1.3. Енергія та потік випромінювання. Світловий потік

Як вже відмічалося фотометрія – це розділ фізичної оптики, в якому розглядаються енергетичні фотометричні характеристики оптичного випромінювання в процесах його випускання, поширення і взаємодії з речовиною. Історично склалося так, що оцінка фотометричних величин передусім відносилася до видимого випромінювання і здійснювалася в світлових одиницях. Використання ж фотометричних величин для усього оптичного діапазону електромагнітних коливань визначило їх оцінку в енергетичних одиницях. Між фотометричними і енергетичними величинами і їх одиницями вимірювання існує строгий кількісний зв'язок. Кожній енергетичній величині в межах видимого діапазону відповідає світлова величина, отримана за оцінкою випромінювання стандартним фотометричним спостерігачем. Для позначення енергетичних і фотометричних величин користуються однаковими буквеними символами, а в тих випадках, коли необхідно їх розрізняти додають відповідно індекси е (energetic – для енергетичних величин) і v (visual – для візуальних, фотометричних). Індекс v інколи опускають. Крім того для відповідних величин, які залежать від довжини хвилі, будемо додавати індекс або символ λ .

Дія світла у різних проявах свідчить про енергію світла., тому важливо знати енергетичні характеристики світла.

Енергія випромінювання, яку позначимо через Q_е – це енергія поширення електромагнітних хвиль, яка визначається кількістю фотонів, що випромінюються випромінювачем у простір. Одиницею вимірювання Q_е є [Вт · с] або [Дж].

Порцію енергії складного немонохроматичного випромінювання позначимо через dQ_е, а монохроматичного випромінювання - через dQ_е (λ).

У переважній більшості випадків необхідно знати не саму енергію випромінювання, а її зміну за одиницю часу – тобто потужність випромінювання. Потужність випромінювання у радіометрії називають потоком випромінювання або променевим потоком. Його прийнято позначати через Ф_е і визначають як відношення енергії dQ, що переноситься випромінюванням, до елементу часу перенесення , який перевищує період коливання :

, ( )

де dQ - енергія випромінювання, - елемент часу .

Потік випромінювання Ф_е є основною енергетичною характеристикою випромінювання і оцінюється у ватах (Вт). Це інтегральна характеристика. Потік випромінювання характеризується розподілом за часом, спектром і в просторі.

Рис. 1. . Спектр випромінювання

Якщо необхідно описати потік випромінювання в залежності від довжини хвилі (спектр потоку випромінювання) користуються поняттям спектральної густини потоку випромінювання, яка визначається як

, (1 )

і означає відношення середнього значення потоку випромінювання у вузькому інтервалі довжин хвиль ( λ + dλ) до ширини цього інтервалу - ( Рис.1.) Розмірність спектральної густини потоку випромінювання – [Вт/м] .

Спектр випромінювання це розподіл потужності випромінювання за довжинами хвиль (або частотою).

Випромінювання розжарених парів або газів, а також лазерів є лінійчатим, що умовно характеризується довжиною хвилі.

Більшість же джерел випромінювання випускає неперервну сукупність монохроматичних випромінювань, тобто є джерелами суцільного спектру.

Інтегральний потік випромінювання , обмежений довжинами хвиль від до (заштрихована площа під кривою на рис. 1) можна знайти як суму монохроматичних потоків :

= ∫ або . ( )

Якщо енергія випромінювання за час випромінювання не змінюється тоді Ф_{е =} Q_е / t.

Відповідно, енергію випромінювання Q_е при відомому потоці випромінювання Ф_е можна знайти як Q_е =∫ Ф_е . Якщо Ф_е( ) постійний, тоді Q_{е =} Ф_е t.

Якщо довжина хвилі або частота електромагнітних коливань є якісними характеристиками монохроматичного оптичного випромінювання, то потужність такого випромінювання дає кількісну характеристику оптичного випромінювання.

Світловий потік. Для фотометрії, де основним приймачем енергії є око людини, поняття променевого потоку не використовується, а запроваджується поняття світлового потоку, під яким розуміють такий променевий потік, що оцінюється за його дією на око, відносна спектральна чутливість якого визначається усередненою кривою відносної спектральної світлової ефективності , затвердженої Міжнародним комітетом з освітлення (МКО). Отже, світловий потік, який позначають Ф_v, - це та частина загального потоку випромінювання, до якої є чутливим око людини, та викликає відчуття світла і визначається як

( )

Одиницею світлового потоку є люмен - [лм].

Із ( ) світлову енергію можна знайти шляхом інтегрування світлового потоку Ф_v, за часом, як Q_v = ∫ Ф_v , а розмірність її - люмен-секунда - [лм · с]

Рис. сс. - Відносна функція видності, визначена Міжнародною комісією по освітленню (МКО), для денного зору при куті спостереження 2o (крива спектральної чутливості ока)

Спектральною густиною світлового потоку, аналогічно до ( ), називається відношення середнього значення світлового потоку у вузькому інтервалі довжин хвиль ( λ + dλ) до ширини цього інтервалу -

. ( )

Розмірність спектральної густини світлового потоку – [лм/м] .

Ефективність дії світла на людське око визначається значенням відносної функції видності V_λ , яка залежить від довжини хвилі. Відносна функція видності V_λ , визначена Міжнародною комісією з освітлення (МКО) для денного зору при куті спостереження 2^o, показана на рис сс. На довжині хвилі 555 нм, при якій досягається максимальна чутливість ока, V₅₅₅ = 1,0 , а на границях видимого діапазону спектра при λ = 380 і λ =780 нм значення відносної функції видності V_λ зменшується майже до нуля.

Встановлено, що 1Вт потоку випромінювання для = 555 нм дорівнює 683 люменам світлового потоку.