Вопрос 1. Источники света.

Всякий, кому приходилось проводить безлунную ночь в сельской местности, в лесу, на море, знает, какая бывает темнота, когда Солнце находится по другую сторону земного шара.

С наступлением рассвета постепенно вырисовываются предметы, которые были не видимы еще несколько минут назад. Затем все резче и резче мы начинаем различать детали предметов, появляются и проясняются цвета и в конце концов разливается дневной свет.

Именно Солнце, поднявшееся над горизонтом на востоке, посылает свет, придающий видимую форму и цвет предметам на поверхности нашей планеты. Свет излучают Солнце, звезды, лампы и даже светлячки.

Такие тела называются светящимися. Остальные предметы – деревья, трава, страницы книги и др. - не являются светящимися. Они видны только потому, что получают свет от какого-нибудь светящегося тела и отражают этот свет в наши глаза.

Под источниками света понимают преобразователи различных видов энергии в электромагнитную энергию оптического диапазона с условными границами в вакууме от 10^-3м до 10^-9м.

Источники бывают естественные и искусственные. Выше указывались примеры естественных источников света: Солнце, звезды, атмосферные разряды и др., а также люминесцирующие объекты животного и растительного мира. Основными источниками света во вселенной являются звезды, в которых происходит реакция термоядерного синтеза.

Искусственные источники света – тепловые и люминесцирующие.

Тепловые: электронные лампы накаливания, излучатели с газовым нагревом.

В люминесцирующих источниках используется люминесценция газов или твердых тел.

Большинство искусственных и естественных источников не являются когерентными. Когерентными источниками являются лазеры (ОКГ). Когерентность волны означает равенство их частиц и постоянную во времени разность фаз (было рассмотрено в механике).

Вопрос 2. Основные фотометрические характеристики.

Раздел физической оптики, посвященный измерению электромагнитного излучения оптического диапазона, называют фотометрией.

Основателями фотометрии были француз Пьер Бугер (1698-1758), издавший в 1729 г. «Опыт по градации света» и написавший «Оптический трактат о градации света», изданный в 1760г., посмертно, а также эльзасец И.Г. Ламберт, «Фотометрия» которого была издана также в 1760г. Вопрос о распределении света и освещенности издавна интересовал живописцев, и вполне естественно, что такой художник-исследователь как Леонардо, был одним из первых экспериментаторов фотометрии.

С.И. Вавилов писал о нем: «Его рисунки и пояснения к ним не оставляют никакого сомнения в том, что Леонардо экспериментировал с фотометрической установкой типа Румфорда». В «Оптическом трактате» Бугера введены такие фотометрические понятия, как «световой поток», «освещенность», «яркость» и др. Бугер сконструировал простой фотометр, разработал методы уравнивания создаваемых различными источниками освещенностей, выполнил обширную программу фотометрических измерений. В частности установил закон поглощения света (рассмотрим в лекции №5).

Пьер Бугер

Пьер Бугер (фр. Pierre Bouguer)

(16 февраля 1698 — 15 августа 1758) 

Французский математик и астроном. Он также известен как отец «корабельной архитектуры».

Его отец, Жан Бугер, один из лучших гидрографов своего времени, был профессором гидрографии в Croisic в нижней Бретани и автором трактата по навигации. В 1713 году Пьер Бугер стал его приемником и был утвержден в должности профессора гидрографии. В 1727 году французская академия наук присудила ему приз за работу «О корабельных мачтах»; а также два других приза: один за диссертацию "О лучшем методе наблюдения высоты звезд над уровнем моря, а другой за работу «О лучшем методе слежения за колебаниями компаса в море»

В 1729 он опубликовал «Essai d’optique sur la gradation de la lumière», работу, целью которой было определить количество света, которое теряется при прохождении заданного расстояния в атмосфере. Он стал первыми из известных ученых, написавшем о законе, который сейчас известен как закон Бугера — Ламберта — Бера. Он обнаружил, что свет от Солнца будет в 300 раз более интенсивным, чем от Луны, и таким образом сделал некоторые ранние измерения в области фотометрии.

В 1735 возглавил «перуанскую» часть двойной экспедиции Французской академии наук по измерению формы Земли. В результате измерений было получено, что длина 1° составляет 56748 туаз (110,6 км). Совместно с результатами лапландской экспедиции, получившей для 1° величину в 57422 туаз (111,9 км) эти измерения позволили подтвердить гипотезу о форме Земли как эллипсоида вращения. В честь этого события была даже выбита медаль, на которой изображённый Бугер слегка опирался на земной шар и слегка его сплющивал.

Ламберт уточнил основные фотометрические понятия и соотношения, к закону зависимости освещенности от расстояния он добавил закон зависимости освещенности от угла наклона падающих лучей, сформулировал закон яркости истока от «угла истечения» света от источника.

Фотометрия была важнейшим достижением оптики 18 века.

Основной характеристикой процессов излучения, распространения и поглощения света является поток излучения.

Потоком излучения - Ф – называются отношение энергии излучения ко времени, за которое оно произошло.

Поток излучения имеет размерность мощности [Дж/с=Вт],

(1)

На ряду со световым потоком основными характеристиками являются сила света, освещенность и яркость.

Понятие силы света вводится с помощью представления о точечном источнике света.

Источник света считается точечным, если его размер мал по сравнению с расстоянием до места наблюдения и если он испускает свет равномерно по всем направлениям.

Точечные источники: звезда, наблюдаемая с Земли, электрическая лампочка, наблюдаемая на расстоянии десятков метров и т.п.

Сила света – J - измеряется отношением светового потока, создаваемого точечным источником света в телесном угле, к этому телесному углу.

(2)

(J – кандела – Кд – Si)

1кд – сила света, испускаемого с поверхности площадью 1/600000м² полного излучения в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания пластины при давлении 101325Па.

Телесным углом - Ω - называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью.

(3)

Телесный угол определяется отношением площади S, вырезанной этим углом на поверхности сферы (с центром в вершине телесного угла), к квадрату радиуса R сферы (рис.1)

Рис.1

Единицей телесного угла является стерадиан – Ср

1Ср – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равный радиусу сферы.

Отсюда, телесный угол, охватывающий все пространство вокруг источника света, равен:

Согласно формулы (1):

(4)

Из формулы (4) следует, что единицей светового потока является световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле 1Ср при силе тока 1Кд.

Эта единица называется люменом (лм)

1лм=1Кд×1Ср

Для количественной оценки освещения поверхностей вводят понятие освещенности – Е.

Освещенностью поверхности называется отношение светового потока, падающего на данную поверхность, к площади этой поверхности.

Рис. 2

(5)

( )

1 лк – освещенность поверхности площадью 1м² при световом потоке падающего на нее излучения, равного 1лм.

Если линейные размеры поверхности S малы по сравнению с ее расстоянием до источника света О, то

(6),

So – проекция S на плоскость, перпендикулярную оси ОМ потока (рис.2)

- угол между S и S₀,

тогда: (7)

Подставим (7) в (4), получим:

(8)

Значит:

Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником света, пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на эту поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния до поверхности.

Освещенность – величина скалярная, по этому в том случае, когда свет на поверхность падает от нескольких источников, освещенность в каждой точке поверхности равна арифметической сумме освещенностей, созданных в этой точке каждым из источников в отдельности.

Освещенность измеряют люксметрами. Примером люксметра может служить фотоэкспонометр, применяемый при кино – и фото – съемках.

Создание достаточной освещенности рабочего места позволяет сохранять зрение и предотвращать переутомление глаз.

Не соблюдение светового режима может привести к близорукости и преждевременному снижению остроты зрения. Также отрицательно влияет и слишком сильный свет.