§2 Шкала электромагнитных волн

N п/п	Вид излучения	, м	, Гц	Источники излучения
1 2 3 4 5 6 7 8	Сверхдлинные инф-ранизкочастотные) радиоволны Длинные, средние, короткие, ультрако-роткие радиоволны СВЧ-волны Инфракрасное излу- чение Видимый свет (крас-ный – фиолетовый) Ультрафиолетовое излучение Рентгеновские лучи Гамма-излучение	>104 104101 101510-4 510-47,610-7 7,610-73,810-7 3,810-7210-9 210-9610-12 <610-12	<3104 31043107 310761011 610113,751014 3,7510147,51014 7,510141,51017 1,5101751019 >51019	Генераторы инфра-низких частот; возму-щения магнитосферы Земли Открытый колебатель-ный контур Клистроны, СВЧ-гене-раторы Мазеры, тепловое из-лучение тел Лампы накаливания и дневного света; лазеры Газоразрядные лампы, лазеры Трубка рентгена, синх-ротронное излучение Радиоактивный распад, ядерные реакции

§3 Основные фотометрические величины и единицы их измерения

Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, связанных с такими потоками.

Величины, характеризующие энергетическую сторону излучения электромагнитных волн, измеряются общими энергетическими единицами, которые используются для измерений энергии, потока энергии и т.п. В прикладной светотехнике существенна не только объективная энергетическая характеристика интенсивности излучения, но и мера его воздействия на глаз наблюдателя. Так, например, тело, нагретое до 400 °С, является интенсивным источником инфракрасных лучей, но эти лучи невидимы и интенсивность их зрительного восприятия будет равна нулю.

Поэтому приходится вводить двойные единицы измерения: энергетические (оцениваемые по объективным энергетическим характеристикам) и светотехнические (оцениваемые по воздействию на глаз).

Поток лучистой энергии (поток излучения). Для решения пространственных задач распространения излучения существенно вспомнить понятие о телесном угле. Мерой телесного угла является отношение площади ₀ участка, вырезаемого конусом по поверхности сферы, к квадрату ее радиуса r²(рис. 3.1):

(3.1)

Рис. 3.1. К определению понятия потока излучения

За единицу телесного угла принят стерадиан (ср). Телесный угол в один стерадиан вырезает на поверхности сферы участок, площадь которого равна квадрату радиуса сферы. Наибольший телесный угол (полный) равен 4л ср (площадь всей поверхности сферы 4r²), а безграничная плоскость видна из любой точки пространства под углом 2 ср. Площадка , нормаль к кото­рой n составляет угол  с радиусом r, проведенным из центра точечного источника L (см. рис. 3.1), видна из L под телесным углом

(3.2)

Количество энергия Е, протекающей через площадку  за единицу времени, называется потоком лучистой энергии через поверхность .

(3.3)

Таким образом, выделенная часть потока излучения приходится на телесный угол . При этом предполагается, что линейные размеры площадки  малы по сравнению с r, так что — небольшая величина и внутри поток излучения можно считать равномерным. Полный поток, идущий от L по всем направлениям, равен

(3.4.)

Поток лучистой энергии является основным понятием, необходимым для оценки энергии, проникающей в измерительные приборы. Измеряется поток излучения в единицах мощности — ваттах (Вт).

Сила света. Источник света, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от места наблюдения до источника, называется точечным. В однородной и изотропной среде волна, излучаемая точечным источником, будет сферической. Для характеристики точечных источников света применяется энергетическая сила света I, которая определяется как поток излучения источника, приходящийся на единицу телесного угла в данном направлении:

(3.5)

( - световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла ).

В общем случае сила света зависит от направления. Если I не зависит от направления, источник света называется изотропным. Для изотропного источника

(3.6)

где Ф — полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям.

В случае протяженного источника можно говорить о силе света элемента его поверхности dS. Тогда под в формуле (3.5) следует понимать световой поток, излучаемый элементом поверхности dS в пределах телесного угла .

Величина потока излучения Ф_е является постоянной для данного источника и не может быть увеличена никакими оптическими устройствами. С помощью оптических систем можно лишь перераспределить поток по некоторым избранным направлениям. Такое перераспределение происходит, например, в прожекторах, когда с помощью параболического зеркала удается увеличить силу света в одном направлении в тысячи раз за счет сильного ее уменьшения во всех других направлениях.

Сила света измеряется в ваттах на стерадиан (Вт/ср).

Яркость. Большинство источников излучения являются протяженными и характеризуются понятием поверхностной яркости (или просто яркости). Энергетическая яркость В_е представляет собой силу света, приходящуюся на единицу площади проекции поверхности источника на направление, перпендикулярное к направлению распространения (или наблюдения) излучения.

Выделим на поверхности источника площадку с (рис. 3.2) и рассмотрим поток излучения dФ_е, испускаемый этой площадкой в направлении, составляющем угол φ с нормалью n, в пределах малого телесного угла . Этот поток пропорционален телесному углу, зависит от величины площадки , угла φ и от того, насколько ярко светится поверхность. Для того чтобы установить зависимость потока от угла φ, предположим, что величина потока dФ_е определяется видимыми размерами площадки , т.е. размерами ее проекции _n на плоскость, перпендикулярную к направлению распространения потока. Тогда

(3.7)

Величина B_e(φ) носит название яркости источника по направлению, определяемому углом φ. Таким образом, B_e(φ) зависит от направления. Однако имеются источники, для которых B_e(φ) не зависит от направления, т. е. B_e(φ) = const, Тогда

(3.8)

Рис. 3.2. К определению яркости

Формула (3.8) представляет собой выражение закона Ламберта, который гласит, что сила света в направлении, составляющем угол φ с нормалью к поверхности, пропорциональна косинусу этого угла. Поверхности, подчиняющиеся закону Ламберта, называются диффузно светящимися (ламбертовыми). Из закона Ламберта следует, что максимальная сила света, излучаемая диффузно светящейся поверхностью, наблюдается в нормальном направлении и равна нулю по касательной к поверхности. Яркость для поверхностей, подчиняющихся закону Ламберта, не зависит от направления.

Закон Ламберта строго справедлив только для излучения абсолютно черного тела. Излучение Солнца, матированных поверхностей, мутных сред (молочное стекло, облака и т.п.) приближенно подчиняется закону Ламберта.

Яркость измеряется в ваттах на стерадиан-квадратный метр (Вт/(ср-м²)).

Светимость. С понятием яркости тесно связано понятие светимости R_е, представляющей собой полный поток излучения с единицы поверхности источника, посылаемый наружу по всем направлениям (в телесном угле 2). Таким образом, энергетическую светимость можно выразить следующим соотношением:

(3.9)

Для источников, подчиняющихся закону Ламберта

(3.10)

Светимость характеризует плотность излучения и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Освещенность. Поток лучистой энергии может исходить от тел не только в результате того, что они являются самостоятельными источниками, но и в результате рассеяния или отражения излучения, испускаемого другими источниками. Поэтому существенно знать, какое количество излучения падает на ту или иную часть облучаемого тела. Для этого вводится величина, называемая освещенностью. Понятие освещенности (облученности) относится уже не к источникам излучения, а характеризует интенсивность лучистой энергии, падающей на облучаемую поверхность. Величина энергетической освещенности Е_е численно равна величине потока, приходящегося на единицу освещаемой поверхности:

(3.11)

Если произвольно ориентированная в пространстве площадка  освещается источником L, то

, (3.12)

Где r – расстояние от источника до площадки,  - угол между направлением лучей и нормалью к площадке.

В формуле (3.12) заключены два так называемых закона освещенности:

1) освещенность площадки обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника (закон обратных квадратов);

2) освещенность площадки прямо пропорциональна косинусу угла между направлением лучистого потока и нормалью к площадке (закон косинуса).

Для расчета освещенности в случае протяженных источников необходимо разбить их поверхности на элементарные участки (достаточно малые по сравнению с r) и, определив освещенность, создаваемую каждым из них по закону обратных квадратов, проинтегрировать затем по всей площади источника, приняв во внимание зависимость силы света от направления. При очень больших расстояниях по сравнению с размерами источника можно считать весь источник точечным и пользоваться законом обратных квадратов. Это упрощение дает хорошие результаты, если линейные размеры источника не превышают 1/10 расстояния от источника до освещаемой поверхности.

Освещенность, как и светимость, измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Все представленные фотометрические величины дают объективную энергетическую характеристику излучения. Количественно определить эти величины можно при помощи такого приемника, который одинаково воспринимал бы лучистую энергию при различных длинах волн падающего излучения. Такими неселективными приемниками являются тепловые приемники (термоэлементы, болометры), реагирующие на всю падающую на них энергию и превращающие ее в тепловую, которую можно измерить количественно.

Наряду с интегральными энергетическими характеристиками излучения имеют важное значение и спектральные характеристики, представляющие собой функции распределения энергии (или другой величины) по длинам волн или частотам.

Световые измерения имеют ту особенность, что в них большую роль играют непосредственные ощущения, т.е. они, строго говоря, не вполне объективны. Так как при световых измерениях нас интересует только та часть общего потока лучистой энергии, которая непосредственно воздействует на человеческий глаз (интервал 400— 700 нм), то обычные энергетические характеристики излучения являются уже недостаточными.

Практическая светотехника выдвигает много вопросов, относящихся к спектральному составу света, созданию источников подходящего спектрального состава (источников «естественного» света), сравнению источников с различным спектральным составом и т.п Очевидно, нужны какие-то единые способы сравнения и измерения величин, которые должны характеризовать источники света и условия освещения.

Казалось бы, целесообразно обратиться к естественному солнечному свету, взяв его за образец для сравнения. Однако понятие естественного дневного света весьма расплывчато. Время года, время суток, географическая широта, высота над уровнем моря, погода, чистота атмосферы и другие факторы в широких пределах изменяют количественный и качественный состав солнечного света. Ясно, что необходимо выбрать какой-то искусственный источник света и принять его в качестве международного образца Причем желательно иметь такой источник, световое излучение которого определялось бы возможно более общими физическими законами. Поскольку самым универсальным излучателем является абсолютно черное тело, его излучение и было принято в качестве эталонного.

Светотехнические величины

Сила света. Единица силы света — кандела (кд) является одной из основных единиц. Ее значение принимается таким, чтобы яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины была равна 60 кд на 1 см². Под полным излучателем понимается устройство, обладающее свойствами абсолютно черного тела.

Световой поток. Световой поток определяется как мощность светового излучения, оцениваемая по его действию на нормальный глаз. Это определение подчеркивает субъективный физиологический характер светотехнических величин За единицу светового потока в системе СИ принимается люмен (лм). Он равен световому потоку, излучаемому изотропным источником с силой света в одну канделу в пределах телесного угла в один стерадиан: 1 лм = 1 кд-1 ср

Яркость. Яркостью в системе СИ называется отношение силы света в 1 кд к площади светящейся поверхности в 1м².

Светимость. В системе СИ за единицу светимости (светности) принимается светимость источника, каждый квадратный метр которого дает световой поток в один люмен (лм/м²).

Освещенность. Единица освещенности в системе СИ люкс (лк). Это освещенность поверхности, на каждый квадратный метр которой падает световой поток в один люмен: 1 лк=1 лм/1 м²

Опытным путем установлено, что световому потоку в 1 лм, образованному излучением с длиной волны  = 0,555 мкм, соответствует поток энергии в 0,0016 Вт. Световому потоку в 1 лм, образованному излучением с другой , соответствует поток энергии

Ф, = 0,0016/V() Вт., где V() – функция видности.