IV Оптика и основы ядерной физики

4.1. Фотометрия

4.1.1 Основные фотометрические понятия. Единицы измерений световых величин

В фотометрии устанавливают величины, характеризующие световое излучение и описывают методы определения этих величин.

Световой поток. Для оценки энергии излучения используют понятие потока излучения. Поток излучения (Ф) характеризует энергию, переносимую излучением за единичное время через какую-либо поверхность. Поток излучения (световой поток) Ф характеризует (по зрительному ощущению) световую энергию W, переносимую через какую-либо поверхность за единичное время:

Ф =W/t

(4.1).

Таким образом, световой поток — это мощность светового излучения, оцениваемая визуально.

Точечный источник света. Источник света называют точечным, если он равномерно излучает свет по всем направлениям и имеет размеры значительно меньшие, чем расстояние, на котором оценивается его действие.

Направление распространения светового потока задают с помощью телесного угла. Телесным углом ω называют область пространства, ограниченную конической поверхностью (Рисунок 4.1). Значение телесного угла ω определяют по формуле

ω = S/r2

(4.2),

где S — площадь шарового сегмента, на который опирается телесный угол; r — радиус сферы.

Рисунок - 4.1

Телесные углы выражают в стерадианах (ср). Стерадианом называется телесный угол, вершина которого находится в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса этой сферы. Из формулы (4.2) следует, что если S = r₂ , то ω = 1ср. Телесный угол ω₀, существующий вокруг точки (т. е. опирающийся на всю площадь сферы S = 4πr²), называют полным телесным углом:

ω0 =.4πr2/ r2 = 4π (ср)

(4.3).

Сила света. Главной энергетической характеристикой любого источника света является его сила света. Силой света источника (I) называют величину, равную отношению создаваемого им светового потока к телесному углу, в котором этот поток распределяется, т. е.

I = Ф/ω

(4.4).

3а единицу силы света в СИ принята 1 кандела (кд). Она является основной фотометрической единицей и одной из семи основных единиц СИ. Кандела равна силе света, испускаемого с поверхности площадью 1/600000 м2 полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре t излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па. Все остальные фотометрические единицы являются производными.

Полный световой поток. Из формулы (.4.4) следует, что Ф = Iω. Эту формулу используют для установления единицы светового потока: 1 кд·•1 ср = 1 лм (люмен). За единицу светового потока в СИ принят 1 лм, который равен световому потоку, излучаемому точечным источником света силой 1 кд внутри телесного угла 1 ср. Световой поток, распространяющийся внутри полного телесного угла ω, называют полным световым потоком Фо. Он характеризует оцениваемую по зрительным ощущениям световую энергию, излучаемую источником света в единичное время по всем направлениям.

Из формул ω = 4π (ср) и Ф=Iω следует, что

Фо = 4πI

(4.5).

Освещенность. Для оценки световой энергии, падающей на освещаемую поверхность, введено понятие освещенности. Освещенностью Е называют величину, равную отношению светового потока Ф, падающего на какую-либо поверхность, к площади S этой поверхности:

E = Ф/S

(4.6).

Единицей освещенности служит: 1 лм/1м² = 1 лк (люкс). За единицу освещенности в СИ принят 1 люкс, который равен освещенности, создаваемой световым потоком 1 лм, равномерно распределенным по поверхности 1 м². Для измерения больших освещенностей применяют также внесистемную единицу фот (фт): 1 фт = 1 лм• 1см2 = 1 • 104 лм/м2 = 1•104 лк.

Светимость. Светимость R характеризует световой поток, излучаемый поверхностью светящегося тела единичной площади по всем направлениям, т. е.

R = Ф/S

(4.7).

Из этой формулы видно, что в СИ единица светимости равна 1 лм/м2.

Яркость. Для характеристики светового потока, излучаемого светящейся поверхностью в определенном направлении, используют понятие яркости. Световой поток, излучаемый площадкой S в направлении наблюдения, равен потоку Ф, излучаемому этой площадкой, перпендикулярной данному направлению (Sn). Яркость В характеризует световой поток, излучаемый площадкой единичной площади в перпендикулярном к ней направлении в пределах единичного телесного угла:

В = Ф/ω • Sn

(4.8).

Ф/ω = I, поэтому формулу можно записать в виде

B = I/Sn

(4.9).

Следовательно, яркость характеризует силу света, излучаемого поверхностью тела единичной площади в перпендикулярном к ней направлении. Единицу яркости устанавливаются из формулы(4.9): 1 кд/1м2 = 1 нт (нит). За единицу яркости в СИ принят 1 нит, который равен яркости такой плоской равномерно светящейся поверхности, с каждого 1 м2,, которой в перпендикулярном к ней направлении излучает силу света в 1 кд. Для измерения больших яркостей используется также внесистемная единица— стильб (Сб): 1 Сб = 1 кд/см2 = 1•104 кд/м2 = 1 • 104 нт.