Основные фотометрические понятия

Воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат состоит, прежде всего, в передаче этому регистрирующему аппарату энергии, переносимой световой волной. Поэтому прежде чем рассматривать законы оптических явлений, мы должны составить себе представление об измерении света - фотометрии, которая сводится к измерению энергии, переносимой световой волной, или к измерению величин, так или иначе связанных с этой энергетической характеристикой. Прежде всего, необходимо дать определения тем величинам, которые фигурируют в измерительной практике. При этом часто используется понятие точечного источника, т.е. источника света настолько малых размеров, что на некотором расстоянии от него можно считать поверхность распространяющейся волны сферической, или, иными словами, источник, размерами которого по сравнению до места наблюдения можно пренебречь.

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 или другие приемники излучения.

Энергетические величины

Поток излучения. – величина, равная отношению энергии излучения ко времени , за которое излучение произошло: . Единица потока излучения – Ватт (Вт).

Энергетическая светимость (излучательность). – величина, равная отношению потока излучения , испускаемого поверхностью, к площади сечения, через которое этот поток проходит: , т.е. представляет собой поверхностную плотность излучения. Единица энергетической светимости - Вт/м².

Энергетическая сила света. – величина равная отношению потока лучистой энергии источника к телесному углу , в пределах которого это излучение распространяется: . Единица энергетической силы света – Ватт, деленный на стерадиан ( ).

Энергетическая яркость (лучистость). – величина равная отношению энергетической силы света элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения: . Единица энергетической яркости – .

Энергетическая освещенность (облученность) – характеризуется отношением потока излучения, падающего на элемент освещаемой поверхности, к площади этого элемента: . Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости ( ).

Световые единицы

Для определения величины потока и всех, связанных с ним величин, мы пользовались обычными единицами энергии и мощности, например, Ваттами и Джоулями. Такого рода энергетические измерения и выполняются, когда приемником для света является универсальный приемник, например, термоэлемент, действие которого основано на превращении поглощенной световой энергии в тепловую. Однако гораздо чаще мы используем в качестве приемника специальные аппараты, реакция которых зависит не только от энергии, приносимой светом, но также от его спектрального состава.

Таким весьма распространенными селективными приемниками являются фотопластинка, фотоэлемент и особенно человеческий глаз, играющий исключительно важную роль и при повседневном восприятии света, и как приемник излучения во многих оптических приборах. В соответствие с этим при многочисленных световых измерениях необходимо принимать во внимание особенности глаза, заставляющие выделять определенный узкий участок длин волн из всего многообразия электромагнитных колебаний. С этой точки зрения интерес представляет не просто восприятие энергии, а световое восприятие ее. Поэтому следует установить переход от энергетических величин к величинам, характеризующим световое восприятие, и целесообразно ввести специальную систему единиц, приспособленную к свойствам глаза человека.

Ч увствительность глаза к свету различных длин волн можно охарактеризовать кривой видности. Абсциссами этой кривой служат длины волн , а ординатами – относительные чувствительности глаза , т.е. величины, обратно пропорциональные мощностям монохроматического ( = const) излучения, дающим одинаковые зрительные ощущения. Несмотря на субъективность таких оценок, воспроизводимость их достаточно хороша, и кривая видности, как показывают измерения, не сильно меняется при переходе от одного наблюдателя к другому.

На основании многочисленных измерений установлен вид кривой видности, характеризующий нормальный средний глаз. Кривая видности имеет максимум при = 555 нм, условно принимаемый за единицу. Кривая, утвержденная Международной осветительной комиссией, изображена на рис.6. Принимая в качестве приемника световой энергии глаз, Международная осветительная комиссия (МОК), определила световой поток как поток лучистой энергии, оцениваемой по зрительному ощущению.

Для реализации определенного светового потока и других светотехнических величин служит условный световой эталон. Международным соглашением с 1 января 1948 г. введен новый воспроизводимый световой эталон, осуществляемый в виде абсолютно черного тела, применяемого при температуре затвердевания чистой платины (2046,6К).

Сила света (I) Основной световой единицей в системе СИ является единица силы света – канделла (кд).

Канделла – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 ^.10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Световой поток (Ф) – определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью). Если сила света может быть определена тогда: , то, в свою очередь световой поток определится через силу света: , где – телесный угол, в котором распространяется данный поток. Единица светового потока – люмен (лм); – световой поток, испускаемый точечным источником силой света в внутри телесного угла (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) - .

Светимость (R) – определяется соотношением: . Единица светимости – .

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

.

Единица яркости – кд/м².

Освещенность (Е) – величина, равная отношению светового потока , падающего на поверхность, к площади S этой поверхности: . Единица освещенности –люкс (лк): – освещенность поверхности, на которой падает световой поток в 1 лм ( ). Для удобства сопоставим все световые и энергетические единицы в таблице.