном свете - на длине волны 510 нм. 

Обе эти длины волны соответствуют зелёной области видимого спектра. 

Максимальная чувствительность глаза в обоих случаях принимается за единицу. Отличие между этими двумя кривыми видности объясняется тем, что дневной и сумеречный свет воспринимаются различными рецепторами глаза (палочками при сумеречном свете и колбочками при дневном свете). При этом палочки обеспечивают чёрно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки — именно поэтому ночью воспринимаемое изображение серое.

Целью нашего исследования является экспериментальное выявление несоответствия спектров светодиодных ламп и естественного света и количественное сравнение их различия.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:

Рассмотреть основные понятия фотометрии;

Изучить работу датчиков регистрации оптического излучения;

Ознакомиться с работой Люксметра;

 Измерить интенсивность для различных участков спектра светодиодных ламп;

Полученные результаты сравнить с интенсивностью спектра естественного излучения;

Определить участки спектра светодиода существенно отличающихся от аналогичных участков естественного освещения; 

Оценить возможный ущерб для зрения из-за перераспределения интенсивностей в спектре.

Для решения поставленных задач использовался комплекс взаимодополняющих методов исследования: анализа литературы по исследуемой проблеме, методы изучения, обобщения и анализа существующих данных.

Объектом нашего исследования будет являться оптическое излучение светодиодных ламп, а предметом исследования ? определение светодиодных ламп в соответствующие группы риска, влияние интенсивности оптического излучения на зрение человека.






1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОПТИКИ



Оптика это раздел физики, изучающий природу света, законы его распространения и взаимодействия с веществом.

Для объяснения световых явлений в физике используются две теории света — волновая и корпускулярная:

по волновой (электромагнитной) теории световое излучение представляет собой электромагнитные волны;

по корпускулярной (фотонной) теории световое излучение представляет собой поток особых частиц — фотонов, которые обладают энергией, массой и импульсом (количеством движения).

При помощи волновой теории объясняются законы распространения света (отражение, преломление, интерференция, дифракция света и т.п.). 

При помощи фотонной теории объясняются законы взаимодействия между светом и веществом (поглощение и рассеяние света электронами, излучение и поглощение света атомами и т.п.). Ограничиться только одной из теорий для объяснения всех явлений излучения, распространения и поглощения света не удается. Таким образом, в световых явлениях наблюдается своеобразный дуализм волновых и корпускулярных свойств.



Оптическое излучение



Под термином свет (или оптическое излучение) в широком смысле понимается электромагнитное излучение в интервале длин волн от 10-8м (0.01 мкм) до 10-4м (100 мкм). 

Человеческий глаз воспринимает только часть этого интервала — примерно от 380 нм до 780 нм. Именно этот волновой диапазон и называется видимым светом.

Оптическое излучение с длиной волны меньшей, чем 380 нм называется ультрафиолетовым (УФ), а с длиной волны большей 780 нм — инфракрасным (ИК).

Свет с разной длиной волны воспринимается глазом по-разному. Это различие в восприятии названо цветом. 

Если мы видим, что какой-то предмет окрашен — это значит, что он отражает именно те длины волн, которые вызывают у нас ощущение того или иного цвета. Свет остальных длин волн поглощается поверхностью предмета и до наших глаз не доходит.

Цвета в природе нет. Он является продуктом деятельности нашего мозга.

Оттенки цвета в различных областях видимого диапазона получили следующие названия таблица 1

Таблица 1 – Оттенки цвета в различных областях видимого диапазона







На рисунке 1 представлены кривые относительной спектральной чувствительности глаза днём и ночью. Максимальная чувствительность глаза при дневном свете достигается на длине волны 555 нм, а при сумеречном свете - на длине волны 510 нм.





Рисунок 1 Кривые относительной спектральной чувствительности глаза



Обе эти длины волны соответствуют зелёной области видимого спектра. 

Максимальная чувствительность глаза в обоих случаях принимается за единицу. Отличие между этими двумя кривыми видности объясняется тем, что дневной и сумеречный свет воспринимаются различными рецепторами глаза (палочками при сумеречном свете и колбочками при дневном свете). При этом палочки обеспечивают чёрно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки — именно поэтому ночью воспринимаемое изображение серое.

После нахождение при полной темноте в течение нескольких часов, то есть, при хорошей адаптации (привыкании) к темноте, глаз также может немного видеть инфракрасный (ИК) свет с длиной волны до 950 нм и ультрафиолетовый (УФ) свет с длиной волны вплоть до 300 нм. И границы частотного диапазона видимого света, и сама форма кривой видности человеческого глаза были сформированы в процессе длительной эволюции, приспособившись к условиям освещения земных предметов солнечным светом, а также к условиям сумеречного и ночного освещения. 

		Действительно, было бы биологически нецелесообразно, если бы глаз обладал способностью принимать излучение с длинами волн короче 290 нм. Дело в том, что из-за наличия озонового слоя в атмосфере земли, поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверхности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм.  

С другой стороны, из-за теплового излучения самого глаза, его высокая чувствительность к инфракрасному излучению сделала бы невозможной работу глаза в условиях солнечного освещения.

1.2 ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ

Более 90% информации человек получает посредством зрения. Поэтому очевиден интерес, проявляемый к изучению закономерностей и природы воздействия световых волн на глаз или какие-либо другие приемники излучения (датчики).

Суть механизма воздействия света, прежде всего, заключается в передаче регистрирующему устройству энергии, переносимой световой волной.

Раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом называется фотометрией.

Поток энергии излучения. Телесный угол

Электромагнитное излучение, как и любые волны, при своем распространении в какой-либо среде переносит энергию от точки к точке. Если на некотором расстоянии от источника электромагнитных волн мысленно выделить поверхность так, чтобы сквозь нее проходили волны, то энергию, переносимую этими волнами через поверхность за единицу времени, называют потоком излучения или лучистым потоком через выделенную поверхность; поток излучения имеет размерность мощности и измеряется в ваттах. Когда расстояние от источника электромагнитного излучения до выделенной поверхности велико по сравнению с размерами самого источника, его можно назвать точечным. Часто условно считают, что излучение точечного источника не зависит от направления, т. е. происходит равномерно во все стороны. Поток излучения, падающий на какую-либо поверхность, зависит от площади этой поверхности S, от ее положения в пространстве и от расстояния до источника излучения. В большинстве случаев приходится рассматривать поток излучения, распространяющийся в ограниченной части пространства. Например, если источник излучения О, линейные размеры которого малы по сравнению с r (рисунок 2, а), посылает излучение на площадку S, перпендикулярную к направлению распространения излучения, то на нее попадает только излучение, ограниченное заштрихованной конической поверхностью с вершиной в точке О.



Рисунок 2 Определение телесного угла

Часть пространства, ограниченную конической поверхностью, называют телесным углом ?. Точку О на рисунке 2 называют вершиной телесного угла. Когда вершина телесного угла находится в центре шара, угол называют центральным. Если из точки О (рисунке 2, б) провести шаровые поверхности с различными радиусами г, то, как известно из геометрии, для заданного телесного угла отношение площади вырезанной этим углом поверхности шара S к r2 для всех поверхностей будет одинаково и может служить мерой телесного угла ?, т. е. 

					(1.1)

Найдем единицу телесного угла ?:

?=1 м2 /1 м2 =1 ср.

Стерадианом (ср) называют центральный телесный угол, который вырезает на поверхности шара площадь, равную квадрату радиуса этого шара. Поскольку площадь сферической поверхности выражается формулой SШ=4?r2, то во всей поверхности шара квадрат его радиуса содержится 4? раз. Это означает, что полный телесный угол ?п , охватывающий все пространство, содержит 4? ср, т. е. 

?П=4? ср.					 (1.2) 

Когда нужно оценить излучение, распространяющееся от источника О в заданном направлении ОА (рис. 2, б), то рассматривают лучистый поток в очень малом угле d?, который вырезает на поверхности шара площадь dS с центром в точке А. Разделив всю поверхность шара на равные площади dS и измерив потоки, которые попадают на каждую из них, можно узнать, в каком направлении испускается больший поток излучения, а в каком меньший.

Световой поток

Световое ощущение у человека создает электромагнитное излучение с длиной волны в вакууме в диапазоне примерно от 400 до 760 нм, причем каждой длине волны в этом диапазоне соответствует определенное цветовое ощущение. Опыты показали, что лучистые потоки, одинаковые, но соответствующие различной длине волны, вызывают неодинаковое раздражение окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза и поэтому создают световые ощущения, отличающиеся не только по цвету, но и по интенсивности. Наиболее чувствителен наш глаз к излучению с длиной волны 555 нм (зеленый цвет). Одинаковые лучистые потоки с длиной волны, большей или меньшей 555 нм, создают более слабое световое ощущение. Чтобы оценить эту разницу количественно, поступим следующим образом. Возьмем источники монохроматического излучения разных цветов, но одинаковой мощности (например, в 1 Вт) и будем поочередно сравнивать их в одинаковых условиях с источником излучения с длиной волны 555 нм, мощность которого можно регулировать. Тогда для каждого монохроматического источника мы сможем подобрать такую мощность эталонного источника с длиной волны ? =555 нм, чтобы световые ощущения, создаваемые этими источниками, были одинаковы по интенсивности. Для сравнения источников можно, например, освещать ими соседние участки одного текста, добиваясь одинаковой четкости (удобства чтения). Назовем отношение найденной из таких опытов мощности эталонного источника с длиной волны ?=555 нм к мощности сравниваемого с ним монохроматического источника коэффициентом относительной видности. Оказывается, например, что лучистый поток оранжевых лучей (?=610 нм) мощностью в 1 Вт создает световое ощущение такой же интенсивности, как поток зеленых лучей (?=555 нм) мощностью 0,5 Вт. Значит, для длины волны ?=610 нм коэффициент относительной видности К=0,5. На рисунке 3 показана полученная с помощью таких опытов зависимость коэффициента видности от длины волны излучения в вакууме. (Ясно, что для ?=555 нм К=1.) Этот график называют кривой относительной видности или кривой спектральной чувствительности глаза. Заметим, что ночью кривая спектральной чувствительности глаза несколько сдвигается в сторону коротких длин волн, т. е. влево.





Рис. 3 Зависимость коэффициента видности от длины волны излучения в вакууме.



Сила света. Единицы силы света и светового потока.

Световой поток Ф всегда создается каким-либо источником света. Реальные источники света излучают световой поток по различным направлениям неравномерно. Величина, которая характеризует зависимость светового потока, испускаемого источником света, от направления излучения, называется силой света J. Сила света источника малых размеров измеряется световым потоком, испускаемым этим источником внутрь единичного телесного угла в заданном направлении: 

					(1.3)

 Для реального источника света при определении силы света в каком-либо направлении измеряют световой поток d? в малом угле d? и затем находят J по формуле (3). Нели же сила света источника слабо зависит от направления, то формула (4) будет справедлива и для больших углов: 

					(1.4)

В дальнейшем мы будем считать силу света точечного источника по всем направлениям одинаковой. В СИ единица силы света кандела (от лат. «кандела» - свеча) является шестой основной единицей. Канделой (кд) называют 1/60 силы света, создаваемой 1 см2 плоской поверхности платины при температуре ее затвердевания (2046 К) по направлению перпендикуляра к этой поверхности. Для источников света, сила света которых зависит от направления, иногда пользуются средней сферической силой света Jср. Ее находят из соотношения 

 					(1.5)

где ?П - полный световой поток лампы. 

Выведем единицу светового потока в СИ: 

?= J?=1 кд 1 ср =1 лм

В СИ за единицу светового потока принят люмен (лм). Люменом называют световой поток, испускаемый точечным источником света в 1 кд внутрь телесного угла в 1 ср. 

Так как полный телесный угол содержит 4? стерадиан, то полный поток, испускаемый точечным источником света, выразится формулой 

 					(1.6) 

Измерения показали, что 1 лм монохроматического светового потока с длиной волны 555 нм соответствует лучистому потоку в 0,00161 Вт, т.е. 1 Вт такого излучения составляет 621 лм. 

В применении к электрическим лампам количество люменов светового потока Ф, которое приходится на один ватт мощности Р электрического тока в лампе, называют световой отдачей к лампы: 

					(1.7) 

Например, лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет среднюю сферическую силу света около 100 кд. Полный световой поток такой лампы, подсчитанный по формуле (6), составляет Фп=4·3,14·100 кд=1256 лм, а световая отдача равна 12,6 лм/Вт. Световая отдача ламп дневного света в несколько раз выше, чем у ламп накаливания. 

Освещенность

Темной ночью окружающие нас тела невидимы. Однако горящая спичка в этих случаях будет ясно видна, как и близкие к ней предметы. Это объясняется тем, что от источника света, в данном случае от спички, распространяется световой поток. Часть светового потока, который падает на другие тела, отражается и, попадая в глаз человека, позволяет ему видеть их. Чем больший световой поток упадет на рассматриваемые тела, тем больше будет и отраженный световой поток и человек отчетливее сможет видеть эти тела. Величину Е, характеризующую различную видимость отдельных тел и обусловленную величиной падающего на них светового потока, называют освещенностью. Освещенность определяется световым потоком, приходящимся на единицу площади этой поверхности, т. е. 

					(1.8) 

При равномерном распределении падающего на поверхность светового потока ее освещенность измеряется световым потоком, приходящимся на единицу площади этой поверхности, т. е. 

					(1.9)

Когда формулой (8) пользуются при неравномерном распределении потока Ф на площадь S, то получают среднюю освещенность этой поверхности. Выведем единицу освещенности Е в СИ: 

Е= 1 лм/1 м2 =1 лм/м2 =1 лк. В СИ за единицу освещенности принимается люкс (лк) (от лат. «люкс» - свет). Люксом называют освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает световой поток в один люмен. Приведем несколько примеров. Солнечные лучи в полдень (на средних широтах) создают освещенность порядка 100 000 лк, а полная Луна - около 0,2 лк. Лампа накаливания мощностью 100 Вт, висящая на высоте 1 м над столом, создает на поверхности стола (под лампой) освещенность 100 лк. 

Яркость.

 Читая книгу, мы отчетливо видим буквы на белом фоне листа, хотя его освещенность можно считать везде одинаковой. Объясняется это тем, что белый лист и буквы по-разному отражают падающий на них световой поток. Поскольку от листа бумаги распространяется световой поток, то лист можно считать источником света. Заметим, что от листа распространяется не его собственный свет, а отраженный, поэтому лист удобно назвать вторичным источником света. Величина светового потока, распространяющегося как от первичного, так и от вторичного источника света, вообще говоря, зависит от направления. Это означает, что, подобно первичным источникам света, вторичные источники можно характеризовать силой света. Белая поверхность листа кажется нам значительно ярче, чем буквы на ней, поэтому сила света с единицы площади в первом случае больше, чем во втором. Итак, различные области поверхностей реальных источников света (первичных и вторичных), рассматриваемые по определенному направлению, могут значительно отличаться своей яркостью, например, одни витки спирали включенного в сеть электрического нагревателя кажутся светлее, чем другие. Величину B, характеризующую различную видимость отдельных участков поверхности в заданном направлении, обусловленную распространяющимся от этой поверхности световым потоком, называют яркостью. При равномерном распространении светового потока от всех участков поверхности в выбранном направлении яркость измеряют силой света с единицы площади этой поверхности. Если сила света определяется по направлению перпендикуляра к поверхности, то яркость последней находится по формуле 

					(1.10) 

В общем случае яркость поверхности B представляет собой отношение силы света в данном направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную заданному направлению: 

				(1.11) 

Выведем единицу яркости в СИ: 

В= 1 кд/1 м2 =1 кд/м2.

За единицу яркости в СИ принимают кд/м2 - яркость такой плоской, равномерно светящейся поверхности, с каждого квадратного метра которой в перпендикулярном к ней направлении получается сила света в 1 кд. Заметим, что наименьшая яркость, на которую реагирует глаз человека; составляет около 10-6 кд/м2, а яркость более 105 кд/м2 вызывает болезненное ощущение в глазу и может повредить зрение. Яркость поверхности Солнца составляет 1,5 109 кд/м2, а поверхности Луны - 2,5 103 кд/м2. Яркость волоска лампы накаливания - (1,5-2) 106 кд/м2. 

Законы освещенности

Освещенность, создаваемая точечным источником света, зависит от силы света J и расстояния от источника до поверхности r. Опишем радиусом r сферическую поверхность вокруг точечного источника с силой света J. Тогда освещенность внутренней стороны этой поверхности будет везде одинакова и лучи будут идти по радиусам, т.е. перпендикулярно к поверхности сферы. Следовательно, угол падения световых лучей на поверхность будет равен нулю. Если освещенность внутренней поверхности сферы в этих условиях обозначить Е0, площадь всей внутренней поверхности SШ и полный световой поток источника ?П, то из формулы (8) получим 

					(1.12)

Это соотношение является математическим выражением первого закона освещенности: при перпендикулярном падении лучей освещенность, создаваемая точечным источником света, прямо пропорциональна его силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности. 

Рассмотрим теперь, как зависит освещенность от угла падения лучей. Пусть на плоскую поверхность ABCD падают параллельные световые лучи под углом i (рисунок 4). Освещенность E на этой поверхности определяется формулой 

			(1.13)

где Ф - световой поток, падающий на поверхность ABCD. 



Рисунок 4 - Зависимость освещенности от угла падения лучей

Если поверхность ABCD убрать, то световой поток попадет на поверхность MNCD . Пусть эта поверхность расположена так, что угол падения лучей на нее равен нулю. Тогда угол между поверхностями ABCD и MNCD будет равен i. Обозначим освещенность на поверхности MNCD через E0; тогда 

						(1.14)

 Найдем отношение освещенностей Е и Е0: 

		(1.15)

. Поскольку AB = MN , то . Таким образом, 

E=E0·cosi						 (1.16) 

Это соотношение является математическим выражением второго закона освещенности: освещенность поверхности, создаваемая параллельными лучами, прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей на эту поверхность. Из второго закона освещенности следует, что при увеличении угла падения освещенность поверхности должна уменьшаться. Смена времен года на Земле объясняется именно изменением угла падения солнечных лучей на ее поверхность. В северном полушарии наименьший угол падения лучей на поверхность Земли получается летом в конце июня, а наибольший угол - зимой в конце декабря. Для точечного источника света Е0 в формуле (11) можно заменить его значением из формулы (10), тогда получим обобщенную формулу для вычисления освещенности:

						 (1.17) 

По этой формуле можно вычислять освещенность различных участков поверхности (например, разных точек стола), создаваемую электрической лампой (рисунок 5). При расчетах нужно помнить, что освещенность, создаваемая несколькими источниками света в какой-либо точке поверхности, равна сумме освещенностей, создаваемых каждым источником в отдельности.





Рисунок 5 - Освещенность различных участков поверхности







2. Источники и приемники оптического излучения

2.1 Типы источников излучения. Принципы их классификации



Источником оптического излучения называют устройство, преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона спектра. В светотехнике за источник излучения принимают не только те тела, которые являются самосветящимися, но также и тела, отражающие или пропускающие свет. Самосветящиеся тела называются первичными источниками, источники отраженного или проходящего излучения - вторичными.

Классификация источников излучения может осуществляться по различным признакам, например:

а) по размеру источников излучения;

б) по характеру распределения силы излучения в пространстве (по форме фотометрического тела);

в) по спектральному распределению потока излучения (световому потоку);

г) по времени действия излучения;

д) по цветовой температуре.

Источники делятся на искусственные и естественные.

Искусственные источники света - технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным предназначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция).

Естественные источники света - это природные материальные объекты и явления, основным или вторичным свойством которых является способность испускать видимый свет. В отличие от естественных источников света, искусственные источники света являются продуктом производства человека или других разумных существ. К естественным или природным источникам света прежде всего относят: Солнце, Луну, планеты, кометы, полярные сияния, атмосферные электрические разряды, биолюминесценцию живых организмов, свет звезд и иных космических объектов, свечение окисляющихся органических продуктов и минералов. Естественные источники света играют первостепенную роль в существовании жизни на земле и других планетах, и оказывают значительное воздействие на окружающую среду.

Все параметры источников излучения можно разбить на две группы: технические и эксплуатационные. Технические параметры - это те, которые характеризуют сам источник света безотносительно к условиям его применения. К техническим относятся все электрические, световые и механические параметры ламп.

Основные электрические параметры источников света:

1. Номинальное напряжение - напряжение, на которое рассчитана конкретная лампа или на которое она может включаться с предназначенной для этого специальной аппаратурой. Для ламп накаливания все остальные параметры снимаются именно при номинальном напряжении. Номинальное напряжение (впрочем, как и любое другое) измеряется в вольтах (сокращенное обозначение - В, V).

2. Номинальная мощность лампы - расчетная мощность, потребляемая лампой накаливания при ее включении на номинальное напряжение. Для газоразрядных ламп номинальная мощность - это расчетная мощность, которую потребляет лампа при ее включении со специально предназначенной для этого аппаратурой. Мощность измеряется в ваттах (сокращенное обозначение - Вт, W).

3. Для газоразрядных ламп иногда оговаривается род питающего тока - переменный или постоянный, так как отдельные типы ламп могут работать только на постоянном токе (например, шаровые ксеноновые или ртутные). Если такой оговорки в документации на лампу нет, то лампы должны включаться только на переменное напряжение. При работе на постоянном токе обязательно указывается полярность включения: к какому выводу лампы должен подключаться положительный полюс сети (+), к какому - отрицательный (-). Электрод лампы, к которому подключается положительный полюс напряжения, называется анодом, отрицательный - катодом.

4. Для некоторых типов ламп (например, для эталонных или образцовых ламп накаливания) вместо номинальной мощности указывается номинальный ток (1Н), который измеряется в амперах (А) или миллиамперах (мА, тА; 1 А - 1000 мА). Из световых параметров в каталогах и справочниках чаще всего указывается номинальный световой поток Ф, то есть поток, который создает лампа при ее номинальной мощности.

2.1.1 Приёмники света



Болометры характеризуется изменением сопротивления R от светового потока.

Изменение параметров болометра, происходящее под действием изменяющегося светового потока основано на внутреннем фотоэффекте. Физика данного эффекта позволяет осуществить измерение светового потока в большом диапазоне длин волн до дальней инфракрасной (ИК) области (l=50).

Основной материал, применяемый при изготовлении болометров – германий.

Существует несколько типов схем включения болометров. Выбор типа схемы включения осуществляется по различным факторам:

Уровень фоновой засветки (УФЗ) - уровень магнитного излучения, который не несет полезной информации

УФЗ – зависит от внешних источников электромагнитного излучения, которые не зависят от объекта регулирования, и не несут в себе полезной информации. При высоком УФЗ используют дифференциальную схему включения фотоприемника с целью минимизации влияния синфазной помехи на информационный сигнал. Для этого можно использовать и мостовую схему включения фотоприемника. .......................