Контроль уровни оптического и ультрафиолетового излучения

Цель работы

Ознакомить студентов со спецификой оптических фотометрических измерений в видимой области спектра и в области ультрафиолетового излучения на примере измерения излучения экрана компьютера с цветным монитором.

Оценить степень экологической безопасности длительного - в течении 8-ми часового рабочего дня - времени пользования компьютером, а также измерить эффективность снижение уровня ультрафиолетового излучения защитным экраном.

Содержание работы.

Ознакомиться с процедурой измерения яркости экрана компьютера при чистых красном, зеленом и синем цветах экрана. Поскольку экологически вредное воздействие оказывает в основном ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,35 мкм, в измерениях особое внимание нужно уделять не только оптическим измерениям светимости и освещенности, а энергетическим фотометрическим величинам – энергетической светимости и освещенности в диапазоне длин волн 0,35 - 0,2 мкм.

Дня этой цели создаются специальные люксметры – УФ радиометры, позволяющие измерять традиционные освещенности и яркости в люксах, а также измерять иштральный уровень ультрафиолетового излучения в ваттах на квадратный метр поверхности.

Важное экологическое значение с точки зрения степени утомляемости человеческого глаза имеет равномерность яркости экрана и "мерцание" экрана, т.е. колебания яркости изображения.

Данная работа предполагает проведение измерений оптической светимости экрана и освещенности глаз оператора, а также аналогичных энергетических величин в ультрафиолетовой области спектра. В измерениях используется люксметр • УФ радиометр типа ТКА-01 , позволяющий раздельно измерять освещенность в точке расположения фотоприемника и энергетическую ультрафиолетовую освещенность в той же точке. Отдельный режим работы прибора ТКА-01 предусматривает измерение отношения оптической освещенности к энергетической ультрафиолетовой освещенности.

В процессе работы необходимо также измерить светимость экрана и уровень "мерцании" за определенный промежуток времени.

Все измерения следует проводить и оформить в соответствии с требованиями метрологических а санитарных служб.

Теоретическое обоснование

В оптической фотометрии наиболее часто измеряемая величина - освещенность - определяется как:

где Φ – световой поток, падающий на поверхность, и  S - площадь поверхности. Основная величина в оптических измерениях - сила света в канделах – определяется как

где  I - сила света в канделах,  dω - телесный угол в стерадианах. Для равномерного испускания точечного источника света по всем направлениям угол равен  стерадиан и равенство 2 имеет вид:

Единицей светового потока является люмен (лм) т.е. поток внутри телесного угла в один стерадиан при силе света в одну канделу. Освещенность по формуле 1 при измерении площади в квадратных метрах выражается в люменах на квадратный метр. Эта единица называется люкс, т.е.

Ту же размерность имеет еще одна светотехническая величина - светимость, определяемая как.

(5)

где в отличие от формулы 1 под  разумеется световой поток, испускаемый самосветящейся поверхностью. Светимость выражается в люменах с квадратного метра (но не в люксах!), подчеркивая тем самым разницу в характеристиках самосветящихся и несамосветящихся объектов.

Для источника света с большой излучающей поверхностью, одним из которых является светящийся экран компьютера, важно не только определить общую излучаемую энергию светового, потока, но и энергию излучения единицы площади излучающей поверхности. Дня этого нужно знать силу света, рассчитанную на единицу видимой поверхности источника. Эта специфическая световая величина называется яркостью источника. Яркость светящейся поверхности определяется как:

Используя определение силы света (формула 3), имеем:

Здесь угол  есть угол между нормалью к излучающей поверхности и направлением наблюдения.

Для несамосветящихся объектов яркость определяется как освещенность, отнесенная к величине телесного угла, под которым наблюдается отраженное поверхностью излучение:

Поскольку человеческий глаз ультрафиолетовое излучение не воспринимает, категории освещенности и яркости для этой области спектра неприменимы. В этом случае используют энергетические фотометрические величины и единицы, которые формально выражаются теми же формулами, что и светотехнические, но вводятся как чисто энергетические. Энергетический световой поток выражается в ваттах, энергетические освещенность и яркость выражаются в ваттах та квадратный метр, т.е.:

Важной характеристикой оптического излучения является видность, т.е. отношение светового потоки к полной истинной мощности лучистой энергии

Для среднестатистического человеческого глаза видность имеет максимум на длине волны 0,55 мкм, спадая в красную и ультрафиолетовую области спектра. Максимальная видность при длине волны 0,55 мкм составляет 683 люмена на ватт. Эта величина называется механическим эквивалентом света , т.е. при

 

Измерительный прибор

В данной работе измерительным прибором служит люксметр - УФ радиометр ТКА-01, имеющий фотометрическую головку с двумя фотоприемниками. Чувствительность одного фотоприемника скорректирована со спектральной чувствительностью человеческого глаза и позволяет проводить измерения освещенности в точке расположения фотоприемника в люксах. Другой фотоприемник имеет постоянную чувствительность в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетовой границы видности человеческого глаза 0,4 мкм до 0,25 мкм.

Если не учитывать тепловое инфракрасное излучение, то отношение фототоков двух фотоприемников прибора ТКА-01 позволяет измерить величину, пропорциональную видности в люксах на Вт/м2. Прибор имеет три клавиши, при нажатии которых измеряется либо освещенность в люксах, либо энергетическая ультрафиолетовая освещенность в Ваттах на м2, либо отношение этих двух величин, характеризующее ультрафиолетовую видность.

Для самосветящихся объектов, к которым относится экран монитора компьютера, прибором можно измерить светимость экрана, если совместить блок фотоприемников со светящейся поверхностью экрана.

Для несамосветящихся объектов прибор измеряет освещенность в той точке, где находится фотоприемник.

Яркость излучающего объекта может быть вычислена из геометрических построений. Например, для точечного источника света или для идеально светорассеивающей поверхности яркость равна измеренной освещенности, поделенной на телесный угол в  стерадиан.