Меню

Системы эффективных величин измерения оптического излучения



Системы эффективных величин и единицы их измерения.

В существующих системах эффективных величин в качестве стандартизированных спектральных характеристик приняты функции относительной спектральной эффективности. Из сопоставления кривых на рис. 5 можно сделать следующие выводы:

Функции относительной спектральной эффективности

1. Бактерицидная 2. Витальная 3. Световая 4. Фотосинтезная

Рис. 5. Функции относительной спектральной эффективности

Сопоставив кривые, можно сделать следующие выводы:

1. Все рассмотренные приемники излучения селективны

2. Приемники излучения различных групп существенно отличаются спектральными характеристиками

Это означает, что единицы и величины одной системы не могут быть использованы взамен единиц и величин другой, если не известны соотношения между ними. Эти соотношения зависят от спектрального состава излучения.

Система световых величин.

1. В системе световых величин за единицу силы света принимается 1 кд – кандела (в системе СИ).

Индекс «v» означает, что данная величина относится к системе световых величин.

Кандела есть сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении с площади 1/600 000 м 2 абсолютно черным телом при температуре затвердевания платины Т = 2045 К и давлении 101 325 Па (т.е. 760 мм рт ст; 1Па = 0,0075 мм рт ст).

2. Световой поток — Фv

Световой поток в 1 Лм создается силой света в 1 кд в пределах пространственного угла в 1 стерадиан.

Экспериментально установлено, что 1 Лм составляет при λ = 555 нм 1/683 часть ватта. Отсюда, подставив это значение Фv в выражение для g(λ), получим:

Это максимальная спектральная световая эффективность.

3. Световой поток, падающий на поверхность, создает ее освещенность Еv, которая измеряется в люксах — лк.

Освещенность в 1 лк есть световой поток в 1Лм, равномерно распределенный по площади в 1 м 2 .

4. Яркость — Lv

Яркость – отношение силы света, излучаемой с элементарной поверхности, к площади проекции этой поверхности, перпендикулярной направлению излучения.

При равномерном излучении в направлении, перпендикулярном направлению лучей

Законы облученности.

1. Если облучаемую поверхность представить в виде шара, окружающего точечный источник с силой света I, то облученность можно определить как

где R 2 – расстояние от источника до облучаемой поверхности.

При перпендикулярном падении лучей облученность поверхности прямопропорциональна силе излучения источника и обратнопропорциональна квадрату расстояния от источника до облучаемой поверхности.

2. Если же лучи от источника падают на поверхность под углом

Ф

Облученность поверхности, создаваемая параллельными лучами, прямопропорциональна косинусу угла падения лучей, т.е. угла между нормалью к поверхности и направлением лучей.

Объединив обе эти формулы, получим:

При рассмотрении этой формулы возникает понятие индикатрисы облученности.

Индикатрисса облученности – это функция средней облученности приемника по отношению к нормальной в зависимости от угла падения лучей:

Для плоского приемника, ориентированного произвольно, индикатрисса облученности равна косинусу угла между нормалью к этому приемнику и направлением падения лучей (как это только что было доказано).

Если на поверхность падает излучение от нескольких источников, то облученность в каждой точке поверхности равна сумме облученностей, создаваемых в этой точке отдельными источниками излучения.

В системе фотосинтезных величин за основную принят фотосинтезный поток Фф(индекс «фито» характеризует величину, оцененную по реакции на облучение зеленого растения). Он измеряется в фитах (фт). Фит – это один ватт излучения при длине волны 680 нм.

Значение максимальной спектральной фотосинтезной эффективности численно равно единице.

g ф max = 1

В системе витальных величин за единицу Фэф (витального) принят 1 вит – поток излучения в 1 Вт при длине волны 297 нм.

В системе бактерицидных величин за единицу эффективного Фэф (бактерицидного) потока принят 1 бакт (бк) – поток излучении в 1 Вт при длине волны 254 нм.

Источник

Системы эффективных величин измерения оптического излучения

Оптическое излучение охватывает диапазон длин волн от 100 нм до 1 мм спектра электромагнитного излучения.
Следует учитывать, что в отношении пределов спектрального диапазона, нет четкого разделения, которое обязательно только для определенных разделов прикладной оптики.
Измерение оптического излучения, например, может производиться в радиометрии, фотометрии, фотобиологии или физиологии растений, с соответствующими данным разделам измерительными величинами.

Читайте также:  Единица измерения паллета код по океи
Определения фотометрических и радиометрических измерительных величин

Фотометрия
Ограничена диапазоном оптического спектра (свет), видимого человеческим глазом. Измеряемые фотометрические величины: световой поток, яркость и сила света. Основной функцией фотометрии является оценка восприятия яркости посредством функции спектральной световой чувствительности глаза — для фотопического (дневного) зрения или, в редких случаях, для скотопического (ночного) зрения (DIN 5031). Детекторы излучения для измерения фотометрических величин, должны обеспечивать одну из характеристик спектральной чувствительности.

Световой поток
Мощность светового потока источника света (лампы, светодиода и т.п.). Так как лампы обычно не испускают полностью параллельные световые лучи, измерение светового потока осуществляется с помощью измерительных геометрий (метод ≪интегрирующей сферы≫ или ≪сферы Ульбрихта≫), что позволяет точно определять световой поток, независимо от его геометрического распределения. В большинстве случаев, для измерения полного светового потока используются сферические фотометры Ульбрихта или гониометры.

Сила света
Часть светового потока, излучаемая в одном определенном направлении. Сила света является важной величиной для определения эффективности и качества светового оборудования. Измерение осуществляется детектором с ограниченной областью сектора обзора, который устанавливается на расстоянии, позволяющем рассматривать световой источник, как точечный источник света.

Яркость
Ощущение яркости, передаваемое освещенной или светящейся поверхностью глазу. Во многих случаях яркость обеспечивает значительно лучшую информацию относительно качества света, чем освещенность. Для измерения яркости используются измерительные головки (яркомеры) с определенным углом поля зрения.

Освещённость
Световой поток от одного или нескольких световых источников, падающий на определенную поверхность горизонтально или вертикально. В случае непараллельного падения светового потока к поверхности (что является типичным случаем в практической фотометрии), необходимо использование косинусного рассеивателя в качестве измерительной геометрии.

Радиометрия
Метрологическая оценка оптического излучения с использованием радиометрических величин: потока излучения, силы излучения, энергетической яркости и энергетической освещенности. Основной функцией радиометрии является исследование интенсивности облучения, независимо от длины волны. Это главное отличие между радиометрией и измерительными величинами, используемыми в фотометрии, фотобиологии, физиологии растений и т.д.

Сила излучения
Общая мощность, переносимая излучением.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, испускаемая источником света в определённом направлении, внутри малого телесного угла, к этому телесному углу. Интенсивность излучения используется для измерения геометрического распределения мощности излучения.

Энергетическая яркость
Отношение силы излучения, испускаемого с бесконечно малой площадки источника и распространяющегося в бесконечно малом телесном угле, к площади проекции этой площадки на плоскость, перпендикулярную направлению распространения и величине телесного угла. Энергетическая яркость используется для анализа и оценки свойств апертурных излучателей. Стерадианные или телескопические адаптеры могут использоваться как геометрии измерения.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, падающего на поверхность, к площади этого участка. Для измерения интенсивности излучения очень важно пространственное исследование падающего излучения (определение угла, который образует нормаль к поверхности с направлением на источник).

Сравнение фотометрических и радиометрических величин

Каждая фотометрическая величина соответствует радиометрической величине и содержит одни и те же взаимосвязи между ними. Величины можно разделить по их индексам: V (видимый) и E (энергетический) спектры.

Функция спектральной чувствительности человеческого глаза

Относительная спектральная чувствительность человеческого глаза определяется общим уровнем освещенности в момент наблюдения. Человеческий глаз реагирует на лучистую энергию, длина волны которой лежит в пределах приблизительно от 380 до 760 мкм. Эта реакция не остается постоянной. При высоких уровнях освещенности максимум чувствительности, так же как и вся кривая относительной спектральной чувствительности глаза, сдвигается в желто-зеленую область. При низких уровнях освещенности положение кривой изменяется и тогда ее максимум приходится на сине-зеленую область спектра. Глаз, адаптированный к свету, имеет функцию дневного (фотопического) зрения, а для глаз, адаптированный к темноте — ночного (скотопического) зрения. Подробная характеристика кривой спектральной чувствительности приводится в табличном формате, в стандарте DIN 5031.
Изменения спектральной чувствительности глаза происходят благодаря наличию в ретине двух типов светочувствительных элементов: палочек и колбочек. Колбочки работают главным образом при высоких уровнях освещенности, палочки — при низких уровнях освещенности. Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного/фотопического зрения (колбочки, > 10 кд/м2) описывается с помощью функции V(λ), которая является функцией, используемой в большинстве случаев. Световая эффективность для случая ночного/скотопического зрения (палочки,

Читайте также:  Как измерить температуру при лактации

Другие материалы:

Неудовлетворительное качество воздуха в закрытых помещениях с постоянным присутствием людей (например в офисах) может легко стать причиной усталости, упадка сил, снижения концентрации и даже привести к заболеваниям.

Источник

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

Читайте также:  Методы используются для измерения производительности труда используется

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.

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