Глава 1 история развития
Первые представления о количестве и направлении распространения света возникли на заре истории человечества. Такие понятия, как «светлее», «темнее», появились задолго до возникновения научного понятия о количестве света. Изменение направления светового луча при его отражении и преломлении начали изучать еще в древней Греции; об этом свидетельствуют трактаты по оптике Евклида (V-IV в. До н. э.) и Птоломея (II в. До н.э.).
Труды ученых первой половины XVII ст. Галилео Галилея (1564-1642), Иоганна Кеплера (1571-1630), Ренэ Декарта (1596-1650), Пьера Ферма (1601-1665) и др., а затем Исаака Ньютона и Христиана Гюйгенса, работавших во второй половине того же века, способствовали тому, что геометрическая оптика стала к тому времени уже строго научной дисциплиной.
Фотометрия как наука возникла гораздо позже геометрической оптики. В XVIII в. уровень развития фотометрии отставал от уровня развития геометрической оптики почти на 2000 лет.
Зародилась фотометрия в недрах астрономии. Еще во II в. до н. э. Гиппарх, составляя каталог звезд, разделили их по видимому блеску (яркости) – по «звездной величине». Изучение ближайших к Земле небесных тел, в первую очередь Луны, потребовало понимания законов их освещения и отражения ими света, то есть установления основных фотометрических закономерностей.
С семнадцатого по девятнадцатое столетия многие известные ученые занимались развитием практической фотометрии. Среди них были математики, астрофизики, физики, теологи и философы. Основанием для этого служило то, что оптические параметры уже использовались в оптике, спектроскопии, астрофизике, генерации света, цветовых измерениях цвета и физиологии, а светоизмерительная техника еще отсутствовала. Теоретической базой при этом служил трактат Ламберта по фотометрии (1760).
Трудности в развитии практической фотометрии в то время заключались в следующем: отсутствовали оптические датчики, и для измерения светотехнических и цветовых параметров использовались лишь глаза. Кроме того не было эталонных источников света (ИС), включая мощные. В противоположность тому, интенсивно развивалось производство приборов оптики и точной механики.
Физики, прежде всего Отто Люммер, смогли развить и распространить основы теории света на ИС и источники излучения. Были созданы основы осветительной техники, касавшиеся и соответствующей метрики. В конце девятнадцатого – начале двадцатого столетий было приложено много усилий по развитию фундаментальной фотометрии.
В отсутствие физических приемников для измерения световых и лучистых параметров использовалась контрастная чувствительность человеческого глаза. Соответствующий вид фотометрии называется визуальной фотометрией. Осуществлялись попытки повысить воспроизводимость данных, получаемых с помощью визуальных фотометров. Так возник целый ряд визуальных фотометров, колориметров и спектрометров, на сегодня забытых.
В начале XXI века благодаря обстоятельному труду Сеана Ф. Джонстона фотометрия испытала новый подъем. Индустриализация и военные нужды превратили ее в важное научное направление. В современной фотометрии (объективная фотометрия или физическая фотометрия), благодаря визуальной фотометрии, используется функция спектральной световой эффективности. При этом, в целом, практическая метрология многих светотехнических параметров уступает возможностям визуальной фотометрии. Поэтому богатый опыт и знания визуальной фотометрии полезно использовать.
Отцы фотометрии – астроном Пьер Бугер (рисунок 1) и астроном, математик и философ Иоганн Генрих Ламберт (рисунок 2). Многие используемые и сегодня формулы для расчета значений световых и лучистых величин следуют из работ Ламберта. В своем труде «Фотометрия» Ламберт отмечает отсутствие научных основ фотометрии и построения фотометрических приборов: «Представляется, что большая часть человеческих знаний не используется нами. Замечательный пример – теория света. В исследованиях сути и реальности столь много важных непреодолимых трудностей, что наши знания – в темной оболочке, так что над светом господствует тьма».
Рисунок 1. Пьер Бугер (1698–1758)
Рисунок 2. Иоганн Генрих Ламберт (1728-1778)
Ламберт особенно сожалел об отсутствии подходящих для фотометрии датчиков света. Он знал, что человек исходно должен мерить визуально: «Потому что, если найти различные фотометрические инструменты, сначала нужно с их помощью менять светлоту и цвет по отношению к глазу. Следовательно, фотометрия сталкивается с трудностями, как при открытии термометра с его точными измерениями температуры… Я точно знаю, что много раз проводились эксперименты, чтобы показать, что движение света можно наблюдать относительно зонда или стальной пластины в фокусе выпуклой линзы, или зеркала, и что солнечный свет находится в движении. Что представляет собой солнечный свет можно представить увеличением или уменьшением тепла пропорционально плотности луча, и это позволяет заменить фотометр термометром».
Рисунок 3.Фотометры Ламберта (а) и Бугера (б), фотометражирного пятна Бунзена (в)
В качестве средства для световых измерений Ламберт предлагает теневой фотометр, в котором уравниваются «плотности света» двух теневых картин (рисунок 3, (а)). Бугер предложил еще один вариант – с соседними фотометрическими полями (рисунок 3, (б)). Позже Бунзен усовершенствовал известный фотометр жирного пятна (рисунок 3, (в)). После большого числа экспериментов Ламберт указал свойства и сложности визуальной фотометрии. При этом он отметил проблему, которая возникает при фотометрировании ИС разных цветов. Бенджамин Томпсон (рисунок 4) и Каунт Румфорт (1753–1814) в 1794 г. построили первые фотометры для промышленных измерений, которые позволяли определять светотехнические параметры тогдашних «ламп» и горящего масла.
В начале XIX века многие известные ученые занимались вопросами света, что требовалось для астрофизики, спектроскопии, физиологической оптики, цветовых измерений (колориметрии), оптического измерения температуры (пирометрии) и развития ламп и световых приборов.
Рисунок 4. Бенджамин Томпсон (1753–1814)
Рисунок 5. Отто Люммер (1860–1925)
Отто Люммер (рисунок 5) до Макса Планка описал законы изучения черного тела и создал основу для будущих светотехнических норм. Вместе с Ойгеном Бродуном (1860–1938) он определил развитие фотометрии более чем на 40 лет вперед. Это явилось основой для создания серии промышленных фотометров – техничных и точных. Математик, химик и физик Аугуст Беер (1825–1863) создал основы описания поглощения света и ввел стандарты в теории света («Введение в высокую оптику»). Так как приемником в визуальной фотометрии служит глаз, для нее требовалось создать физиологические основы зрения. Этим занимались Гельмгольц, Кис, Шредингер, Херинг, Вебер, Фехнер, Кёниг, Кольрауш, Дрессир, Бехштайн, Нагель и др. Особые заслуги в этом имеют Артур Кёниг (рисунок 6) и Конрад Дитериц, открывшие наличие функции спектральной чувствительности человеческого глаза. Эта кривая явилась отправным пунктом в численном описании световых и цветовых величин. Кёниг был учеником Гельмгольца, которому и посвятил свои основополагающие работы по метрике цвета.
Рисунок 6. Артур Кёниг (1856–1901)
С устройством для смешения цветов, которое применял еще Гельмгольц, он исследовал чувствительность датчиков: «Восприятие в виде функции освещения большого числа элементов необходимо редуцировать из бесконечного числа восприятий цвета в возможно малое число элементарных ощущений». Удивительно, что Гельмгольц без соответствующих измерений смог в то время гипотетически описать кривую спектральной чувствительности глаза.
С 1920 г. арсенал средств физической (объективной) фотометрии укрепляется «физическими изобретениями». В качестве классических датчиков сначала были предложены фотокамеры – с их малыми временными выдержками и хорошей линейностью. Полупроводниковые датчики в виде селеновых фотоэлементов и фотосопротивлений были внедрены позже, так как технология их изготовления еще не обеспечивала постоянства параметров. С устранением технологических трудностей полупроводниковые датчики стали производиться, что исполнило мечту Ламберта о фотометре, способном измерять температуру подобно термометру. Соответствующие аналоговые или цифровые измерительные приборы по удобству измерений и воспроизводимости оказались существенно лучше визуальных, однако точности измерений существенно не улучшили. Ведь следовало учитывать, что функция физического датчика связана с визуальной фотометрией.
Первым русским фотомеристом был М. В. Ломоносов (1711-1765). В «Росписи сочинениям и трудам советника Ломоносова» в числе прочих изобретений из области физических наук значится «светомерная трубка для исследования расстояния и величина неподвижных звезд».
Большой вклад в развитие фотометрии XX в. внесли наши советсвие ученые С. И. Вавилов, С. О. Майзель, А. А. Гуршун, М. М. Гуревич, Н. Г. Болдырев, Г. В. Розенберг, К. С. Шифрин, Р. А. Сапожников, П. М. Тиходеев, Г. А. Тихов, В. В. Мешков и др.