Интернациональная физика и отечественная лирика современной метрологии света

Ногами не счесть километры

О том, что измерение параметров света — непростая задача, писалось и говорилось неоднократно. Особенно если желать это сделать с большой точностью. Однако с существенным ростом качественных показателей осветительных приборов и источников света, в особенности полупроводниковых, вопрос измерений их характеристик встает весьма остро из-за тонкостей применяемых при исследованиях методик и средств измерений, которые пришли в метрологию полупроводникового света еще из эры ламповых или газоразрядных источников. Дело в том, что, помимо разницы в спектральном распределении мощности излучения, о которой также сказано немало, осветительные приборы на основе таких разных источников обладают еще и значительными отличиями в габаритной яркости, равномерности яркости выходного окна, а также геометрических размерах как самих осветительных приборов, так и их источников света. Все бы ничего — ведь и лампы в свою очередь также имеют довольно разные характеристики, и в прежние времена никто особенно не «капризничал» при рассмотрении полученных результатов измерений одними и теми же установками: свет, он и есть свет, неважно, от какого источника исходит. Но теперь точность измерений в 20% не устраивает никого, а светодиоды вообще сортируются по световому потоку, в частности, на ранки, отличие между которыми составляет всего 5–7%. И от правильности выводов, сделанных по результатам измерений, будет зависеть стоимость продукта и его качественные показатели. Однако каким бы ни был совершенным математический и аналитический аппарат современных компьютеров, в светотехнических измерениях, как и во многих других, не обойтись без датчиков, преобразующих свет (электромагнитное излучение) в электрический сигнал (фототок). И теперь качество этих преобразователей (фотометров) куда важнее многократно перекрывающих их по скорости и возможностям обработки результатов компьютерных программ. Также не исключаются из жизни и сами физические принципы измерений, которые основаны на законах распространения и преобразования электромагнитной энергии, коей в нашем случае и является свет. И здесь также кажется, что всем все понятно еще со школьного курса физики. Особенно это должно быть понятно профессионалам, занимающимся такими измерениями. Но как в настоящей и почти правдивой сказке, так и в реальной жизни никогда не обходится без объективных обстоятельств, делающих, казалось бы, простое и понимаемое трудно реализуемым или выполненным с некими поправками и условиями. А имея впечатляющий опыт прочтения сказок и проживания в нашей стране, становится понятно, что все эти обстоятельства появляются вовсе не просто так, а с чьей-то легкой руки, просто потому что так нужно кому-то. Мы уже говорили прежде, что сейчас законотворчество в сфере формирования стандартов и методик достигло таких высот, что того и гляди — узаконят в каком-нибудь техрегламенте требование, что яблоко должно падать вверх. И, к сожалению, такие моменты уже не являются стопроцентной шуткой. Так же и в светотехнике. На языке экономическом все это называется «техническая политика». Складывается она из интересов и возможностей тех, кто часто стремится подчинить себе не просто направление или вектор развития определенной отрасли или науки, но и заодно все физические основы этого направления, которые, как известно, существуют и работают вне зависимости от этой политики. Вживаясь в роль, они и правда пытаются ловить то пресловутое яблоко сверху, но каждый раз оно «почему-то» падает вниз и больно ударяет не только по голове ловивших, но и по остальным, в свое время введенным ими в заблуждение. И если применить высказанные мысли к ситуации с метрологией в светотехнике, то можно заметить, что есть здесь и «свои» «яблоки», и своя политика в стандартах и методиках измерений.

В свое время, когда шла увязка способов измерений параметров света с инженерными наработками человека в области средств измерений, методики были основаны на технических возможностях разработанных приборов, а технические требования к осветительным установкам и источникам были сформированы с учетом этих возможностей, чтобы можно было реально проконтролировать задекларированные параметры и их нормативы. Скажем так, не могла лампа, применяемая в красном сигнале автодорожного светофора, обеспечить силу света больше 200 кд при необходимом ее пространственном распределении, значит, нормой было 200 кд; не мог селеновый фотоэлемент совместно с измерителем тока обеспечить необходимую чувствительность сигнала на расстоянии больше 10 м при определенной площади его окна, значит, рекомендовали фотометрическую трассу 10 м. Большинство нормативов имело именно такую историю происхождения. Не важно, что нужно было больше: не было технических средств для этого, поэтому и нормировать другие цифры было бессмысленно. В настоящее время, как известно, техническая мысль ушла далеко, и большинству современных средств измерений, при сохранении в своей работе истинных физических основ, под силу решать куда более сложные, точные и масштабные метрологические задачи. Однако тенденция отражения этого обстоятельства в нормативной документации, как, например, в самом юном ГОСТ Р 54350–2011, прослеживается слабо. Как ни боролись с этим при обсуждении производители светотехники, метрологи и специалисты, при формировании методов измерений светотехнических параметров разработчик стандарта (ООО «ВНИСИ») поставил во главу угла прежде всего то, что имеет у себя. Хотя ни утвержденных методик измерений, ни оборудования, представляющего собой именно средство измерения (состоящее в Госреестре средств измерений), при этом не имел: речь идет о гониофотометре ближнего поля. Но, что самое важное, годится ли такой метод для измерений, рекомендованных в документе вообще, также до конца и не выяснил. Следует добавить, что таким образом нарушился основной принцип формирования стандартов, содержащих методы измерений параметров, — независимость получения той или иной единицы от типа конкретных применяемых средств измерений. При измерениях светового потока, например, пользователю документа не обязательно соблюдать последовательность нанесения и состав покрытия внутренней поверхности сферического интегратора: в его схеме измерений вообще может не быть фотометрического шара, хотя измерить световой поток ему удастся куда точнее. И что ж теперь, ему нельзя пользоваться стандартом? Правда, на фоне «тонкостей» в техническом законодательстве имеется и еще один серьезный рычаг формирования общественного мнения о состоянии отрасли и ее предмета: введение в заблуждение неспециалистов в вопросах светотехники (специалистов такими средствами удивить невозможно), неважно, будь то ответственные за применение или простые обыватели. Подчас это может выглядеть как во времена всеобщей неграмотности, когда знание кем-либо трех букв означало высокий уровень образования для тех, кто не знал ни одной. И последние были вынуждены верить тому, что прочтет этот «образованный» на заборе. А сейчас так могут выглядеть, например, нереальные значения параметров осветительных приборов в технических условиях или спецификациях, предоставляемых на тендер, некоторые публикации в профильной прессе, лихо берущие на себя ответственность создания читательского мнения путем формирования рейтингов осветительных приборов, основанных на результатах сомнительных тестов. Вот что такое современная реальная техническая политика и истоки ее происхождения.

Однако, отбросив политические вопросы, все же значительно влияющие на настроение как пользователей документами, так и принимающих решения по внедрению светотехнических новшеств в жизнь, попробуем разобраться в исключительно технических вопросах самых популярных методов измерений самых востребованных характеристик осветительных приборов: силы света и ее пространственного распределения, светового потока, угловых характеристик излучения. Постараемся сделать это максимально объективно и только лишь с целью ответа на вопросы о корректности тех или иных методик измерений, используемых теми или иными средствами измерений. Например, стоит ли измерять расстояние с помощью спектрофотометра, если в кармане есть рулетка, а тем более лазерный дальномер?

Собственной тени боится тот, кто стоит спиной к источнику света

Давно прошли времена, когда наличие того или иного дорогого и современного оборудования означало непреодолимую мощь или «крутизну» его обладателя. Как ни крути, на первый план выходит то, как умело он его использует и насколько хорошо понимает, зачем оно ему вообще нужно. Если говорить о фотометрических измерениях, то есть о том, как и с помощью какого инструмента измерить светотехнические характеристики источника света или выполненного на его основе осветительного прибора, то в распоряжении современного метролога имеются несколько основных методов с соответствующими средствами измерений. Для начала следует напомнить, какие основные единицы относятся к фотометрическим. Основная и самая важная — это сила света, имеющая размерность канделы [кд]. Сила света не зависит от расстояния от источника, ее создающего (начиная с расстояния полной светимости, когда имеющимися (или не имеющимися) оптическими элементами источника уже сформирован такой ход лучей, который не меняет направления при последующем удалении от него). Она является векторной величиной, связанной с направлением излучения. Физическая суть силы света — доля светового потока, излучаемая с элементарной площадки светящей поверхности (выражающая энергию потока в видимом диапазоне), распространяющаяся в исследуемом направлении и заключенная в малом телесном угле, значение которого стремится к нулю (1), рис. 1.

где Ф — световой поток, [лм]; Ω— телесный угол, [ср].

Рис. 1. Элементарный световой поток Ф, заключенный в телесном угле dΩ и распространяющийся в определенном направлении

Геометрическое место точек, имеющих значения силы света и образующих поверхность, представляет собой фотометрическое тело источника. Более строгое определение фотометрического тела звучит так: область пространства, ограниченная поверхностью, являющейся геометрическим местом концов радиусов-векторов, выходящих из светового центра осветительного прибора, длина которых пропорциональна силе света в соответствующем направлении (рис. 2а, б).

Рис 2. Примеры представления фотометрического тела осветительных приборов а), б); в) – пример представления диаграмм углового распределения силы света, измеренных по системе C,γ [1] с шагом 2,5 град. для построения фотометрического тела и формирования файла данных формата .ies для светотехнического проектирования.

Интегрирование по функции данной поверхности — один из самых точных методов нахождения светового потока. Интегральный световой поток — это сумма всех элементарных световых потоков, заключенных в объеме фотометрического тела. Сечения фотометрического тела определенными плоскостями с осью в световом центре осветительного прибора образуют диаграммы углового распределения силы света в этих плоскостях, которые часто и помещают в спецификациях или технических условиях как оценочную характеристику пространственного распределения силы света и, следуя дословному переводу с международного языка, на русский манер называют совсем не техническим термином «кривая силы света». Замена словосочетания «кривая силы света» (КСС) на «угловое распределение силы света», конечно, не решает технических проблем, но снимает множество вопросов при использовании интернациональной светотехнической документации, где этот «исключительно российский» термин выглядит так же «понятно», как «косая сажень» или «полосатая верста». Данный термин является ключевым в светотехнике, потому как обозначаемая им физическая характеристика светового прибора — основа как для описания светораспределения этого прибора, так и для расчетов других единиц (угловых характеристик излучения, светового потока, пространственного распределения светового потока и др.) в фотометрии. Мало того, что термин КСС абсолютно не отражает физическую суть подразумеваемой под этим названием зависимости (не понятно, от чего зависит сила света; почему зависимость вдобавок еще и обязательно «кривая»; из-за чего она «не ровная»), так еще и полностью отсутствует «техническая благозвучность» этого термина: все, что связано с направлением распространения электромагнитных волн и света, не может соседствовать со словом «кривой». Однако как ни называй эту характеристику, по ее данным можно рассчитать угловые параметры излучения в определенных плоскостях (как правило, перпендикулярных: горизонтальной и вертикальной). Угловые характеристики могут быть относительными (угол излучения по необходимому уровню от значения максимальной силы света) или абсолютными (угол излучения по значению доли от интегрального и заключенного в его пределах светового потока, в этом случае указывается направление излучения). Как правило, угол излучения выражается в сумме углов по заданному уровню в правой и левой полуплоскостях. Поэтому часто в спецификациях его называют «двойной» или «полный» угол по такому-то уровню. Пример рассчитанных угловых характеристик в одной плоскости излучения представлен на рис. 3.

Рис. 3. Угловое распределение силы света источника и значения углов излучения по уровню 0,5I_v в одной плоскости

Стоит добавить, что угловые характеристики излучения являются основой для расчетов коэффициентов формы и класса светораспределения осветительных приборов [1], а также оценки работы и разработки параметров оптических систем по данным расчетов пространственного распределения светового потока. Так, например, при расчете линз обязательно учитывается пространственное распределение силы света источника (как и его геометрические размеры), излучение которого подлежит концентрировать/перераспределять разрабатываемой оптической системе. Здесь часто бывает важно значение плоского угла излучения, который отражает то или иное значение светового потока, заключенного в определяемых им границах пространственной диаграммы. Часто такой угол излучения рассчитывают относительно половины или 90% суммарного светового потока источника, однако в случае несимметричного распределения у каждой плоскости пространства этот угол вполне может иметь различное значение.

Как видно из представленных рассуждений, основные фотометрические единицы — сила света и световой поток — имеют общие корни, соответственно, могут быть получены различными метрологическими приемами (как косвенными, так и прямыми измерениями). Разберем несколько различных методов измерений, имеющихся в ГОСТ Р 54350-2011, и постараемся оценить их с нескольких точек зрения: универсальности применения для различных типов источников света; точности измерений единиц; возможности получения сопутствующих характеристик; условий измерений и необходимости в том или ином метрологическом оборудовании.

Очень тяжело менять, ничего не меняя, но мы будем

Одним из самых распространенных, традиционных и «пожилых» является метод измерения светового потока с помощью сферического интегратора или фотометрического шара. С одной стороны, он устраняет все проблемы с учетом неравномерности диаграмм пространственного распределения силы света, часто незаменим для массовых и быстрых измерений, а с другой — такое сглаживание не может происходить без возникновения ошибки. И действительно, обладая предельной простотой в самом процессе измерения и получения значения светового потока, он применяется в большинстве случаев во многих лабораториях или производственных метрологических системах. Однако как только начинается перечисление условий, необходимых для проведения измерений, погрешность и ограничение области применения метода нарастают как снежный ком, делая его вовсе не таким уж безобидным и оправданным везде. Самый распространенный вариант измерения выполняется по схеме, подробно описанной в [1, 2], но для удобства вкратце напомним его содержание. Сферический интегратор представляет собой полый шар, внутренняя поверхность которого обработана определенным составом, имеющим высокий коэффициент диффузного (ненаправленного) отражения света. Частью этой поверхности (очень малой ее долей по площади) является диффузный рассеиватель фотоприемника, который, в свою очередь, является вторичным (относительно измеряемого) источником для фоточувствительного элемента фотоприемника.

Предполагается, что внутренняя поверхность сферы будет равномерно освещена источником, и эта элементарная площадка фотометра, как и вся площадь сферы, будет иметь одинаковое значение освещенности. Для этого, как правило, источник света помещается в геометрическом центре сферы, а для защиты фотометра от прямого попадания его лучей ставится небольшой экран (рис. 4). Остальные элементы, показанные на рисунке, — вспомогательная лампа досветки и экран от нее — применяются в особых случаях, когда нужно вывести фотометр на линейный участок его характеристики чувствительности, при недостаточной освещенности измеряемого источника либо для вывода фотометра в рабочий режим методом его засветки до начала измерений. Далее включается измеряемый источник, измеряется фототок от фотометра, и все. Но, чтобы перейти от фототока к значению светового потока, нужно обязательно откалибровать сферу с помощью светоизмерительной лампы накаливания потока (СИП), помещаемой на место исследуемого источника (источники для калибровки другого типа спектра излучения и других параметров в настоящее время не легализованы), приписав полученному от ее освещенности значению фототока фотометра паспортное значение потока, измеренное при поверке в соответствующем органе. Далее соотнести значения фототоков от нее и от исследуемого источника и пропорционально их отношению рассчитать световой поток измеряемого источника. Однако следует учесть, что лампа СИП представляет собой источник типа «А», стало быть, измеряемый источник должен иметь такой же спектр излучения. Любое отклонение от этого условия — начало цепочки погрешностей. И даже если пересчитать коэффициент преобразования фотометра и учесть эти изменения в спектре, с нелинейностью коэффициента отражения (зависимость коэффициента отражения от длины волны) поверхности сферы так просто поступить не получится, хотя бы потому, что нужно очень точно измерить спектральное распределение излучения: последние требования рекомендуют измерять светодиодное излучение с разрешением не более 1 нм. Второй источник погрешности — направленное излучение образца, опять же, в отличие от калибровочной лампы СИП, приводящее к существенной неравномерности освещенности внутренней поверхности сферы, а значит, к ошибке в измерении фототока. Как известно, 99% осветительных приборов излучают как минимум не больше, чем в одну полусферу. Тем более что уж говорить о направленных и акцентных, а также об уличных светильниках? Еще одна важная составляющая погрешности — габариты измеряемого источника. Стандарт предписывает иметь следующее соотношение размеров: диаметр фотометрического шара должен быть как минимум в шесть раз больше, чем самая большая сторона (светящая поверхность) источника [2], либо отношение максимального габаритного размера осветительного прибора к диаметру шара должно быть не более 2:3 [1], либо общая площадь поверхности осветительного прибора не должна превышать 2% площади внутренней поверхности шара [1]. Это означает, что световой поток встраиваемого в потолок «Армстронг» светильника размером 600×600 мм должен быть измерен в интеграторе с минимальным диаметром 2,5 м, а чтобы сделать погрешность измерения приемлемой, размер шара должен быть и все 3 м в диаметре. И что будет при измерении светильников большего размера, например, с люминесцентной лампой 1200 мм? А теперь зададимся вопросом: имеет ли лаборатория, декларирующая в своих протоколах именно этот метод измерения светового потока, такой фотометр, есть ли у нее право проводить такие измерения и насколько корректны при этом получаются значения светового потока?

Рис. 4. Схема измерения светового потока с помощью сферического интегратора (фотометрического шара), 1 — фотометрический шар; 2 — экраны; 3 — светорассеивающее стекло; 4 — диафрагма; 5 — нейтральный светофильтр; 6 — корригированный приемник излучения; EL — измеряемая лампа; EL1 — вспомогательная лампа накаливания; PV — вольтметр для измерения напряжения питания вспомогательной лампы; PµA — прибор, измеряющий фототок; SA — выключатель

Несколько слов об удобстве измерений осветительных приборов в рабочем положении этим методом, которое ставят чуть ли не во главу угла при разговорах в пользу его применения. Совершенно понятно, что в абсолютно замкнутом пространстве шара, к примеру, светодиодный прибор, рабочее положение которого не критично к действию и приложению гравитационных сил (как в некоторых лампах с фиксированным положением горелки), а определяется лишь направлением конвекции в радиаторе охлаждения, будет исследован некорректно, и никаких преимуществ этот метод не обеспечит из-за нагрева и практическом отсутствии этой конвекции. Следует напомнить также, что результатом фотометрических измерений светотехнического устройства в сферическом интеграторе является только лишь значение светового потока. Однако неким более совершенным вариантом может служить интегрированный вместе с получением потока метод измерения спектральных характеристик излучения, когда измеряемый сигнал, многократно переотраженный от внутренней поверхности сферы, полученный, как и в случае с измерением светового потока, с элементарной площадки поверхности сферы, подается, например, на входную щель спектрофотометра или спектрорадиометра. В этом случае будет измерено заведомо усредненное спектральное распределение излучения. Это бывает незаменимо при измерениях источников с существенно неравномерным распределением цветности по пространственной диаграмме излучения, однако здесь будет необходимо учитывать нелинейность коэффициента отражения с высокой точностью, а полученные таким образом значения колориметрических характеристик не могут быть названы корректными по причине невозможности подобного интегрального восприятия физическим наблюдателем, угол дневного зрения которого МКО определен как 1°.

Нашедшего выход затаптывают первым

Другим, не менее распространенным методом измерений фотометрических характеристик является гониофотометрический. Он считается самым точным, первичным по отношению к другим с точки зрения минимальных погрешностей, универсальным, потенциально самым информативным и легко сочетаемым с возможностью одновременного измерения других характеристик. Идея этого метода состоит в том, что пространственное распределение силы света (фотометрическое тело), а также все производные фотометрические единицы, описанные выше, получаются путем измерения значения силы света при каждом определенном угле поворота источника света (осветительного прибора) относительно регистратора фототока (либо наоборот — фотометра относительно источника), находящихся на одной оптической оси. Таким образом, выстраивается диаграмма углового распределения силы света в одной плоскости (как правило, горизонтальной). Затем, при изменении положения второго (вертикального) угла положения источника (световой центр которого находится в геометрическом центре вращения) относительно фотометра измеряется диаграмма углового распределения силы света в другой плоскости, и так далее, до получения полного набора плоскостей всего фотометрического тела. По такой схеме работает гониофотометр так называемой системы фотометрирования C,γ [1] (рис. 5). Существуют и используются и другие системы, где поворот в горизонтальной плоскости излучения комбинируется с изменением меридиональной (угломестной) координаты источника относительно фотометра. Вот что говорит по этому поводу п. 11.2.1 ГОСТ Р 54350–2011: «Гониофотометр должен обеспечивать измерение силы света осветительных приборов по одной из принятых систем фотометрирования C,γ, B,β и A,a (МКО 121 [4], Приложение В). Рекомендуются к использованию гониофотометры, работающие по системе фотометрирования C,γ, и в первую очередь для фотометрирования осветительных приборов с круглосимметричным распределением силы света». Поэтому и далее будем рассматривать принципы измерения фотометрических единиц в рекомендуемой стандартом системе фотометрирования C,γ.

Рис. 5. Измерение пространственного распределения силы света по системе фотометрирования C,γ

Таким образом, точность метода будет зависеть от нескольких основных условий: шага угла поворота; корректно выбранного и точно измеренного расстояния фотометрирования; соответствия этих условий площади окна фотометра; правильного выбора диапазона значений освещенности фотометра, лежащих в линейной зоне рабочей характеристики; уровня соответствия спектральной чувствительности фотометра функции видности глаза V(λ) (либо корректности расчетов поправочных коэффициентов). Если говорить о шаге угла поворота гониометра, то здесь стандарт [1] гласит следующее (пункт 11.2.3.3): «Шаг меридиональных углов не должен превышать 5° независимо от системы фотометрирования. Для светильников с концентрированным типом кривой силы света и прожекторов шаг в области максимальных значений силы света должен выбираться таким образом, чтобы перепад силы света на одном шаге не превышал 10%».

Таким образом, ГОСТ заведомо допускает существенную ошибку измерений светового потока с помощью гониофотометрического метода, потому как измеренные с таким шагом диаграммы пространственного распределения силы света оказываются слишком грубо усредненными по соседним точкам и не могут служить качественным материалом для расчетов потока и формирования корректных файлов данных формата .ies для проектирования. Этот момент, как и некоторые описанные ранее, является недопустимой привязкой рекомендованного стандартом метода к конкретному оборудованию, которое еще используется некоторыми измерительными центрами. На фоне подобной конкретики появляются и такие предложения по предоставлению услуг по измерениям: «Измерение КСС во всех плоскостях» [3]. Теоретически плоскостей бесконечное множество. Вероятно, известная лаборатория каждый раз берется за выполнение большой научной задачи, декларируя всего лишь измерение фотометрического тела с сомнительной точностью, не определяющейся из многообещающего названия услуги. Стоит отметить, что современные отечественные гониофотометры, например составляющие основу установок типа «Флакс» [5], имеют разрешение угла поворота в обеих координатных плоскостях не более 0,02°, что при соответствующем расстоянии фотометрирования обеспечивает реальное физическое, а не заявленное в паспортах измерение силы света (силы излучения, при условии применения радиометрической головки). Поэтому точность расчета светового потока и получение других производных единиц имеет очень высокую степень. И здесь уж точно получение «КСС во всех плоскостях» и впрямь более реально осуществимо. Для пояснения и удобства последующего сравнения рассмотрим этот процесс измерения, подробно проиллюстрированный на рис. 6.

Рис. 6. Схематическое изображение процесса измерения углового распределения силы света: а) с минимальным дискретом угла поворота, оптимизации расстояния фотометрирования и площади фотометра; б) с некорректным выбором минимального дискрета угла поворота и расстояния фотометрирования

Относительно неподвижных фотометров на некотором расстоянии расположен источник света (осветительный прибор), закрепленный на гониометре и имеющий возможность поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях вокруг своей оси на некоторый известный угол с помощью поворотных устройств. Каждому повороту на этот известный угол приписывается соответствующее значение силы света, которую измеряет фотометр. Для корректного измерения по этой схеме необходимо одновременное выполнение трех условий:

1. Уровень освещенности площадки фотометра должен быть таким, чтобы его преобразователь находился на линейном участке характеристики.
2. Площадь фотометра должна быть «точечной» по отношению к площади излучения (геометрическим размерам) источника.
3. Расстояние от источника до фотометра должно обеспечивать соблюдение двух предыдущих условий.

Все эти условия связаны соотношением (2) и являются компонентами закона «обратных квадратов», когда значение элементарной энергии (освещенности), которую фиксирует фотометр с площадью S_ф→0, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния с L →∞ от источника. В этом случае освещенность площадки фотометра E [лк] вырождается в единицу, не зависящую от расстояния, — силу света I_v [кд].

где i — фототок фотометра; L — расстояние до фотометра; К — коэффициент преобразования фотометра, зависящий от спектра источника излучения и степени соответствия функции видности глаза V(λ) характеристики спектральной чувствительности фотометра.

Исходя из этих условий и простых физических выводов, нахождение необходимого расстояния от источника излучения до фотометра для корректного выполнения измерений не представляет определенных сложностей. Однако на этот счет существует и рекомендация в [1]: «11.2.2.3. Расстояние фотометрирования, определяемое расстоянием от фотометрического центра гониофотометра до центра приемной поверхности фотометрической головки (с учетом отражения от зеркал при их наличии), должно быть таким, при котором его отношение к максимальному размеру светящей поверхности светильника составляет, не менее:

десяти — для осветительных приборов с концентрированной кривой силы света;

семи — для осветительных приборов с глубокой кривой силы света;

пяти — для осветительных приборов со всеми остальными типами кривой силы света».

Имеются также и «Рекомендации МКО» для расстояния фотометрирования при измерении силы света светодиодов. Этот документ № 127-2007 CIE предписывает пользоваться двумя стандартными значениями: А — 100 и В — 316 мм при площади фотометра 100 мм². Стоит отметить, что на этих рекомендациях и построено большинство стандартных измерительных приборов и установок, используемых производителями светодиодов, на основе измерений которых они формируют свои спецификации и «даташиты», а также осуществляют сортировку по параметрам. Более подробно о проблемах фотометрирования светодиодов описано в [6].

Однако вернемся к рис. 6, где, помимо источника света, показаны несколько фотометров и фотометрическая трасса с различными расстояниями. Для удобства рассмотрения выбраны элементарные световые потоки dφ, формирующие пропорциональную освещенность на площадке фотометра. Они заключены в телесный угол, образованный плоским основанием, равным диаметру площадки фотометра, и при повороте (угловом перемещении) источника света перемещаются в соответствии с минимальным шагом угла поворота. На рис. 6а можно заметить, что при одном и том же угле отклонения источника от оси измерения (повороте) Фотометр 1 и Фотометр 2 оказываются в разных условиях фотометрирования (условиях освещенности потоками dφ0, dφ1, dφ2). Фотометр 2, находящийся на гораздо большем расстоянии L2, с каждым шагом поворота освещается разным световым потоком dφ, не пересекающимся с предыдущим и не имеющим с ним разрыва и являющимся его продолжением. В то же время отсутствуют участки диаграммы, не охваченные фотометром, а следовательно, с незафиксированной силой света, как на рисунке 6б, где шаг угла поворота α слишком велик и Фотометр 2 фиксирует только один из шести условных dφ. Это особенно нежелательно при условии, что значения dφ0, dφ1, dφ2, dφ3 и т. д. не равны (а это бывает в 100% случаев — как теоретически, так и на практике), т. е. значения силы света в этих точках различны. Однако Фотометр 1 при том же угле поворота практически несколько раз фиксирует одно и то же значение силы света, находясь одновременно в режиме, близком к пределу своего динамического диапазона из-за довольно большой разницы сигналов в максимуме и минимуме диаграммы. В этом случае он каждый раз интегрирует части соседних потоков, и поэтому возникает большая ошибка в измерении как самого значения силы света в большинстве точек углов поворота, так и, как следствие, различных угловых характеристик по разным уровням I_v и особенно светового потока. Таким образом, получается, что расстояние фотометрирования L2, при котором элементарные потоки dφ0, dφ1, dφ2 (рис. 6а) не пересекаются, является оптимальным для измерения пространственного распределения силы света данного источника излучения с минимальной ошибкой, в пределе определяемой только точностью фиксации угла поворота и погрешностью фотометра. Однако здесь имеется еще и Фотометр 3, площадь которого существенно (в девять раз) больше площади Фотометра 2. Находясь на большем, чем Фотометр 2, расстоянии, тем не менее он также одновременно засвечен всеми потоками dφ0, dφ1, dφ2, образующими на рис. 6а суммарный поток ∑dφ. Таким образом, измеренная им сила света окажется результатом интегрирования элементарных потоков и ее значение будет одно вместо девяти различных. На сноске к рисунку наглядно показана разница в пятне засветки различающихся по площади Фотометров 2 и 3, указывающая на существенное различие в разрешении измерения силы света. Отсюда совершенно понятно, что каким бы ни был малым минимальный угол поворота гониометра, он не сможет обеспечить физическое разрешение диаграммы по этому углу с фотометром такой площади. Таким образом, все перечисленные обстоятельства — это и есть подтверждение трех условий корректности измерений, описанных выше. Другими словами, для обеспечения высокой точности фотометрических измерений необходимо выбрать такое расстояние фотометрирования и такую площадь фотометра, чтобы, с одной стороны, каждый последующий шаг угла поворота обеспечивал новый элементарный поток, освещающий фотометр, а с другой — не позволял формировать разрывы между соседними dφ0, dφ1, dφ2, dφ3 (рис. 6), т. е. угол поворота должен быть в приближении равен телесному углу, образованному плоским с основанием, равным диаметру площадки фотометра. Только тогда мы получим корректно измеренное фотометрическое тело источника с заданным физическим разрешением и рассчитаем производные единицы (световой поток) с предельно высокой точностью. Однако, судя по декларируемым метрологическим характеристикам своих средств измерений и по соответствию им полученных результатов измерений, далеко не все профильные испытательные лаборатории обращают внимание на этот факт, чем вводят в заблуждение своих клиентов и, фактически, фальсифицируют результаты измерений. Стоит отметить, что именно описанные условия фотометрирования лежат в основе построения установок «Флакс» [5], где простой расчет геометрических размеров фотометрических трасс и соответствующих характеристик фотометров показывает, что заявленное физическое разрешение измерения силы света с шагом угла поворота 0,02° обеспечено: при длине трассы порядка 20 м площадь фотометра составляет менее 40 мм². Практика измерений силы света и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом, а также расчетов светового потока при отклонении от обсужденных условий даже в небольшой степени, свидетельствует о возможности получения ошибки до 20% (как правило, в большую сторону), что сравнимо с точностью измерений в сферическом интеграторе, а некорректные измерения узконаправленных источников света искажают расчеты потока в разы.

Следует отметить, что метод измерения характеристик источников с помощью гониометра универсален: при соблюдении условий фотометрирования им можно пользоваться для измерений параметров любых источников — протяженных и точечных, монохромных и широкополосных, с любой неравномерностью яркости выходного отверстия, с любой формой пространственного распределения силы света (КСС) и излучающих вплоть до 4πср. Также при использовании в качестве датчика радиометрической головки возможно измерение указанных выше характеристик (в энергетических единицах) источников, излучающих за пределами видимого диапазона. При перечисленных условиях и типах измеряемых источников все возможности минимизации погрешности будут доступны. Интегрирование гониофотометра со спектральными приборами позволяет с обозначенными точностями углов поворота измерять пространственное распределение параметров цветности, что удовлетворяет условиям «стандартного наблюдателя МКО» для дневного зрения и поэтому может использоваться корректно.

Недостатком этого метода является практическая невозможность (или большая сложность обеспечения) соблюдения рабочего положения большинства осветительных приборов при измерении. Поскольку источник необходимо вращать, а рабочее положение определяется, как правило, излучением в нижнюю полусферу (светильник находится на потолке, или уличный светильник), то некоторые моменты, связанные с изменением этого положения, следует учитывать, снижая тем самым описанную безупречную точность. Однако насколько это критично, рассмотрим ниже. Так, например, документ [1] снова «принуждает» нас к применению только одного метода — фотометрирования в ближнем поле, привязывая к определенному средству измерения: «11.2.2.1 …Рекомендуется использование гониофотометров с неподвижным положением осветительного прибора во время цикла измерений. Допускается применение гониофотометров с вращением осветительного прибора при условии сохранения его рабочего положения. При этом, если положение осветительного прибора влияет на результаты измерения, то вводят поправочный коэффициент, учитывающий это влияние».

Разработчик стандарта (ООО «ВНИСИ») так и пишет, отвечая всем на известный вопрос: «Утром деньги, вечером стулья. — А можно наоборот? — Можно, но деньги вперед».

История знает создание гониофотометров, работающих по рассматриваемой системе фотометрирования C,γ с сохранением рабочего положения светильника и вращением фотометра вокруг него на расстоянии нескольких метров, а не как в приведенных примерах. Такая конструкция, занимающая целое многоэтажное здание, была некогда реализована в Германии известной компанией LMT, однако впоследствии была разобрана за слишком дорогой ценой «стульев». Получается, что ГОСТ Р 54350–2011 своим пунктом 11.2.2.1. уподобился международным футбольным правилам, в которых установлено, что гол в свои ворота, забитый с углового удара (выполняющегося всегда с угла поля у противоположных ворот), не засчитывается. Железное правило. Однако можно оценить, какова вероятность попадания мяча в свои ворота с той точки поля. Такова же она и для выполнения условий п. 11.2.2.1. гониофотометрическим методом в «чистом» виде. И мы снова имеем дело с вкраплениями «лирики» среди «физики». И тем не менее, насколько критичен отход от горизонтального положения, например, уличного светильника на светодиодах, у которого, как описано в примере с фотометрическим шаром, рабочее положение не критично к действию и приложению гравитационных сил (как в некоторых лампах с фиксированным положением горелки), а определяется лишь направлением конвекции в радиаторе охлаждения? Ситуация довольно проста: на практике, находясь на высоте подвеса 9–12 м, условия «абсолютной» конвекции (когда нет движения окружающего воздуха) так же вероятны, как и тот гол с углового в примере с футболом. Поэтому все разговоры об определенном положении подвеса светильника на светодиодах, которое кардинально влияет на температурный режим и фотометрические характеристики, — из тех же футбольных правил. Установленный поодаль небольшой вентилятор, имитирующий легкий ночной ветерок на высоте 12 м со скоростью потока всего 0,5–1 м/с, решает все проблемы различного положения светильника во время измерения и позволяет в пункте 11.2.2.1. [1] получить «стулья утром, а деньги потом». Конечно, существуют и другие ситуации, когда светильник находится под потолком, в производственном цеху, где нет такого движения воздуха, есть, в конце концов, приборы на основе ламп (линейных ЛЛ, ДНат, ДРЛ). Однако, как показывает большая практика измерений таких устройств, разница в их фотометрических параметрах при положениях, отличающихся от рабочих, составляет всего лишь единицы процентов, что хорошо известно и действительно применяется в качестве поправочного коэффициента.

А в попугаях-то он гораздо длиннее!

Еще одним методом, который появился в отечественной нормативной документации совсем недавно (только с июля 2012 г.), является измерение пространственных характеристик распределения силы света и расчетов светового потока с помощью фотометра ближнего поля. Формально до июля 2012 г. применение такой методики и соответствующего устройства для измерения было на совести производящих эти исследования. Суть метода состоит в том, что фотометр, представляющий собой ПЗС-матрицу, вращается вокруг фотометрического центра светильника и измеряет поле яркости или пространственное распределение освещенности (рис. 7), а потом все эти единицы пересчитываются в значения силы света и далее совершаются расчеты, подобные тем, что проводятся при измерении обычным гониофотометром. Поскольку, как мы уже выяснили ранее, создание большой дистанции фотометрирования представляет сложность при неподвижном осветительном приборе, можно пользоваться измерениями лишь тех величин, которые не связаны с расстоянием. Это и есть яркость, которая определяется как сила света, излученная с единицы поверхности известной площади L, [кд/м²]. То есть все единицы, напрямую измеряемые обычным распределительным фотометром (гониофотометром) здесь могут быть получены только пересчетом, то есть косвенно, кроме самой яркости, конечно. Попробуем разобраться, насколько это верно с точки зрения физики процесса и технически осуществимо с точки зрения обеспечения точности измерений и универсальности применения.

Рис. 7. Гониометр ближнего поля Rigo-801, принцип измерения яркости ПСЗ-матрицей камеры и насадки камеры для измерения освещенности или яркости [7]

Ничего не поделаешь с тем, что светотехника в части измерений — непростая наука, в ней, совершенно непропорционально ее масштабам, имеется большое количество единиц, так или иначе связанных между собой. Отсюда и такое многообразие абсолютно разнящихся по физическим принципам методов измерений одного и того же. Хотя это свойственно любой науке и позволяет подтверждать результаты и проверять один метод другим, но, как ни крути, всегда есть более условный, более точный, более простой, более удобный, более универсальный. Так, например, придя в магазин, мы можем определить массу приобретаемого арбуза, к примеру, рассчитав его объем, учтя его плотность и ее неравномерность по объему, определив, на какой высоте над уровнем моря происходит измерение, измерив температуру и атмосферное давление, учтя влияние больших соседних предметов, положения Луны относительно нашей планеты и т. д. Получится ли очень точный результат, несмотря на современные средства обработки? «Точнее некуда, — отметят при проверке у кассы. — Не переплатим ни копейки!» А можно просто взять хорошие весы и взвесить, получив предельно близкий результат. Тоже неплохо. Так вот, метод измерения фотометрических характеристик с помощью распределительного фотометра ближнего поля выглядит именно как первый — в примере с определением массы арбуза: а ведь можно просто измерить силу света напрямую. И тем не менее этот метод также занимает свое место среди рекомендованных ГОСТ Р 54350-2011. Противоречивость метрологической задачи этого метода, как и в гониофотометрическом варианте, состоит в нахождении оптимального сочетания площади участка светящей поверхности, захватываемой камерой для измерения, и чувствительности камеры при условии, что для обеспечения наивысшей точности эта площадь должна стремиться к нулю. А если взять во внимание декларируемый в [3] шаг угла поворота прибора Rigo-801 в 0,1°, то площадь этого участка действительно очень мала: ведь расстояние до осветительного прибора всего немногим больше 1 м (рис. 7).

Однако если это так, то по исключительно геометрическим соображениям, чтобы обеспечить такое разрешение, площадка должна иметь диаметр всего 2,3 мм. Хватит ли чувствительности камеры для корректного измерения яркости этой площадки? Разумеется, хватит. Не может же немецкая компания Techno Team говорить неправду. Предположим, что это физическое измерение яркости с таким шагом угла поворота. Но что тогда делать с неравномерностью яркости поверхности осветительных приборов, в особенности на основе светодиодов? Совершенно понятно, что в случае светодиодной матрицы, например составленной из светодиодов мощностью 1 Вт, яркость которых может достигать даже и не одного миллиона кд/м², пусть также защищенных рассеивателем, в светильнике для офисных помещений размером 600×600 мм, соседние площадки размером 2,3 мм могут отличаться по значению яркости на несколько порядков. Что в таком случае сделает Rigo-801? Ведь значение измеренной яркости тут же будет пересчитано с учетом площади в силу света, и уж никак не годится, что у соседних точек пространственной диаграммы она будет настолько отличаться. Тогда ему ничего не останется, как усреднить соседние значения. И он это произведет с безукоризненной немецкой точностью, как это и происходит при всех измерениях. Отсюда можно сделать вывод, что либо такое, как указано в спецификации, разрешение по углу не получится реализовать, либо измерение фотометрических параметров протяженного источника необходимо выполнять с усреднением, причем чем протяженнее, тем грубее это усреднение. Однако в начале статьи мы договорились, что средство тем и хорошо, что позволяет производить физические измерения с минимумом математической обработки. В результате мы имеем диаграммы пространственного распределения силы света, полученные, в основном, обработкой, и не с физическим разрешением угла, а с виртуально полученным интерполяцией. Соответственно, трудно определяемой будет точность расчетов значений светового потока на основе таких интерполированных и усредненных данных. Однако и драматизировать здесь не стоит: уж что-что, а математический аппарат в приборы из Германии закладывается мощный.

Исходя из приведенных рассуждений, можно также оценить и динамический диапазон, и корректность измерения силы света на больших углах от оси осветительного прибора, когда вообще затруднительно понять, какую площадку светящей поверхности и в какой ее части захватывает камера, находясь практически параллельно плоскости выходного окна светильника, да еще с учетом неравномерности яркости, о которой говорилось выше. Посему погрешность измерений диаграмм в области широких углов излучения крайне велика. Соответственно, можно сделать вывод, что метод измерения силы света в ближнем поле гораздо эффективнее и корректнее применять как раз для точечных источников — различных ламп, светодиодов, у которых нет дифференциации яркости по излучающей поверхности, а пространственное распределение силы света всегда имеет очень широкий угол. Принцип измерений фотометрических параметров источников света на примере ламп накаливания показан на рис. 8 [7].

Рис. 8. Принцип измерения фотометрических характеристик источников света на примере лампы накаливания с помощью гониофотометра ближнего поля

Что касается измерений освещенности тем же способом, то здесь опять не все так просто с позиции классических методов. Например, сканирование освещенности по сферической поверхности с помощью диффузионных насадок (рис. 7) вряд ли применимо на практике: освещенность, производимая источником, как правило, интересна на плоской поверхности, под ним, поэтому такие данные напрямую использовать невозможно, но можно также и пересчитывать полученные значения освещенности в силу света, точно зная расстояние. Однако здесь возможна еще более худшая ситуация с погрешностью, если иметь в виду, что люксметр (измеритель освещенности, в режим которого переводится ПЗС-матрица с помощью диффузионной насадки) использует принцип измерения светового потока в достаточно большом телесном угле, что тем более не вяжется с такими малыми дискретами углов поворота. Подобная ситуация уже имела место при обсуждении рис. 6 и сравнения площадей различных фотометров. В то же время стоит отметить, что к безусловным достоинствам метода можно отнести непосредственное измерение габаритной яркости и ее неравномерности, а также возможность измерения осветительных приборов в рабочем положении, где нет возможности отойти от этого условия (в случае применения некоторых ламп, рабочее положение которых строго регламентировано).

А у нас килограмм железа гораздо весомее тонны пуха

На протяжении последних страниц, говоря о тонкостях различных методов измерений фотометрических характеристик светотехнических приборов, помимо выявления наиболее эффективных, мы еще и установили определенную закономерность: чем меньше реальных, физических основ заложено в той или иной методике, тем больше она фигурирует в отдельных документах как рекомендованная к применению. Вероятно, это и есть та самая особенность формирования национальных стандартов в нашей стране, которая часто движет локомотивом прогресса отнюдь не в нужном или истинном для науки направлении. Но так уж организовано общество, что даже абсолютно физические законы оказываются не лишенными конъюнктурной или «околовсяческой» подоплеки, а грань, их разделяющая, настолько стерта политическими и экономическими интересами, что может и не быть распознана сразу, в особенности обывателем, пользователем документа и соответствующей продукции. Чтобы обобщить и кратко систематизировать сказанное в статье о методах измерений, оставив ненаучные интересы некоторых стандартов по ту сторону стертых граней, стоит привести описанные средства измерения в непосредственной связи с их возможностями (таблица 1).

Можно заметить, что среди приведенных основных средств измерений фотометрических характеристик нет явных фаворитов и тех, которые бы не имели какого-либо явного достоинства, поэтому всем им нашлось место в рассмотренном ГОСТ Р 54350-2011. При корректной их комбинации может быть реализован многопрофильный и гибкий инструмент для решения многих фотометрических задач. Современные испытательные центры нашей страны в разной степени оснащены оборудованием и поэтому имеют различную степень компетентности в национальной системе стандартов ГОСТ Р, признание которой означает возможность проведения испытаний продукции с целью сертификации при наличии Аттестата аккредитации от Федерального Агентства по Техническому Регулированию и Метрологии (Федеральной службы по аккредитации — Росаккредитации). Состояние дел в этом вопросе иллюстрирует таблица 2, которая, в совокупности с приведенным в этой статье анализом методов и нормативных документов, ориентирует заинтересованных в фотометрических измерениях специалистов, производителей, поставщиков и потребителей светотехнической продукции как в возможности выбора метода измерений для решения их фотометрических задач, так и исполнителя — соответствующего испытательного центра.

Литература

1. ГОСТ Р 54350-2011. «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний». http://vsegost.com/Catalog/50/50894.shtml
2. ГОСТ 17616-82. «Лампы электрические. Методы измерения электрических и световых параметров». http://vsegost.com/Catalog/21/21667.shtml
3. http://www.vnisi.ru
4. http://www.vniiofi.ru
5. http://www.arhilight.ru
6. Никифоров С. Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? // Компоненты и технологии. 2005. № 7.
7. http://www.technoteam.de