Основные фотометрические понятия и единицы.

Воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат состоит прежде всего в передаче этому аппарату энергии, переносились электромагнитной волной. Для характеристики излучения применяются различные фотометрические единицы.

1) Поток лучистой энергии (излучения).

В поле излучения точечного источника возьмем произвольно малую площадку (рис.1). Количество лучистой энергии dФ протекающей через площадку за единицу времени, т.е. мощность сквозь поверхность ,называется потоком лучистой энергии через поверхность d. Поток лучистой энергии измеряется в Вт.

2) Сила излучения источника I.

Поток излучения dФ, протекающий через площадку в направлении распространяется в пределах телесного (пространственного) угла . Силой излучения источника в заданном направлении называют лучистый поток, посылаемый им в этом направлении единицы телесного угла. . Значит поток излучения через поверхность определяется выражением . Полный поток излучения источника Ф получается суммированием (интегрированием) элементарных потоков dФ по всем направлениям в пределах . (телесный угол есть часть пространства, ограниченная конической поверхностью) . Величина наз-ся сферической силой излучения источника.

3) Интенсивность излучения.

Все реальные тела излучают и поглощают электромагнитную энергию различных длин волн. Потому для описания количества энергии излучения переносимого в данном направлении в единицу времени, а часто используется фундаментальная величина, называемая спектральной (монохроматической) интенсивностью излучения . Спектральная интенсивность излучения равна кол-ву энергии излучения, проходящего через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения , внутри единичного телесного угла осью которого является , в единичном интервале длин волн и единицу времени.

Интегрируя во всем диапазоне длин волн мы получим интенсивность излучения (или интегральную интенсивность излучения) : Другими словами, интенсивность излучения – это отражение, лучистого потока dФ, проходящего через площадку , перпендикулярную направлению распространения , в пределах телесного угла (рис.1) к значениям и : . Величину полного лучистого потока характеризует излучающий источник, и ее нельзя увеличить никакими оптическими системами. Действие этих систем может лишь сводится к перераспределению лучистого потока. Если точечный источник находится в прозрачной однородной среде, то на любых расстояниях от него остается постоянным не только полный поток Ф, но и сила излучения источника I, как видно из ри1. С изменением расстояния до источника телесный угол не меняется. Однако с увеличением расстояния r поверхность через которую проходит пучок лучей увеличивается пропорционально r²: . Это дает: , т.е интенсивность излучения точечного источника обратно пропорциональна квадрату расстояния источника.

4) Освещенность Е.

Световой поток, приходящийся на ед. площади освещаемой поверхности, наз-ся освещенностью этой поверхности: например, освещенность поверхности на рис 1. равняется: .

Здесь -угол между нормалью n к поверхности и направлением распространения луча : -проекция поверхности на плоскость, перпендикулярную . Освещенность поверхности, как видим пропорциональная интенсивности излучения I, поэтому обратно пропорциональная квадрату расстояния от точечного источника. .

Все приведенные характеристики излучения измеряются в механических единицах, например, в теории теплового излучения. На рис.2 представлено распределение спекторной интенсивности (абсолютно черного тела при температуре в условных единицах). Из всего многообразия электромагнитных колебаний глаз человека выделяет лишь определенный узкий участок длины волны заключенный примерно между 0,4 мкм и 0,8 мкм. На рисунке 2 этой части спектра заштрихована. Термин свет обычно называют именно этот узкий интервал электромагнитного излучения. Даже в этом интервале чувствительность глаза к свету различной длины волны не одинаково и изменяется от 0 краев интервала до максимума при мкм. В видимой области спектра представляет интерес характеризовать излучения по зрительному или световому ощущению. Соответствующие характеристики их единицы называются световыми или фотометрическими, в отличие энергетических величин и единиц, о которых говорилось выше. Сами названия величин, характеризуемые излучения при световых измерениях несколько изменяются. Вместо лучистой энергии говорят о световой энергии, вместо потока излучения- о световом потоке, вместо интенсивности излучения – об интенсивности света и вместо силы излучения источника – о силе света источника. Единицей силы света источника в системе Си служит Кандела. Это основная фотометрическая единица. Она осуществляется с помощью светового эталона в виде абсолютно черного тела при температуре затвердевания чистой пластины (2046,6 К и давлении 10325 па). Кандела есть сила света – излучаемого в направлении нормали с 1/60см² излучающей поверхности указанного светового эталона.

Единица светового потока есть (лм) – световой поток – посылаемый источником в 1 канделу внутрь телесного угла в 1 стерадиан. Единица освещенности есть люкс (лк) – освещенность, создаваемая, световым потоком в 1 люмен, равномерно распределенном на площади в 1 м². 1лк=1лм/1м².

Сопоставление световых и энергетических единиц приведено в таблице.

Величины	Обозначения	Единица световая	Символ	Единица энергетическая
Световой поток	Ф	Люмен	Лм	Ватт
Сила света	J	Кандела	Кд	Ватт/стеридиан
Интенсивность света	I	Кандела/м^2	Кд/м^2	Ватт/стеридиан/м^2
Освещенность	E	Люкс	Лк	Ватт/м^2

На рис.2 приведены распределения спектральной интенсивности излучения вольфрама. Как видим лишь небольшая часть теплового излучения приходится на видимую область спектра. Основными экономическими характеристиками ламп является световая отдача, и удельный расход мощности.

Световой отдачей называется отношение между энергией, полезной для освещения, и ее невидимой частью, т.е. отношение излучаемого источником светового потока Ф к потребляемой мощности W: (3)

Удельным расходом мощности называется мощность, необходимая для получения средней сферической силы света в одну канделу, т.е. (4). В современной осветительной технике больше всего применяются вольфрамовые газонаполненные лампы накаливания. КПД ламп средней мощности достигают 2%. В отличие от теплового излучения твердых тел, излучение газов происходит в узких интервалах длин волн. Поэтому газосветные лампы получаются намного экономичнее. Световая отдача у них достигает до 50 лм/Вт. Однако излучения таких ламп значительно отличается от естественного света.

 

Дисперсия света.

В одной и той же среде скорость распространения световой волны зависит от длины волны. Зависимость скорости света от длины волны называется дисперсией света. Т.к. -абсолютный показатель преломления .

Количественно дисперсия характеризуется величиной -дисперсия

 

Типичный график зависимости показывает преломление от длины волны. Для большинства прозрачных сред в оптической области показатель преломления зависит от длины волны. Такая зависимость называется нормальной дисперсией. В узких интервалах длин волн наблюдается увеличение показателя преломления с увеличением длины волны. D<0 –нормальная дисперсия, D>0 – аномальная дисперсия.

Явление дисперсии объясняется в рамках электронной оптики рассматривая взаимодействие электромагнитной волны с полем вращающейся вокруг волны электронов. Аномальная дисперсия имеет место когда частота вращения электронов вокруг ядра равна частоте вращения вокруг волны.

Результатом дисперсии является разложение белого света в спектр при прохождении через призму. Картина в виде радуги на экране называется дисперсионным спектром. При - угловая дисперсия.