5.4. Основные фотометрические величины

При рассмотрении вопросов передачи световой энергии оптическими приборами необходимо оперировать некоторыми понятиями и величинами фотометрии.

Сила света I . Основной единицей фотометрических величин является единица сила света.

Световым эталоном силы света служит так называемый полный излучатель вида специального сосуда, заполненного расплавленной платиной при температуре затвердевания, с отверстием, которое светится как абсолютно черное тело и дающее 60 свечей с 1 см² в перпендикулярном направлении.

Световой поток F - количество световой энергии, протекающее в единицу времени через поперечное сечение пучка лучей и оцениваемое по зрительному ощущению.

И сточник света с силой в 1 свечу излучает в окружающее пространство световой поток, равный

Рис. 5.4.1

Если световой поток ограничен конусом, в вершине которого расположен источник света (рис.86), а основанием является освещаемая площадка, то

где  - телесный угол, определяемый по формуле

Единица светового потока является люмен (лм).

Один люмен равен световому потоку, испускаемому источником света с силой 1 свечу в пределах телесного угла 1 стерадиан.

Освещенность E. Освещенностью E называется величина потока, приходящегося на единицу поверхности, т.е. поверхностная плотность светового потока.

Единицей освещенности является люкс (лк). Один люкс есть освещенность поверхности площадью в 1 м², на которой равномерно распределяется световой поток в 1 люмен.

Мы имеем

Если освещенная площадка расположена под углом i к направлению луча, то

Это так называемый закон косинусов для освещенности.

Яркость B. Яркость B источника света есть сила света, излучаемая единицей светящейся площади в заданном направлении

где dS – площадь элементарной площадки; i – угол, образованный главным лучом элементарного пучка лучей с нормалью к светящейся площадке.

Единица яркости нит (нт) представляет собой яркость по направлению нормали к светящейся поверхности, площадь которой равна 1 м² и сила света рана одной свече.

Так как

то и

.

5.5. Источники излучения

Источники оптического излучения разделяются на два класса: источники теплового излучения, к которым относятся все пламенные источники и лампы накаливания и источники люминессцентного излучения, к которым относятся газоразрядные лампы.

Наибольшее распространение получили лампы накаливания, что объясняется их достоинствами: удобством эксплуатации, простотой обращения, отсутствие периода разгорания, возможность изготовления источников света в широком диапазоне мощностей, сплошным спектром излучения.

Однако, лампы накаливания имеют и недостатки, к которым можно отнести: низкая световая отдача (1-3%), несоответствие спектрального состава излучения спектральному составу солнечного света, низкое содержание коротковолнового излучения по сравнению с солнечным (в следствии недостаточно высокой температуры светящегося тела).

Рис. 5.5.1

Максимум излучения тепловых источников света (рис.5.5.1), считая их приближающимся по излучению к абсолютно черным телам, зависит от абсолютной температуры, при увеличении которой _max смещается в сторону коротких волн. Количественно этот закон был открыт Вином и называется законом смещения Вина:

,

где T – измерена в абсолютной шкале температур.

Из этого закона видно, что для ламп накаливания, при T=3000^OK, максимум излучательной способности лежит в инфракрасной области (_max=0.96 мкм).

При температуре T=6000^OK (температура поверхности солнца) максимум излучательной способности _max=0.5 мкм , что соответствует максимуму чувствительности глаза.

Интегральная энергетическая светимость абсолютно черного тела R_Э возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела:

где = 5.71^.10^-12 Вт/см²град⁴ (постоянная Стефана-Больцмана).

Это закон Стефана-Больцмана.

И, наконец, максимальная излучательная способность абсолютно черного тела r_max возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры:

где .

В настоящее время промышленностью выпускается свыше 2000 ламп накаливания. Классифицируются лампы по их назначению. К электрическим характеристикам ламп относятся: 1). Номинальное напряжение U_н, 2). Потребляемая мощность P, 3). Номинальный ток I_н. К светотехническим характеристикам ламп – 1). Полный световой поток Iн, 2). Максимальная сила света I, 3). Яркость  (для ламп прожекторного и проекционного типов). Имеются еще характеристики экономические и эксплуатационные – световая отдача

и срок службы ламп.

В оптических приборах наибольшее распространение получили лампы типов:

СЦ-61, 8 В, 20 Вт, 250 лм

СЦ-62, 12 В 100 Вт, 1750 лм.

Газоразрядные лампы по сравнению с лампами накаливания имеют более высокий коэффициент полезного действия и больший срок службы. Используются в тех случаях, когда необходимо получить монохроматическое излучение, т.к. они имеют линейчатый спектр.

К недостаткам следует отнести необходимость создания специальных довольно сложных и громоздких устройств, в ряде случаев невозможность работы на переменном токе.

К газоразрядным источникам света следует отнести ртутные, водородные, ксеоновые и т.д. лампы.