Вимірювання освітленості фотоапаратом
Вимірювання освітленості люксметром
Вимірювання освітленості в приміщенні виконують у відповідність з ГОСТ Р 54944-2012 . У цьому стандарті перераховані рекомендовані прилади для вимірювання - люксметри, і вказані контрольні точки, в яких проводяться вимірювання. Люксметр містить фотометричну головку і блок обробки. Процес вимірювання горизонтальної освітленості на поверхні столу показаний на Рис. 1. фотометричні головку переміщують по поверхні столу в відповідність з вибраними контрольними точками і фіксують показання. Цікавлять: мінімальне значення освітленості і середнє значення (сума показань люксметра, поділена на кількість вимірювань).
Мал. 1 Вимірювання освітленості люксметром
Рекомендовані норми освітленості житлових приміщень містяться в Таблиці 1 СанПіН 2.2.1 / 2.1.1.1278-03 . У житлових приміщеннях нормують горизонтальну освітленість на рівні підлоги (Г-0,0). В адміністративних будівлях в основному освітленість нормують на робочій поверхні столу, на висоті 0,8 метра від підлоги (Таблиця 2).
При використанні ламп розжарювання і галогенних ламп слід враховувати рекомендації п. 3.1.7 СанПіН 2.2.1 / 2.1.1.1278-03 . Ці лампи відносять до джерел світла з покращеною передачею кольору і при їх використанні норми освітленості можуть бути зменшені на один щабель.
Вимірювання освітленості фотоапаратом
Конструкція цифрового фотоапарата близька до конструкції яркомера, призначеного для вимірювання яскравості освітлених поверхонь. Таких як фасади будинків і дорожні покриття. Побічно таким яскравомірами можна виміряти освітленість. При цьому похибка вимірювання буде залежати від точності визначення коефіцієнта відбиття поверхні. Якщо використовувати білий аркуш білого ватману, наприклад формату А4, або якісний папір для принтерів, то коефіцієнт відображення з невеликою похибкою можна прийняти 0,8 ... 0,85. Не варто використовувати фотопаперу, особливо глянцеві.
Використовують фотоапарат в якості яркомера з подальшим розрахунком освітленості в наступній послідовності:
- на площину, на якій необхідно виміряти освітленість кладуть аркуш білого паперу. У центрі листа необхідно намалювати невеликий кухлів або хрестик, або покласти невеликий предмет, що б фотоапарат міг наводитися на різкість. На Рис. 2 на аркуші паперу лежить фотометрична головка люксметра - по ній фотоапарат і наведеться на різкість. Аркуш білого паперу покладено на те місце, де на Рис. 1 лежала фотометрична головка;
- сфотографувати аркуш білого паперу в автоматичному режимі за вимкненого спалаху. Фотографувати необхідно так, що б на папір не потрапляла тінь, створювана фотографують і аркуш білого паперу повинен зайняти весь кадр;
Мал. 2 Підготовка до вимірювань
Мал. 3 Сфотографований аркуш паперу
Для обчислення освітленості необхідно подивитися параметри експозиції при зйомці: витримку t, діафрагму F і чутливість ISO. Для цього необхідно завантажити фотографію в комп'ютер і подивитися її властивості (натиснувши на ярлик фотографії правою кнопкою миші), або, що значно простіше, після наведення фотоапарата на різкість подивитися на його дисплеї значення експозиції. Величину виміряної освітленості обчислюють по наближеною формулі:
Е = 125 • F2 • t / ISO, лк
У цій формулі під витримкою t мається на увазі не на часі експозиції, а знаменник витримки. Тобто якщо витримка становила 1/100 секунди, то в формулу підставляємо t = 100. Коефіцієнт 125 підходить для більшості сучасних цифрових фотоапаратів, але для деяких моделей фотоапаратів може бути іншим. Далі буде показано, як можна виконати калібрування фотоапарата і відповідно скоригувати цей коефіцієнт.
У таблиці на Рис. 4 розраховані величини освітленості для деяких величин діафрагми і чутливості матриці фотоапарата ISO.
Мал. 4 Таблиця для вимірювання освітленості
Похибка вимірювання визначається: кроком перемикання витягів фотоапарата (діапазон зміни реальної освітленості приблизно на 20% при таких вимірах відображається як одне значення), відхиленням коефіцієнта відбиття паперу від передбачуваного, відсутністю коригувальних світлофільтрів, які завжди присутні в люксметром. Коригувальні світлофільтри необхідні для приведення спектра світла до характеристики його сприйняття оком людини.
Порівняння вимірів освітленості, виконаних люксметром ARGUS-01 і фотоапаратом Canon digital IXUS 75, показало розбіжність результатів вимірювань в межах ± 15-20%. Вимірювання були проведені при штучному освітленні в діапазоні 50 - 500 лк і природному освітленні в межах 200 - 50000 лк.
Калібрування фотоапарата як люксметра
В інтернеті можна зустріти велику кількість різних рекомендацій по вимірюванню освітленості фотоапаратом. При цьому інтерпретації результатів вимірювання різних авторів істотно відрізняються. Тому необхідно мати простий і доступний спосіб калібрування фотоапарата. Для цього знадобиться джерело світла з добре повторюваними характеристиками. Мабуть, найдоступнішим джерелом світла з заздалегідь відомими характеристиками є звичайна лампа розжарювання. Світловий потік ламп і номінальну напругу вказують на їх упаковці. Ні в якому разі для калібрування можна використовувати світильник. У світильнику за рахунок плафона сила світла може зрости в два і більше разів. Лампу слід ввернути в звичайний патрон.
Крива сили світла (КСС) ламп розжарювання має максимум в напрямку, протилежному цоколю. Для лампи зі світловим потоком Ф = 1000 люмен (лм) сила світла I в цьому напрямку дорівнює 100 кд (кд). Для ламп з іншими значеннями світлового потоку Ф сила світла I в напрямку, протилежному цоколю розраховується за формулою:
I = 100 • Ф / 1000 = Ф / 10
Освітленість Е на робочій площині визначається співвідношенням:
Е = I • cosα / r2,
тут r - відстань в метрах від спіралі лампи до робочої площини, на якій необхідно створити калібрований рівень освітленості; α -кут між напрямком сили світла і нормаллю до робочої площини. Для нашого випадку кут α близький до нуля, і відповідно можна прийняти cosα = 1.
Тоді освітленість робочої площини обчислимо за формулою:
Е = Ф / (10 • r2), лк
Наприклад, для лампи розжарювання потужністю 95 Вт, що має світловий потік 1250 лм при відстані від спіралі лампи до робочої площини 0,65 м освітленість Е = 1250/10 • 0,652 = 1250 / 4,225 = 296 лк.
Схема освітлювальної установки для виконання вимірювань показана Рис. 5. Лампа підвішена в центрі кімнати до стелі (найпростіше підвіс закріпити до люстри, якщо вона є в кімнаті).
Мал. 5 Калібрування фотоапарата
Що б не допустити виникнення великих похибок необхідно виконати наступні умови:
- лампа розжарювання повинна бути новою. Після 500 - 700 годин роботи її світловий потік може впасти на 15 і навіть 20%.
- відстань r від спіралі лампи до робочої площини має бути як мінімум в 5 разів менше, ніж відстань від лампи до стін і стелі. Інакше світло, відбите від стелі і стін, потрапляючи на робочу площину, збільшить її освітленість. Якщо відстань r перевищує відстань до стін і стелі тільки в 2 - 3 рази, то похибка може становити десятки відсотків. Дану погрішність можна значно знизити, використовуючи захисний екран з матеріалу з низьким коефіцієнтом відображення. Чорна папір має коефіцієнт відбиття ρ близько 0,05. Чорний оксамит має ρ, близький до 0,01. У наступному розділі буде розказано, як виміряти коефіцієнт відображення. Крім того захисний екран захистить фотоапарат від прямого випромінювання лампи.
- якщо напруга в мережі істотно відрізняється від номінальної напруги лампи, то необхідно ввести поправку. Величину номінального напруги ламп розжарювання наносять на її колбу поруч з маркуванням номінальної потужності (ці позначення так само присутні на упаковці лампи). При перевищенні напруги в мережі на 5% над номінальною напругою лампи, її світловий потік збільшується вже на 17,5%, (зміна напруги на 1% змінює світловий потік на 3,5%). Відповідно світловий потік зменшується, якщо номінальна напруга мережі нижче номінальної напруги лампи. Тобто якщо номінальна напруга лампи 220 В, а виміряна напруга в мережі становить 230 В (перевищення напруги на 4,5%), то для лампи розжарювання потужністю 95 Вт, і номінальним світловим потоком 1250 лм фактичний світловий потік збільшиться на 4,5 • 3,5 = 15.75% і приблизно дорівнює 1250 • 1,16 = 1450 лм. При відстані від спіралі лампи до робочої площини 0,65 м (як в попередньому прикладі) освітленість в цьому випадку буде дорівнює Е = 1450/10 • 0,652 = 1250 / 4,225 = 343 лк.
Введення поправок описано в п. 7.1.7 ГОСТ Р 54944-2012 . Доцільно використовувати лампу з номінальною напругою, близьким до напруги в мережі (як правило, лампи розжарювання випускають на 220, 230 і 235 В).
Вимірювання коефіцієнта відбиття поверхні
За допомогою фотоапарата так само можна виміряти коефіцієнт відображення, наприклад, шпалер. Коефіцієнт відображення входить в розрахункові формули при розрахунку освітленості і являє собою відношення відбитого від досліджуваної поверхні світлового потоку Фотріє до падаючого на поверхню потоку ФПАД. Відсутність інформації про коефіцієнт відбиття поверхонь часто призводить до великих помилок в світлотехнічних розрахунках. Для цього можна сфотографувати (обов'язково без використання спалаху) фрагмент досліджуваних шпалер і аркуш білого паперу. Папір і шпалери під час фотозйомки повинні перебувати на одному і тому ж місці. Умови освітлення фотографованих поверхонь повинні бути однаковими. Для підвищення точності можна виконати кілька вимірів і результати усереднити. Діафрагма і чутливість ISO в обох випадках повинні бути незмінними. Обчислити коефіцієнт відображення досліджуваної поверхні ρіссл. можна за формулою:
ρіссл. = 0,82 • t1 / t2
Тут число 0,82 - коефіцієнт відображення еталонної поверхні (листа ватману),
t1- знаменник витримки при фотографуванні досліджуваного зразка, t2- знаменник витримки при фотографуванні аркуша білого паперу.
Якщо фотоапарат дозволяє визначати витримку після його наведення на досліджувану площину по екрану дисплея фотоапарата, то саму фотозйомку проводити не обов'язково.
На Рис. 6 показана фотографія шпалер на стіні, виконана при штучному освітленні. Далі на місце сфотографованих шпалер був поміщений аркуш ватману і так само сфотографований. Положення фотоапарата в обох випадках зафіксовано в одному місці.
Мал. 6 Фрагмент шпалер
При вимірюванні коефіцієнта відбиття показаних на Рис. 6 шпалер діафрагма фотоапарата мала значення 2,8. Чутливість матриці фотоапарата ISO = 80. При фотографуванні шпалер витримка становила величину t1 = 1/10 секунди. При заміщенні шпалер білим папером витримка дорівнює t2 = 1/13 секунд.
Коефіцієнт відображення білого паперу ρбумага можна прийняти рівним 0,82. Тоді шуканий коефіцієнт відображення шпалер ρобоі визначимо як: ρобоі = 0,82 • 10/13 = 0,63. Після усереднення серії вимірювань при природному і штучному освітленні коефіцієнт відображення даного зразка шпалер знижений до 0,55.
На Рис. 7 показана таблиця з розрахованими коефіцієнтами відображення. Тут значення витягів при калібрування (на жовтому тлі) відповідають витримці t2 при наведенні фотоапарата на аркуш білого паперу, а в режимі вимірювання t1- наведення фотоапарата на досліджуваний зразок.
Мал. 7 Таблиця для вимірювання коефіцієнтів відбиття
При вимірюванні коефіцієнта відбиття тканин слід враховувати світлопропускну здатність тканини. Для мінімізації впливу відбиття світла від поверхні, на якій лежить тканина, бажано в якості цієї поверхні використовувати лист чорного паперу.
Похибка вимірювання досить велика і в першу чергу визначається кроком перемикання витримки фотоапарата. А так же відмінністю відбивних властивостей досліджуваних зразків і ватману.
При вимірі відбиваючих властивостей поверхні в світлотехнічних лабораторіях використовують спеціальні фотометричні кулі, що дозволяють виконати вимірювання з високою точністю. Для вимірювань в домашніх умовах описані в статті методи цілком прийнятні.
Зразкові коефіцієнти відбиття поверхонь різних кольорів показані на Рис.8. Вимірювання виконані при сонячному світлі.
Рис.8 Коефіцієнти відображення різних поверхонь
№1 - 0,05; №2 - 0,08; №3 - 0,1; №4 - 0,13; №5 - 0,21; №6 - 0,35; №7 -0,55; №8 - 0,55; №9 - 0,55.
Сині та зелені кольори в залежності від їх насиченості (світлі тони, темні тони) можуть мати коефіцієнт відбиття від 0,15 до 0,6. Червоні кольори мають коефіцієнт відображення від 0,1 до 0,3.
Слід звернути увагу, що фотографії одних і тих же поверхонь, знятих при природному і штучному освітленні можуть мати різний вигляд. Наприклад, поверхня №8 на Рис. 8, це ті ж шпалери, що і на Рис. 6. Але, показані на Рис. 6 шпалери зняті при штучному освітленні, а на Рис. 8 - при природному.
До ЗМІСТУ (Всі статті сайту) 27.07.2015 р
