Основные положения светотехники Оптическая область спектра излучения. Энергия и поток излучения

Любое нагретое тело испускает в окружающее пространство электромагнитные волны с длиной волны  = с/,

где с = 3∙10⁸ – скорость света, м/сек;

 – частота излучения, Гц.

Существует очень широкий диапазон длин волн различных излучений: от 10 ^–7 нм (космические лучи) до тысяч километров (6000 км для генератора переменного тока с частотой 50 Гц).

В этом диапазоне выделяется оптическая область спектра, излучения в которой подчиняются законам оптики (рис. 3).

Оптическую область условно можно разделить на три неравные части: ультрафиолетовые излучения (от 1 до 380 нм), инфракрасные излучения (от 780 нм до 1мм) и излучения, видимые человеком (от 380 до 780 нм), т.е. свет. Область излучений, воспринимаемых глазом человека, составляет всего 4% оптической области, но именно через неё человек получает 90% информации о мире.

Оптическая область слева граничит с рентгеновскими лучами, а справа с ультракороткими радиоволнами.

Светотехника изучает явления в оптической области спектра.

Энергия излучения (лучистая энергия) Q_Л – это энергия в оптической области спектра, она измеряется в Дж.

Поток излучения (лучистый поток) F_л – это мощность энергии излучения, он измеряется в Вт: F_л = dQ_л/dt.

Спектр излучения – основная характеристика излучения – совокупность излучений тела с различной длиной волны.

Спектры излучения можно подразделить на:

• Однородные (монохроматические) спектры (рис. 4а) – излучается одна длина волны.

• Неоднородные (сложные) спектры – излучаются разные длины волн.

В свою очередь неоднородный спектр можно подразделить на:

• Линейчатый спектр (рис. 4б) – спектр, состоящий из отдельных, не примыкающих друг к другу монохроматических излучений. Таким спектром обладают излучения электрических разрядов в газах и парах металлов.

• С плошной спектр (рис. 4в) – спектр, содержащий все длины волн в интервале, в пределах которого происходит излучение. Таким спектром обладают излучения нагретых тел (солнце, лампа накаливания) и люминофоров.

Сплошной спектр характеризуется функцией спектральной плотности потока излучения (): () = dF_л /d.

Площадка под кривой () равна потоку излучения в соответствующем диапазоне изменения длины волны (рис. 4-в).

Часто функцию спектральной плотности потока излучения () строят в относительных единицах – как долю от её максимального значения.

• Полосатый спектр (рис. 4г) – спектр, монохроматические составляющие которого образуют отдельные группы (полосы), состоящие из множества тесно расположенных монохроматических излучений.

Приемники энергии излучения

При попадании излучения на тело энергия будет частично отражаться, частично пропускаться, частично поглощаться. При поглощении лучистая энергия преобразуется в другие виды энергии: в тепло, в электричество (фотоэлемент), в химическую энергию (листья, кожа при загаре).

Приёмники энергии излучения – это тела, преобразующие энергию излучения в другие виды энергии.

Та доля энергии, которая преобразуется приемником, называется эффективной энергией Q_эф.

Все приемники можно разбить на 2 группы: физические (фотоэлемент, фотосопротивление и т.д.) и биологические, важнейшим из которых является глаз человека.

Схема строения глаза представлена на рис.5: 1 – роговая оболочка; 2 – радужная оболочка; 3 – хрусталик; 4 – глазное яблоко; 5 – сетчатая оболочка (сетчатка); 6 – зрительный нерв; 7 – центральная ямка; 8 – глазная мышца; 9 – слепое пятно.

Сетчатка глаза в слое толщиной всего 0,2 мм содержит большое число высокоспециализированных нейронов (нервных окончаний), которые в зависимости от их формы делятся на палочки (120 млн.) – они находятся на периферии сетчатки, и колбочки (10 млн.), находящиеся в центре сетчатки. Палочки примерно в сто раз чувствительнее колбочек, но не способны различать цвет и мелкие детали. При попадании одного-единственного кванта света на содержащийся в них пигмент родопсин начинается фотохимическая реакция, что позволяет различать свет в сумерках, т.е. при низкой освещённости. В отличие от палочек колбочки, основным пигментом которых является йодопсин, реагируют и на свет и на цвет. В зависимости от воспринимаемых длин волн колбочки делятся на три типа: красно-, сине- и зелёночувствительные.

Наиболее чувствительная часть сетчатки (площадью 1 мм²) называется жёлтым пятном, а самая чувствительная его часть – центральной ямкой (в ней плотность расположения колбочек максимальна). При наблюдении объекта глаз ориентируется так, чтобы его изображение попадало на центральную ямку. В том месте, где зрительный нерв соединяется с сетчаткой, нейронов нет. Его называют слепым пятном.

Химические превращения в нейронах способствуют возникновению электрических импульсов в нервном волокне, соединяющем глаз с мозгом. Это, в конечном счете, и создаёт зрительный образ предметов.

В зависимости от того, насколько велика доля энергии, преобразованной глазом или другим приёмником, они характеризуются коэффициентами чувствительности.

1) Интегральный (обобщенный) коэффициент чувствительности g определяется как доля эффективно преобразованной приёмником энергии (потока) от падающей на него энергии (потока): g = Q_эф/Q_пад = F_эф/F_пад .

Большинство приёмников энергии реагируют на разные длины волн по-разному, т.е. являются селективными приёмниками.

2) Коэффициент спектральной чувствительности g_λ показывает, какую долю падающей энергии или потока излучения определённой длины волны преобразует приёмник: g_λ = Q_эф/Q_пад = F_эф /F_{пад. .}

Наибольший интерес представляет изменение коэффициентов спектральной чувствительности глаза человека (рис. 6), которые для удобства сопоставления представляются в относительных единицах: ,

где − функция относительной спектральной чувствительности (эффективности) различных приёмников.

Кривая а относительной спектральной чувствительности человеческого глаза при дневном освещении не совпадает с аналогичной кривой б при ночном освещении. Это свидетельствует о наличии у человека «дневного» и «сумеречного» зрения. Если при высокой освещённости задействованы колбочки, и максимум кривой приходится на длину волны 555 нм (граница жёлтой и зелёной областей спектра), то в сумерках глазные мышцы рефлекторно воздействуют на радужку, зрачок расширяется с 2 до 8 мм, вступают в действие палочки и кривая смещается влево, имея максимум 507 нм.

Кривые а и б являются характеристиками, так называемого стандартного фотометрического наблюдателя, т.е. образцового приёмника, используемого для световых расчётов.

Физическим приёмником, имеющим относительную спектральную чувствительность близкую к чувствительности глаза, является селеновый фотоэлемент (кривая в), что позволяет его применять в физических приборах, предназначенных для световых измерений.