2.5. Параметры излучения оптических систем

При анализе условий энергообмена, фотохимических и биофизических процессов оперируют системой единиц, специально разработанных для описания параметров излучения оптического диапазона.

В соответствии с принятой терминологией установлены следующие энергетические параметры излучения.

Поток излучения Ф_е – величина, равная отношению энергии излучения ΔW_е, переносимой излучателем, к времени Δt переноса, значительно превышающему период колебаний (аналог понятия «тепловой поток излучения E»):

Ф_е = ΔW_е /Δt,

размерность – ватты [W, Вт].

Энергетическая светимость (излучательность) M_e – величина, равная отношению потока излучения dФ_e к площади dS₀, с которой это излучение испускается (аналог понятия «плотность теплового излучения e»):

M_e = dФ_e/dS₀,

размерность – ватт на метр квадратный [W/m², Вт/м²].

Облученность (плотность облученности) Е_е – величина, равная отношению потока излучения dФ_e к площади dS_п , на которую это излучение падает (аналог E_пад):

Е_е = dФ_e/dS_п,

размерность – ватт на метр квадратный [W/m², Вт/м²].

Сила излучения I_e– величина, равная отношению потока излучения dФ_e к телесному углу dΩ, в пределах которого распространяется это излучение (аналог понятия «угловая плотность излучения I »):

I_e = dФ_e/dΩ,

размерность – ватт на стерадиан [W/sr, Вт/ср].

Энергетическая яркость B_e – величина, равная отношению энергетической силы света dI_e элемента излучающей поверхности в направлении θ к площади dS₀ проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную к направлению наблюдения:

B_e = dI_e/(dS₀cosθ),

размерность – ватт на метр квадратный, на стерадиан [W/(m²sr), Вт/(м²ср)].

Энергетическая экспозиция H_e – величина, равная отношению энергии dW_е излучения, падающего на поверхность, к площади dS_п этой поверхности:

H_e = dW_е/dS_п,

размерность – джоуль на метр квадратный [J/m², Дж/м²].

2.6. Параметры излучения видимого диапазона

Специфической особенностью описания энергетических параметров видимого диапазона является необходимость привязки к условиям восприятия света человеческим глазом. Поэтому для области видимого диапазона выработана специальная система единиц, максимальным образом отвечающая особенностям реакции человеческого глаза на световое излучение. К ним применяют иногда термин световые параметры.

Как уже отмечалось, видимый диапазон соответствует интервалу длин волн от 0,38 до 0,78 мкм. На границах этого интервала чувствительность человеческого глаза падает до нуля, в средней части при частоте 540·10¹² Гц (длина волны 0,555 мкм – желто-зеленый участок спектра) при дневных уровнях освещенности чувствительность максимальна.

В соответствии с ГОСТ 8.023-74, в качестве эталонной световой величины принята сила света I_v – величина, равная отношению светового потока, распространяющегося от источника излучения в рассматриваемом направлении внутри малого телесного угла, к этому телесному углу. Единица измерения – кандела. По определению, принятому на XVI заседании ГКМВ (государственный комитет мер и весов) в октябре 1979 г., кандела равна силе света в заданном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹²Гц, сила, излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Такое определение позволяет воспроизводить канделу без создания черного тела, что соответственно дает возможность повысить точность ее воспроизведения.

Производными световых параметров являются следующие величины.

Световой поток Ф_v, испускаемый источником света в некоторый телесный угол, – величина, равная произведению силы света I_v источника на этот телесный угол Ω:

Ф_v = I_v·Ω,

размерность – люмен [lm, лм].

Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд.

Световая энергия W_v – величина, равная произведению светового потока Ф_v на время t, в течение которого излучается (или воспринимается) этот световой поток:

W_v = ,

размерность – люмен-секунда (lm·s; лм·с].

Яркость B_v светящейся поверхности в некотором направлении θ – величина, равная отношению силы света I_v в этом направлении к площади S_п проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к данному направлению:

B_v = I_v/(S_пcosθ),

размерность – кандела на квадратный метр [kd/m², кд/м² ].

Светимость M_v – величина, равная отношению светового потока dФ_v, испускаемого светящейся поверхностью, к ее площади dS₀:

M_v = Ф_v /dS₀,

размерность – люмен на метр квадратный [lm/m², лм/м²].

Освещенность E_v – величина, равная отношению светового потока dФ_vп, падающего на элемент поверхности, к площади dS_п этого элемента:

E_v = dФ_vп/dS_п,

размерность – люкс (люкс равен освещенности поверхности площадью 1 м² при падающем на нее световом потоке 1 лм) [lx, лк].

Световая экспозиция H_v – величина, равная произведению освещенности E_v на время t, в течение которого происходит облучение:

H_v = dt,

размерность – люкс-секунда [lx·s, лк·с].

При оценке спектральной плотности светового потока видимой области учитывается степень восприятия излучения человеческим глазом на данной длине волны (спектральная световая эффективность) K(λ) = Ф_v(λ)/ Ф_e(λ) .

В этом выражении Ф_v(λ) = φ_v(λ)Δλ – световой поток в пределах очень малого интервала длин волн Δλ (монохроматическое излучение), выраженных в люменах, Ф_e(λ) = φ_e(λ)Δλ – тот же поток, но выраженный в ваттах. Соответственно φ_v(λ)=dФ_v/dλ – спектральная плотность излучения на данной длине волны, размерность лм/м; φ_e(λ) = dФ_e/dλ, размерность Вт/м. Соответственно φ_v(λ) = K(λ) φ_e(λ). В области максимальной чувствительности (λ = 555 нм) K(555) = 683 лм/Вт.

При проведении практических расчетов чаще используют величину относительной световой эффективности V(λ) = K(λ)/ 683 (кривая видности) (рис. 2.13).

С учетом указанных особенностей оценки светового потока вводится понятие световая отдача конкретного источника света

η = Ф_v/P,

где Ф_v= 683 – световой поток источника, P – мощность, потребляемая источником излучения. Единица измерения световой отдачи – лм/Вт.

Обобщенные соотношения между энергетическими и световыми параметрами показаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Энергетические и световые параметры излучения

Лучистые величины			Световые величины
Наименование величины	Определяющее уравнение	Единица измерения	Наименование величины	Определяющее уравнение	Единица измерения
Поток излучения		Вт, W	Световой поток		лм, lm
Энергия излучения		Дж, J	Световая энергия		лм̣·с, lm·с
Сила излучения	Ie=dФe/dΏ	Вт/ср W/sr	Сила света	Iv=dФv/dΏ	кд, kd
Плотность облученности (облученность)	Ee=dФe*/dSп	Вт/м2, W/m2	Освещенность	Ev=dФv*/dSп	лк, lx
Энергетическая светимость	Me=dФe/dSп	Вт/м2, W/m2	Светимость	Mv=dФv/dSп	лм/м2, lm/m2
Энергетическая экспозиция	He=dWe/dSп=	Дж/м2, J/m2	Экспозиция	Hv=dWv/dSп=	лк·с, lx·s
Энергетическая яркость поверхности	Be=	Вт/(ср·м2), W/(sr· m2	Яркость поверхности	Bv=	кд·м2, kd·m2
Энергетическая яркость пучка лучей	Be = =	Вт/(ср·м2), W/(sr· m2	Яркость пучка лучей	Bv = =	кд·м2, kd·m2

*Для точечных излучателей E_e = (I_e/r²)cos(θ); E_v = (I_v/r²) cos(θ).

Для наглядности приводим примерные значения яркости и освещенности для типичных условий наблюдения, а также параметры некоторых наиболее мощных электрических источников света (табл. 2.2).

Т аблица 2.2

Характеристика наиболее мощных электрических источников света

Режим	Тип источника	Мощность, P, кВт	Яркость Bv, Мкд/м2	Световой поток Фv, клм
Непрерывный	Лампы накаливания (прожекторные)	До 20	До 30	До 600
- * -	Трубчатые ксеноновые с водяным охлаждением	До 500	До 1000	До 22000
- * -	Шаровые ксеноновые СВД	До 30	До 6000	До 1300
- * -	Открытые электрические дуги	До 100	До 1400	До 4500
Импульсный	Трубчатые ксеноновые	До 200000	До 10000	До 107
- * -	Шаровые ксеноновые	До 10000	До 100000	До 200000