9.3 Основные фотометрические характеристики

Оптическое излучение характеризуется энергией, переносимой электромагнитной волной через некоторую поверхность за 1с, то есть мощностью излучения. Эта энергетическая характеристика излучения называется потоком световой энергии. Зрительное ощущение зависит не только от мощности излучения, но и спектральной чувствительности глаза максимальное значение которой соответствует зеленому цвету (λ=0,55 мкм). Если приемником света является глаз, то удобно характеризовать излучение произведением мощности N_λ излучения на коэффициент К_λ видности. Эта фотометрическая (психофизическая) характеристика называется световым потоком

. (142)

То есть,

Поток световой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению называется световым потоком.

Кроме светового потока к основным относятся сила света, освещенность и яркость.

Сила света связана с понятием точечного источника – размеры значительно меньше расстояния до области наблюдения и испускает свет одинаково во всех направлениях.

Сила света (является одной из основных единиц СИ) измеряется отношением светового потока, создаваемого точечным источником света в телесном угле к этому углу

.

Телесным углом называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью и определяется отношением площади S, вырезанной этим углом на поверхности сферы с центром, совпадающим с источником света, к квадрату радиуса сферы (рис.69).

.

Единицей телесного угла, как известно, является стерадиан (ср).

За 1ср принимается телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы

Рис.69

площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Сила света 1кд испускается при определенных условиях эталонным источником света.

Световой поток измеряется в люменах (лм)

Ф=IΩ

1 лм – световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле 1ср при силе света 1кд.

Степень освещения поверхности характеризуется освещенностью, определяемой отношением светового потока, падающего на поверхность к ее площади.

Если S<<R, то

. (143)

где α – угол между нормалью к поверхности и центральным лучом.

Подставив это выражение в формулу (9) имеем

. (144)

Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником света, пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на эту поверхность, но обратно пропорциональна квадрату расстояния до поверхности.

За единицу освещенности принят люкс (лк). 1 лк – освещенность поверхности 1м² при падающем световом потоке в 1лм.

Для протяженных источников вводится яркость, которая измеряется отношением силы света, излучаемого с площади видимой (по нормали) поверхности данного источника к площади этой поверхности

. (145)

Единица яркости кд/м².

Яркость Солнца 10⁹кд/м², лампы накаливания 10⁶кд/м², безлунного неба 10^-4кд/м². Наименьшая различимая глазом яркость 10^-6кд/м².

9.4 Интерференция

Интерференция – наложение когерентных волн, при котором свет от источников в области наложения либо усиливается, либо ослабляется. Это зависит от разности хода интерферирующих лучей. Вопросы интерференции рассмотрены в 5 главе первой части и получены условия возникновения интерференционных максимумов и минимумов в зависимости от разности хода ∆ℓ излучений от когерентных источников.

При - усиление, а при - ослабление.

Наложение света от двух источников S₁ и S₂ происходит в плоскости на расстоянии L от источников (рис.70), расположенных на расстоянии d друг от друга (d<<L). Определим расстояние z от точки О, одинаково удаленной от S₁ и S₂, до точек Р, где будут максимумы или минимумы. Из рассмотрения треугольников S₁PA и S₂PВ имеем

; .

Рис.70

Расстояние между соседними максимумами будет

. (146)

По измерениям ∆z, известных L и d можно определить длину световой волны

. (147)

То есть интерференционная картина – это чередующиеся световые и темные полосы и чем больше расстояние d, тем меньше расстояния между максимумами и минимумами, поэтому для повышения их различимости нужно выбирать d  L. Высокая чувствительность положения интерференционных максимумом к разности хода лучей применяется в интерферометрах – приборах для точного измерения малых длин и углов, для контроля качества полированных поверхностей. Интерферометр Майкельсона был применен им для решения важнейшего научного вопроса о наличии мирового эфира.

В результате проведенных опытов, как Майкельсоном, так и другими учеными сделан вывод об отсутствии мирового эфира и постоянстве скорости света.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, одинакова во всех инерциальных системах отсчета независимо от их относительных скоростей.

Интерференция световых волн используется также в голографии – процессе сходном с фотографией, но, в отличие от нее, он содержит информацию кроме амплитуды световых волн еще и о их фазе. Такая запись информации, сделанная на светочувствительном материале называется голограммой. Она получается следующим образом (рис.71).

Кроме прямого отраженного от предмета пучка света на светочувствительный слой направляется опорный пучок. В результате интерференции получается свето-теневая картина совсем не похожая на предмет. Однако стоит направить на нее опорный пучок и появляется виртуальное объемное изображение предмета.

Рис.71