Меню

Система энергетических величин измерения оптического излучения



Энергетические и световые (фотометрические) величины оптического излучения

ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ

Условием для овладения оптическими и фотографическими процессами является знание основополагающих определений и закономерностей светотехники.

Оптическое излучение

Свет – это часть электромагнитного излучения.

Электромагнитное излучение охватывает очень большой интервал длин волн: от космического и гамма-излучения до радио и звуковых частот.

В широком смысле светом принято называть электромагнитное излучение, составляющее оптическую область спектра, в которую входят ультрафиолетовое (от 10 до 380 нм), видимое (от 380 до 780 нм), и инфракрасное (от 780 нм до 1 мм) излучения.

Ультрафиолетовое излучение дает самые мощные фотоны и обладает сильным фотохимическим действием.

Излучения видимого света, несмотря на довольно узкий интервал, позволяют видеть все многообразиеокружающего нас мира.

Человеческий глаз практически не воспринимает излучения с крайними диапазонами длин волн (они оказывают на глаз слабое воздействие).

На практике видимым светом принято считать излучение с диапазоном длин волн 400-700 нм. Это излучение обладает значительным фотофизическим и фотохимическим действием, но меньшим, чем ультрафиолетовое.

Минимальной энергией из всей оптической области спектра обладают фотоны инфракрасного излучения. Для этого излучения характерно тепловое действие и, в значительно меньшей степени, фотофизическое и фотохимическое действие.

Отдельные длины волн в видимой части спектра ощущаются как цвета.

Красный свет имеет наибольшую длину волны. Далее она уменьшается от оранжевого до фиолетового цвета (К-О-Ж-З-Г-С-Ф). Белый свет содержит излучения всех длин волн видимого спектра.

Существует две теории для объяснения физических свойств света: волновая Кристиана Гюйгенса и квантовая Макса Планка. Первая лучше описывает такие явления, как поляризация, дифракция, цвет, а вторая – фотографические процессы и процессы переноса энергии.

По теории Максвелла, излучение распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, представляющей собой периодические колебания напряженности электрического и магнитного полей. Электрический вектор Е и магнитный вектор Н, выражающие относительные напряженности полей, находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях и оба перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 –Схематическое изображение электромагнитной волны

В квантовой теории всякое электромагнитное излучение рассматривается как поток частиц, называемых фотонами. Фотон существует только в движении и обладает энергией, массой и волновыми свойствами, которые характеризуются частотой νф или длиной волны λф.

Планк показал, что энергия фотона (квант энергии излучения – ε) определяется по формуле

где h постоянная Планка (h = 6,626-10 -34 Дж с); νф – частота излучения.

Масса фотона mфопределяется согласно выражению

где с – скорость распространения излучения.

Движение фотона сопровождает волновой процесс:

Виды излучения.

1) Монохроматическое (простое) – излучение, характеризующееся одним значением частоты или длины волны. Излучение в интервале длин волн Δλ

Основной величиной в энергетической системе, позволяющей судить о количестве излучения, является поток излучения Фэ, или мощность излучения, т.е. количество энергии W, излучаемой, переносимой или поглощаемой в единицу времени:

Величину Фэ выражают в ваттах (Вт). – энергетическая единица

В большинстве случаев не учитывают квантовую природу возникновения излучения и считают его непрерывным.

Качественной характеристикой излучения является распределение потока излучения по спектру.

Для излучений, имеющих сплошной спектр, вводится понятие спектральной плотности потока излучения (jl) – отношение мощности излучения, приходящейся на определенный узкий участок спектра, к ширине этого участка (рис. 2.2). Для узкого спектрального диапазона dl поток излучения равен l. По оси ординат отложены спектральные плотности потока излучения jl = dФl/dl, поэтому поток представляется площадью элементарного участка графика, т.е.

Рисунок 2.2 – Зависимость спектральной плотности потока jl излучения от длины волны l

Если спектр излучения лежит в границах от l1 до l2, то величина потока излучения

Под световым потоком F, в общем случае, понимают мощность излучения, оцененную по его действию на человеческий глаз. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). – светотехническая единица

Действие светового потока на глаз вызывает его определенную реакцию. В зависимости от уровня действия светового потока работает тот или иной вид светочувствительных приемников глаза, называемых палочками или колбочками. В условиях низкого уровня освещенности (например, при свете Луны) глаз видит окружающие предметы за счет палочек. При высоких уровнях освещенности начинает работать аппарат дневного зрения, за который ответственны колбочки.

Кроме того, колбочки по своему светочувствительному веществу делятся на три группы с разной чувствительностью в различных областях спектра. Поэтому в отличие от палочек они реагируют не только на световой поток, но и на его спектральный состав.

В связи с этим можно сказать, что световое действие двумерно.

Количественная характеристика реакции глаза, связанная с уровнем освещения, называется светлотой. Качественная характеристика, связанная с различным уровнем реакции трех групп колбочек, называется цветностью.

Сила света(I). В светотехнике эта величина принята за основную. Такой выбор не имеет принципиальной основы, а сделан из соображений удобства, так как сила света не зависит от расстояния.

Понятие силы света относится лишь к точечным источникам, т.е. к источникам, размеры которых малы по сравнению с расстоянием от них до освещаемой поверхности.

Сила света точечного источника в некотором направлении есть приходящийся на единицу телесного угла W световой поток Ф, излучаемый этим источником в данном направлении:

I = Ф / Ω

Энергетическая сила света выражается в ваттах на стерадиан (Вт/ср).

За светотехническую единицу силы света принята кандела(кд) – сила света точечного источника, который испускает световой поток в 1 лм, распределенный равномерно внутри телесного угла в 1 стерадиан (ср).

Телесным углом называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью и замкнутым криволинейным контуром, не проходящим через вершину угла (рис. 2.3). При сжатии конической поверхности размеры сферической площади о становятся бесконечно малыми. Телесный угол в этом случае также становится бесконечно малым:

Рисунок 2.3 – К определению понятия «телесный угол»

Освещенность (Е).Под энергетической освещенностью Еэ понимают поток излучения на единицу площадиосвещаемой поверхности Q:

Энергетическая освещенность выражается в Вт/м 2 .

Световая освещенность Евыражается плотностью светового потока F на освещаемой им поверхности (рис. 2.4):

За единицу световой освещенности принят люкс, т.е. освещенность поверхности, получающей равномерно распределенный по ней световой поток в 1 лм на площади в 1 м 2 .

Среди других величин, используемых в светотехнике, важными являются энергияизлучения или световая энергия W, а также энергетическая Нэ или световая Нэкспозиция.

Величины Wэ и W определяются выражениями

где – соответственно функции изменения потока излучения и светового потока во времени. Wэ измеряется в джоулях или Вт с, a W – в лм с.

Читайте также:  Методика оценивания погрешности измерений

Под энергетической Нэ или световой экспозицией понимают поверхностную плотность энергии излучения или световой энергии W соответственно на освещаемой поверхности.

То есть световая экспозиция H это произведение освещенности E, создаваемой источником излучения, на время t действия этого излучения.

Источник

Основные фотометрические величины и их единицы

Фотометрия — раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины:

1) энергетические — характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;

2) световые — характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.

1. Энергетические величины. Поток излучения Фе — величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:

Единица потока излучения — ватт (Вт).

Энергетическая светимость (излучательность) Re — величина, равная отношению потока излучения Фе, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:

т. е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения. Единица энергетической светимости — ватт на метр в квадрате (Вт/м 2 ).

Энергетическая сила света (сила излучения) Iе определяется с помощью понятия о точечном источнике света — источнике, размерами которого по сравнению с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света Iе — величина, равная отношению потока излучения Фе источника к телесному углу , в пределах которого это излучение распространяется:

Единица энергетической силы света — ватт на стерадиан (Вт/ср).

Энергетическая яркость (лучистость)Be — величина, равная отношению энергетической силы света элемента излучающей поверхности к площади S проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:

Единица энергетической яркости — ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср×м 2 )).

Энергетическая освещенность (облученность) Ее характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м 2 ).

2. Световые величины. При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы, фотоумножители), которые не обладают одинаковой чувствительностью к энергии различных длин волн, являясь, таким образом, селективными (избирательными). Каждый приемник излучения характеризуется своей кривой чувствительности к свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является единица силы света — кандела(кд), определение которой дано выше (см. Введение). Определение световых единиц аналогично энергетическим.

Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью). Единица светового потока — люмен (лм): 1 лм — световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм = 1 кд×ср).

Светимость R определяется соотношением

Единица светимости — люмен на метр в квадрате (лм/м 2 ).

Яркость светящейся поверхности в некотором направлении есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

Читайте также:  Чем отличается метрическая система измерения

Единица яркости — кандела на метр в квадрате (кд/м 2 ).

ОсвещенностьЕ — величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:

Единица освещенности — люкс (лк): 1 лк — освещенность поверхности, на 1 м 2 которой падает световой поток в 1 лм (1 лк = 1 лм/м 2 ).

Источник

Система энергетических величин и единицы их измерения.

Сумма энергии квантов излучения распространяемая в пространстве, за какое то время называется энергией оптического излучения.

Сумма энергий квантов распространяемая в единицу времени называется мощностью или потоком оптического излучения.

;

Для оценки действия потока оптического излучения на приемнике необходимо знать распределение этого потока по длине волн оптического диапазона.

Для этого используют предел отношения элементарного потока к ширине элементарного участка по длинам волн.

спектральная интенсивность источника или излучения.

Из этого определяется величина потока вычисляемая по соотношению:

Практически в большинстве случаев аналитическое выражение неизвестно поэтому для вычисления потока кривую спектральной интенсивности заменяют ступенчатым телом с шириной каждой ступени — (рис 2. а) и величина поток вычисляется как сумма:

Рис.2 Спектральное распределение потока излучения со сплошным спектром (а) и спектральная плотность потока излучения (б)

Ширина участка в справочника даётся равной 10 Н.М. Значение в справочнике может считаться равным .

Всё многообразие современных источников оптического излучения по их спектральной интенсивности принято делить на 3 группы:

Источники с линейчатым спектром.

Линейчатый спектр — спектр, состоящий из от­дельных, не примыкающих друг к другу монохромати­ческих излучений.

Характерно для газоразрядных источников низкого давления

Источники с полосатым спектром.

Полосатый спектр — спектр, монохроматические со­ставляющие которого образуют дискретные группы (полосы), состоящие из множества тесно расположен­ных линий.

Характерно для газоразрядных источников высокого давления.

Источники со сплошным спектром излучения.

Сплошной спектр — спектр, у которого монохрома­тические составляющие заполняют без разрывов интер­вал длин волн, в пределах которого происходит излу­чение. Характерно для источников теплового излучения (лампы накаливания)

Плотность излучения – это отношение потока излучения к площади излучающей поверхности:

Сила излучения – это отношение потока излучения к величине телесного угла внутри которого этот поток распространяется и равномерно распределяется:

Плотность облучения (облученность) – это отношение потока излучения падающего на поверхность приёмника к площади этой поверхности по которой он равномерно распределяется:

Количество облучения – это произведение облученности поверхности приёмника на время облучения:

Интегральная чувствительность приёмника – это отношение энергий оптического излучения эффективно преобразованных к упавшим на приемник:

; С — к-нт пропорциональности; — эффективно преобразованная энергия и поток; — энергия и поток упавшие на приёмник.

Спектральная чувствительность приёмника – это отношение однородных потоков, эффективно преобразованного в приёмнике к упавшему на приёмник:

Интегральная и спектральная чувствительности могут иметь самые различные единицы измерения, либо в относительных единицах, когда числитель измеряется в тех же единицах что и знаменатель, либо в именованных единицах когда эффективные величины измеряются в граммах, А, В и т.д. и тогда единицы измерения соответственно гр/Вт, А/Вт, В/Вт.

Источник