Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 39. Основы фотометрии. Разница между понятиями «поток излучения

39. Основы фотометрии. Разница между понятиями «поток излучения» и «световой поток». Связь между ними. Кривая видности (относительной спектральной чувствительности). Основные фотометрические величины: сила света, яркость, освещенность, единицы их измерения. Связь между этими величинами.

Область электромагнитных волн, воспринимаемых глазом, называют светом. Свет-это очень узкий диапазон в огромной совокупности ЭМВ. Человек ощущает ЭМВ только в области длин волн от 400 до760 нанометров (0,4-0,76 мкм). Тем не менее, именно с помощью зрения мы получаем основную часть информации об окружающем мире. С чисто физической точки зрения для измерения любого излучения используются  энергетические. характеристики: мощность, поток,интенсивность и др. Но легко понять, что такой подход не годится для измерения света; по самому смыслу понятия "свет" нельзя проводить никаких его измерений  не учитывая свойств глаза , (причём именно человеческого,так как у многих животных диапазон воспринимаемых длин волн отличен от нашего). Скажем, какова бы ни была мощность инфракрасного излучения, для нашего глаза она равна нулю - глаз ИК-лучи не ощущает. Это, кстати сказать, относится и к большинству технических приёмников излучения.Так, например, разные фотопластинки чувствительны к разным областям длин волн излучения, и нельзя сделать мало-мальски хороший снимок, не учитывая свойств фотопластинки). Отсюда следует, что для измерения света надо хорошо знать свойства нашего глаза.

Относительная спектральная световая эффективность глаза

Основной характеристикой восприятия света глазом является  относительная спектральная световая эффективность V( 7l 2) . [В литературе широко используется устаревший термин "относительная видность", но по ГОСТ"у применение этого термина не рекомендуется].

Относительная спектральная световая эффективность характеризует чувствительность глаза к свету c данной длиной волны 710 по отношению к максимальной чувствительности, принятой за единицу. При достаточно хорошей освещённости (дневном свете) величина V( 7l 0) изображается сплошной линией на рис. 1. Очевидно, что при длинах волн меньше 400 нм и больше 760 нм чувствительность глаза равна нулю, то есть V(7l 0) = 0. Максимальное значение V(7l 0), по определению равное единице, приходится на длину волны 555 нм (зелёная часть спектра). Интересно, что эта длина волны соответствует максимуму излучения в спектре солнечного света; очевидно, что в ходе эволюции наш орган зрения приспособился к основному источнику света - Солнцу.

При слабой освещённости (в сумерках)  кривая относительной спектральной световой эффективности несколько другая (на рис. 1она изображена пунктиром). Максимум чувствительности в этом случае сдвинут на длину волны 510 нм. Эта разница объясняется наличием в глазу двух типов фоторецепторных клеток - палочек и колбочек, о чём подробно говорится далее.Сопоставление энергетических и световых фотометрических величин.

Для измерения любого излучения можно воспользоваться приёмником,полностью поглощающим лучи всех длин волн, то есть обладающим свойствами абсолютно чёрного тела 5*). Измеряемые таким образом величины носят название  энергетических . Очевидно, что они никак не зависят от свойств приёмника излучения, в том числе глаза. К основным энергетичеким характеристикам относятся:

1.Поток излучения (поток энергии) F э . Это -величина энергии излучения, переносимая через данную площадку за единицу времени : Fэ  = W/t.Можно сказать короче: поток излучения - это  мощность излучения, переносимая через данную площадку : Fэ= Ризл. Размерность Fэ  - 1 ватт .

2. Энергетическая сила света I э. Большинство источников света испускают изллучение не во все стороны равномерно, а имеют определённую диаграмму направленности. При этом результат облучения сильно зависит от того, в каком  телесном угле распросраняется излучение

(представьте себе фары ближнего света, дающие широкий пучёк излучения, и фары дальнего света, посылающие узкий направленный луч). Для характеристики  направленности (концентрации) излучения  вводится понятие энергетической силы света I э . Это - величина, равная отношению потока излучения к тому телесному углу  W 5** , в пределах которого

распространяется данный поток:

F э

I э = ------

W

Размерность энергетической силы света - 1 ватт/ср

--------------------------------------------------------

 5*)  Такой приёмник называют болометром.

 5**) Напомним понятие телесного угла. Пусть излучение распространяется в пределах некоторого конуса (рис.2). Тогда телесным углом  W называется величина, равная отношению площади S, вырезаемой этим конусом на сфере произвольного радиуса R, к квадрату этого радиуса:  W  = S/R² Если излучение идёт во все стороны, S равно полощади поверхности сферы: S = 4R²  , поэтому  полный  телесный угол равен 4. Единицей телесного угла является стерадиан (ср) .

3.  Энергетическая яркость L э . 5* Любой источник излучения имеет каую-то площадь. Если мы смотрим на этот источник, площадь его изображения на сетчатке пропорциональна площади поверхности источника. При большой площади источника (и, соответственно, большой площади изображения) энергия излучения распределяется на большое число колбочек (или палочек), и на каждую колбочку приходится относительно небольшое энергетическое воздействие. Если при той же силе света площадь источника и площадь изображения мала, на каждую колбочку придётся гораздо бошьшая энергия.Ясно,что ощущение,получаемое человеком, будет в этих случаях совершенно разное.  Представьте себе, например, две лампы,

находящиеся от нас на одинаковом расстоянии и имеющие одинаковую силу света - лампочку накаливания и люминесцентный светильник. От обеих ламп в глаз попадает одинаковое количество энергии, но ощущение будет совершенно разное: на люминесцентную лампу можно спокойно глядеть,а на лампу накаливания не только неприятнео смотреть, но даже можно ис-

портить зрение. Причина разницы очевидна: площадь нити накаливания во много раз меньше площади поверхности светящеся трубки люминесцентного светильника. Легко понять, что те же рассуждения справедливы, например, и для фотографического изображения: при малой площади источника его изобржение также будет меньше, и на единицу площади изображения

придётся больше энергии излучения; почернение плёнки будет больше.Исходя из таких соображений вводится величина, называемая  энергетической яркостью .Это- величина,равная отношению энергетической силы света источника излучения к площади его поверхности:

Iэ F э

L э = ----- = ----------

S изл  W S изл

Размерность энергетической яркости 1 ватт/срм²

4.  Энергетическая освещённость Еэ. Это-  величина, равная отношению  потока излучения, падающего на какую-то площадку к площади этой площадки: Еэ = F э/ S

Размерность энергетической освещённости - 1 ватт/м² .

. Энергетические характеристики отражают физические  свойства излучения, но не годятся для описания  восприятия света,поскольку они не учитывают спектральную чувствительность глаза. Поэтому была разработана  система световых величин , предназначенная именно для

измерения  света. Основу этой системы составляют тоже четыре величины: световой поток Ф, сила света I, яркость L и освещённость Е (без эпитета и значка "энергетический"), в определениях которых учтена спектральная световая эффективность глаза V( 7l 0).

По техническим причинам в основу этой системы был положен  эталон силы света . (описание и рисунок этого эталона см. в учебнике Ремизова,стр. 502-504).Принятая на основании этого эталона единица силы света называется  1 кандела, кд . ( по русски - свеча). Кандела входит в число основных единиц системы СИ. Поскольку энергетическая сила света измеряется в других единицах ( 1ватт/ср ), необходимо было найти соотношение между этими единицами. На основании проведенных измерений было установлено, что при длине волны

555 нм (то есть в области максимальной чувствительности глаза): I [ 1кд ] = 683I э [ 1вт/ 1ср]

(коэффициент 683 называется "световая эффективность излучения". Его размерность 1кд . 1ср/Вт  или  1лм/Вт. При свете других длин волн необходимо учесть разную чувствитель-

ность глаза к разным длинам волн, то есть относительную спектральную эффективность излучения V( 7l 0).

Для монохроматического света с длиной волны 7l0: I( 7l 0)=683V( 7l 0) Iэ(7l 0). Сила света характеризует направленность (концентрацию) светового

излучения. С помощью оптической системы можно собрать свет в узкий пучёк в пределах малого телесного угла и получить даже от маломощного источника большую силу света (автомобильная фара, конденсор микроскопа). Очень большую силу света (510 - 512 кд и более) дают многие лазерные источники - в первую очередь потому, что у них излучение нап-

равлено узким пучком в очень малом телесном угле (10 -5 ср и менее).

Световым потоком Ф . называют  мощность излучения,оцениваему по создаваемому им световому ощущению. Очевидно, что Ф = I 5. 7W. Единицей светового потока является  люмен, лм; лм = кд 4. 1ср.

- 5 -

Из тех же соображений, что и для силы света, можно написать: Ф( 7l 0) = 683V(7l 0)Fэ(7l 0)

Если свет не монохроматический, а имеет сплошной спектр,надо проинтегрировать по всему световому диапазону длин волн:

Ф⁷⁶⁰ = V(7l 0)Fэ (7l 0) d

⁴⁰⁰

Яркость- это величина силы света, испускаемого с единицы поверхности излучателя: L= Ф/ Sизл

Единица яркости –нит. 1 Нит = кд/м²

Из сказанного ранее про энергетическую яркость ясно, что два источника света будут казаться нам одинаковыми в том случае,если у них одинаковые яркости ., потому что при этом на каждую колбочку будет попадать одинаковая мощность излучения, и ощущения будут одинаковыми. Если мы хотм исследовать реакцию зрительного анализатора на свет, световой

стимул наиболее правильно характеризовать именно яркостью. Поэтому в биофизике зрения понятие яркости играет первостепенную роль. Интересно также, что (если можно пренебречь поглощением излучения) в любой оптической системе яркость изображения равна яркости источника света. На практике очень часто для сравнения двух источников света получают ря-

дом их изображения. Если эти изображения на глаз кажутся одинаковыми по яркости, значит, яркость самих источников света одинакова.

Освещённость- величина, равная световому потоку, падающему на едиицу площади:Е = Ф/S

Единица освещённости - 1 люкс, лк; лк = кд 5. 1ср/м²

Освещённость практически важна, в первую очередь, потому что она характеризует условия работ.: при недостаточной освещённости трудно различать мелкие детали, и зрение сильно утомляется. По гигиеническим нормам при обычной трудовой деятельности (в том числе, в учебных помещениях) освещённость должна быть не менее 200 люкс.

- 6 -

Часто бывает полезна формула, связывающая освещённость в какой-то точке А с силой света источника I. Если расстояние до источника R, а угол падения лучей  α  (см.рис. 3), то

I

Е = --------  cos  α

R²

Надо заметить, однако, что при расчёте освещённости в помещениях эта формула часто даёт сильно заниженные результаты, так как в любом помещении кроме прямых лучей от источника (лампы) всегда много света,рассеянного стенами, потолком и т.п. В заключение даём сводную таблицу энергетических и световых величин.

где р - плотность среды, с - скорость звука.

Для звука характерно 2 вида характеристик: физические, психофизические.

Интенсивность звука, как и в других рецепторах, отображается частотой следования потенциалов действия, возникающих в нервном волокне. При этом функцией сжатия является логарифмическая функция.

Эта формула называется законом Вебера-Фехнера, где 1₀ . пороговая интенсивность, то есть минимальная интенсивность звука, который человек может услышать при самых благоприятных условиях. Интенсивности звука в субъективном восприятии соответствует громкости. Однако, установить соотношение между интенсивностью и громкостью не удаётся, поэтому вводим след. Величины – уровень интенсивности и уровень громкости. Понятие уровня интенсивности учитывает сформулированный выше закон Вебера - Фехнера о логарифмической зависимостью между частотой нервной импульсации и интенсивностью звука. Уровнем интенсивности называется величина L=10*lgI/I₀ , где I – интенсивность данного звука, I₀ – пороговая интенсивность. Единицей уровня интенсивности является децибел [дБ]. Однако сам по себе уровень интенсивности не соответствует тому субъективному ощущению, которое вызывает тот или иной звук, так как это ощущение в значительной мере зависит и от частоты звука, поэтому ввели второе понятие – уровень громкости, единицей которого является фон. При этом измеряемый звук сравнивают со звуком с частотой 1000Гц. Т. о. уровень громкости – это величина, равная уровню интенсивности такого звука со «стандартной» частотой 1000Гц, которая воспринимается одинаково громким с данным звуком. Из этого определения видно, что уровень громкости – величина субъективная, т к одному и тому же звуку разные люди могут приписывать разные значения уровня громкости, поскольку нет людей с одинаковым слухом. Для уменьшения степени субъективности были определены так называемые кривые равной громкости (изофоны).

Для диагностики состояния органа слуха используют аудиометр. С помощью него фактически определяют кривые равной громкости. Однако, большинство аудиометров устроены таким образом, что они показывают не саму величину уровня громкости подаваемого звука у пациента, а отклонения этой величины от стандартного значения, поэтому для человека с нормальным слухом кривая равной громкости будет прямой линией. Но абсолютно нормального слуха не бывает; у всех людей наблюдаются те или иные отклонения. Если отклонения не превышают 10-15 фон, их обычно считают не существенными.