Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы светотехники. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

1.2.1. Освещенность и светимость

Поверхностной плотностью потока называется величина dФ/dS.

Единицей измерения плотности потока является Вт/м2.

В первом случае, когда поток dФ излучается площадкой dS, такая

величина называется светимостью (R): R = dФ/dS.

Во втором случае, когда поток dФ -падает на площадку dS, такая

величина называется освещенностью (Е): Е = dФ/dS.

Так же как и для потока в целом, для величин R и E можно ввести

соответствующие спектральные плотности: r

и e.



Интегральные светимость и освещенность тогда будут выглядеть

как:



 

,RrdEed





. [1.5]

Если говорить о распределении потока излучения в объеме, то необходимо определить какую характеристику объема следует рассматривать. Существует понятие так называемой световой трубки – это мысленно выделенная в поле излучения трубка, в которой не происходит прохождение потока через боковые стенки (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Световая трубка

Поток dSn, протекающий через среднее поперечное сечение трубки, будет равен:

ФdVdU



где U – объемная плотность потока, V = dSndl – объем трубки.

Или

dUdS



. [1.6]

Источниками излучения могут быть как самосветящиеся тела, так и тела, которые сами не светятся, но преобразуют поток излучения, падающий на них извне, например отражают. Источники излучения в зависимости от соотношения между расстоянием до исследуемого источника и его размерами делятся на точечные и протяженные.

1.2. Основные величины фотометрии

Точечными источниками называются такие источники, у которых линейные размеры малы по сравнению с расстоянием до приемника. Если это условие не выполняется, то такие источники называются протяженными или линейными.

Рассмотрим точечный источник А и испускаемый им поток излучения dФ в некоторой части пространства, ограниченной конической поверхностью (рис. 1.7).

Рис. 1.7. К понятию точечного источника

Телесным углом называется часть пространства d, ограниченная

конической поверхностью и замкнутым контуром, не проходящим через вершину угла. Телесный угол () определяется как отношение площади участка сферической поверхности (Асф), заключенной внутри конуса с вершиной в центре сферы, к квадрату радиуса (r) этой сферы:

сф

Единицей измерения телесного угла является стерадиан (рис. 1.8). 1 стерадиан (ср) – это телесный угол, который выделяет на поверхности сферы площадь (), численно равную квадрату



Рис. 1.8. К определению телесного угла

1.2.2. Угловая плотность потока излучения

радиуса этой сферы: т. е.  = 1 [ср], когда  = r2. Полный телесный угол (полная сфера) всего пространства вокруг точки равен 4, полупространства – 2. Телесный угол, опирающийся на некую поверхность А, отличную от сферы, может быть получен из выражения:

cos







. [1.7]

1.2.2. Угловая плотность потока излучения. Теперь, имея способ и меру выделения пространства вокруг точечного источника излучения, можно ввести такую пространственную характеристику потока, как угловая плотность потока излучения:

Фd

Id. [1.8]

Угловая плотность потока излучения называется силой излучения

или силой света, когда речь идет о видимом диапазоне.

Сила света принята за основную величину, которая входит в число шести основных физических величин системы СИ – Международная система основных физических величин СИ (1960 г.), (System International d света – кандела. В системе СИ определены две дополнительные единицы: плоский угол – радиан – это отношение длины дуги окружности, на которую опирается этот угол, к радиусу этой окружности, и телесный угол – cтерадиан.

’

Unites) (табл. 1). Единица измерения силы

Таблица 1

Основные величины и единицы их измерения системы СИ

Физическая величина Обозначение Единица измерения Обозначение

Длина l Метр м Масса m Килограмм кг Время t Секунда c Сила электрическо-

го тока Температура T Кельвин К Количество веще-

ства Сила света I

I Ампер А

N Моль Моль

Кандела Кд

1.2. Основные величины фотометрии

Сила излучения может иметь равномерное и неравномерное рас-

пределение в пространстве, т. е. характеризоваться направлением.

Если сила излучения точечного источника одинакова во всех направлениях, то такие источники называются изотропными (фотометрическое тело излучения имеет сферическую поверхность в пространстве).

Если сила излучения источника зависит от направления, то такие источники называются неизотропными (фотометрическое тело излучения имеет отличную от сферической поверхность в пространстве).

Фотометрическое тело – замкнутая поверхность, проведенная через концы векторов силы излучения во всех направлениях.

Все вышеприведенные величины (освещенность, светимость) можно выразить через основную единицу – силу света (излучения).

Закон обратных квадратов расстояний. Освещенность некой площадки от точечного источника света обратно пропорциональна квадрату расстояния до нее. Размерность освещенности – Вт/ср · м

. Освещен-

ность Е площадки S:

Ф II

 



. [1.9]

Светимость площадки S характеризует равномерность и интенсивность излучения площадки S и оценивается плотностью потока излучения по всей поверхности S.

В данном случае мы имеем дело с источниками, относящимися к типу протяженных или линейных. Для характеристики излучательной способности таких источников вводится понятие яркости.

Под яркостью принято понимать силу излучения с единицы площади поверхности излучающего тела на плоскость, перпендикулярную направлению излучения:

BdS

, [1.10]

cos



где  – угол между направлением излучения и нормалью к излучающей

поверхности.

Светимость не связана с представлением о направлении излучения и предназначена для характеристики равноярких излучателей по любому направлению: R = Ф/S , т. е. отношение силы излучения таких излучателей в любом направлении к площади проекции на плоскость, перпендикулярную данному направлению, постоянно.

Пусть  скости излучающей площадки, тогда n = 

– площадь излучающей площадки, N – нормаль к пло-

ист

· cos  – проекция этой

ист

1.2.2. Угловая плотность потока излучения

Рис. 1.9. К расчету потока от площадки 

в пределах телесного угла 

ист

площадки на направление наблюдения A, – угол между нормалью к площадке N и направлением наблюдения (рис. 1.9).

Очевидно, поток излучения, испускаемый этой площадкой в преде-

лах телесного угла , пропорционален dnd: dФ dnd.

Отсюда для потока излучения получаем выражение:

dФ = Bd

dcos  

ист

где B – коэффициент пропорциональности, который представляет

собой характеристику потока излучения поверхности по направлениям – яркость (в данном случае в направлении наблюдения):

ФФ



cos

dddd



ист

. [1.12]

Поскольку dФ = dId, то B = dI/dn. Яркость – это характеристика потока излучающей поверхности

с учетом направления, поскольку сила света характеризует угловую плотность потока (в отличие от светимости R = dФ/d, которая характеризует поток светящейся поверхности источника в данной точке, независимо от направления).

Размерность яркости – Вт/м2 · ср (для световых единиц –

кд/м2 · ср).

Размерность светимости – Вт/м2. Итак, основные величины, выраженные через поток лучистой

энергии:

сила излучения (света): I = Ф/; освещенность: E = Ф/S; [1.13] светимость: R = Ф/

ист

;

яркость: B = Ф/n = I/n.

1.2. Основные величины фотометрии

1.2.3. Закон Ламберта. Косинусный излучатель. Рассмотрим

протяженное светящееся тело, например сферу. Напишем выражение потока лучистой энергии (dФ), излучаемой малой площадкой (d) поверхности сферы:

dФ = Bddcos  [1.14]

Закон Ламберта. Если яркость В для данного источника излучения величина постоянная, т. е. не зависит от угла  (в случае несамосветящихся тел такими источниками являются диффузно отражающие или рассеивающие поверхности), то следует, что при данном телесном угле d поток dФ максимален в нормальном направлении на площадку и спадает при возрастании угла  пропорционально cos . (Однородно светящийся шар кажется плоским диском – солнце через туман, луна, ком чистого снега.)

Визуальная яркость пропорциональна потоку (dФ), проходящему через зрачок глаза. Пусть направление линии зрения глаза (A) и нормали к элементу поверхности (N) составляет угол . Рассчитаем величину потока

dФ, регистрируемого глазом:

dФ = Вd · d cos Вdnd где dn – это видимые размеры площадки d.

При достаточном удалении точки наблюдения от светящейся сферы телесный угол, под которым виден зрачок глаза А, будет практически одинаков для всех площадок dn, выделяемых глазом на поверхности сферы. В результате, если излучатель обладает постоянной яркостью В = const, при d = const, следует: визуальная яркость

равных площадок будет одинаковой. Такие излучатели называются косинусными (рис. 1.10).

Рис. 1.10. К выводу закона Ламберта

1.2.3. Закон Ламберта. Косинусный излучатель

К таким излучателям, например, относятся раскаленные твердые тела с шероховатой поверхностью. Строго закону Ламберта удовлетворяет абсолютно черное тело. Из поверхностей, светящихся за счет рассеянного света, косинусными являются поверхности чертежной бумаги, свежевыпавшего снега, специальные оптические материалы – молочные стекла.

Для источников со сложным спектральным составом вводится спектральная плотность яркости b

. Тогда интегральная яркость будет



иметь вид:



Bbd







В случае излучателей, подчиняющихся закону Ламберта, яркость и светимость связаны простым соотношением:

BR



Для оценки равномерности излучения по поверхности равнояркого излучателя можно с одинаковым успехом пользоваться или плотностью излучения (светимостью) или яркостью.

Для неравноярких («неламбертовых») излучателей характеристикой излучения по поверхности и в пространстве может являться только яркость.

Рассмотрим несамосветящуюся поверхность, но рассеивающую падающее на нее излучение. Светимость R этой поверхности определяется ее освещенностью E:

R = kE,

где k – коэффициент рассеяния (k  1).

Отсюда для яркости рассеивающей поверхности имеем:

BE



В общем случае коэффициент рассеяния k зависит от направления падающего излучения, его поляризации и длины волны (последняя определяет воспринимаемый нами цвет поверхности). Поверхность, для которой коэффициент рассеяния k не зависит от направления, называется идеальным рассеивателем. Поверхность, для которой k не зависит ни от направления, ни от поляризации, ни от длины волны, называется идеальным серым рассеивателем. Если k = 1, то мы имеем дело с идеальным белым рассеивателем.

1.2. Основные величины фотометрии

1.2.4. Световые величины. Все вышеизложенные свойства и характеристики излучения были рассмотрены безотносительно к условиям их оценки или измерений, в частности, предполагалось, что система регистрации этих величин обладает свойством неселективности по длинам волн.

Однако неселективных приемников (устройств регистрации) для всей области оптического излучения не существует. Более того, само выделение видимого диапазона электромагнитного излучения обусловлено воздействием его на приемник, коим является человеческий глаз. То есть термин свет, по определению, – это излучение, оцененное по его воздействию на человеческий глаз.

В светотехнике и фотометрии количественная оценка параметров излучения производится в системе двух единиц: световых и энергетических. В системе световых единиц все величины оцениваются по их воздействию на человеческий глаз и называются световыми.

Отличие в абсолютных значениях световых и энергетических величин связано с тем, что глаз – селективный (избирательный) приемник излучения, т. е. имеет различную реакцию на воздействие излучения одинаковой мощности с разными длинами волн. Способность приемника реагировать на излучение определенных длин волн называется эффективностью или чувствительностью.

Для глаза зависимость чувствительности от длины волны в пределах видимой области спектра непостоянна и представляет собой кривую, которая называется относительной (она безразмерна, так как нормирована на значение в максимуме) спектральной световой эффективностью и обозначается V(). Эта кривая имеет максимум на длине волны 555 нм и равномерно спадает от максимума в область более длинных и более коротких длин волн. Для различия в обозначениях световых и энергетических величин вводят соответствующие индексы: e и v. Например, энергетический (лучистый) поток Ф

, световой поток Ф. Световой и

энергетический потоки связаны соотношением:

Ф = kФeV(),

где k – нормирующий коэффициент, иногда называемый «механиче-

ским эквивалентом света», т. е. на одну единицу светового потока

на длине волны 555 нм приходится мощность излучения, равная

0,00146 Вт.

На длине волны 555 нм k = 683 лм/Вт.

Измерение световых величин получило название фотометрия. При измерении энергетических величин используют термин энергетическая фотометрия или радиометрия. Термином фотометрия пользуются для

1.2.4. Световые величины

измерения любых величин, оговаривая в тексте, о каких величинах идет речь.

Световые величины будут иметь другие абсолютные значения, другие названия единиц и соответственно размерности при сохранении выражений:

световой поток

сила света

освещенность

яркость

светимость



единица измерения люмен [лм]

I 



Ф I



В 

 

R 

единица измерения люкс [лк]



ист

единица измерения кандела [кд]

единица измерения [кд/м2] (ранее применялся термин нит)

единица измерения [лм/м2]

Таблица 2

Основные выражения и единицы их измерения

Выражение



Фd

Id



Фd

Еd



Фd

Rd



ист

dФ

Вd



Энергетические величины Световые величины

Наименование Единицы

измерения

Наименование Единицы

измерения

Поток излучения Вт Световой поток Лм (люмен)

Сила излучения Вт/стер Сила света Кд (кандела)

Вт/м

· стер

Освещенность Лк (люкс)

Светимость Лм/м

Яркость Кд/м

Облученность Вт/м

Энергетическая светимость

Энергетическая яркость

Вт/м

Тема 2. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Элементы теории теплового излучения. Законы излучения абсолютно черного тела. Тепловые источники излучения. Люминесценция. Источники излучения на основе люминесценции. Естественные источники излучения. Квантовые состояния. Квантовые переходы. Вероятности квантовых переходов (коэффициенты Эйнштейна). Условия усиления. Принципы построения и конструкции лазеров. Основные параметры лазеров

2.1. Тепловое излучение

Процесс излучения электромагнитных волн сопровождается потерей энергии. В результате этого процесса должны уменьшаться потенциальная энергия излучателя и его температура. Для восполнения расхода энергии на излучение необходимо обеспечить поступление ее извне. Если восполнение энергии излучателя происходит за счет тепловых процессов, то такое излучение называется тепловым.

При повышении температуры излучателя увеличивается энергия поступательного, колебательного и вращательного движения его частиц, вследствие чего растут поток излучения и средняя энергия фотонов излучения (квантов).

Вращение молекул вокруг своей оси, превалирующее при низ-

•

ких температурах, создает длинноволновые излучения, лежащие в

дальней инфракрасной области спектра.

Колебания ядер молекул, определяющие более высокую темпе-

•

ратуру излучающего тела, создают более коротковолновые инфра-

красные излучения и длинноволновый видимый спектр.

Электронные возбуждения молекул и атомов, возникающие только

•

при больших значениях кинетической энергии движущихся частиц,

т. е. при достаточно высоких температурах излучателя, образуют

видимые и ультрафиолетовые излучения.

Таким образом, в результате повышения температуры излучателя не только растет поток излучения, но и меняется его спектральный состав.

Пополнение тепловой энергии в тепловом излучателе может осуществляться в любой форме: нагрев, химические реакции, электрический

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]