Основные энергетические и световые величины. Фотометрия

Из сказанного выше ясно, какую большую роль играют энергетические характеристики оптических поле. В частности, переносимая волной средняя мощность, т.к эта величина доступна экспериментальному измерению. Раздел оптики, изучающий энергетические характеристики света называется фотометрией. Дадим определение тем величинам, которые фигурируют в измерительной практике. Их выбор обусловлен особенностями приемников. А также возможностью осуществления эталонов для воспроизведения этих величин.

а) Поток лучисто энергии (поток излучения). Пусть dw энергия, приходящая за dt время на площадку ds. Величина, показывающая количество световой энергии, проходящее через ds за единицу времени называется потоком излучения:

dФ= [Вт]

Полный поток через замкнутую поверхность:

Ф= _s∫dФ

б) Сила света. В конусе опираюәемся на ds в любом сечение один и тот же поток: сечение конуса сферической поверхностью с центром в L и с радиусом =1 дает меру телесного угла конуса.Если нолрмаль n к поверхности ds составляет угол I с осью конуса, то :

dΩ=

Величину потока, приходящего на единицу телесного угла называется силой света:

I= [Вт]

в)Освеещенность. Е- величина потока, проходящегося на единцу поверхности:

Е= [ ]

Е= для точечного источника.

г) Яркость источника. В.- есть величина, характеризующая излучение светящеся поверхностьи по данному направлению.Видимая поверхность элемента ds в направление оси есть ds cosi. Пусть поток в угле dΩ есть dФ, тогда он пропорцианален видимой поверхности и величине телесного угла.

Коэффициент пропорциональности зависит от свойств излучающей поверхности ,т.е.

₌

Таким образом, яркостью в данном направлении называется поток, посылаемы в данном направлении, единице видимо поверхности внутрь единичного телесного угла.

Для некоторых источников яркость может не зависеть от направления (т.к. они подчиняются закону Ламберта (немецкий физик ((1728-1777 гг)), косинуюндальные источники.

т.к I= , то I= B cosi ds если В не зависит от i.

д) Светимость.R –суммарны поток, посылаемый единицей поверности по всем направлениям : R= Ф/ S

=BcosӨ dΩ R[ ]

интеграл по всем направлениям = R

R=B ₀ ∫³⁶⁰ dφ₀∫⁹⁰cos ӨdӨ=Bπ для Ламбертового источника.

Световые величины.Энергитические характеристики

Являются малопригодными для описания восприятия света газом, т.к. чувствительность глаза к одинаковым потокам излучения с разной λ неодинакова и, кроме того, с помощью глаза нельзя установить абсолютное значение потока излучения, а только определить равенство освещенности двух областей поля зрения.

Для проведения таких сравнительных экспериментов применяют фотометр.

Варьируя расстояние до источников можно уравнять освещенности :

Е₁₌

E₀₂₌

Если один из источников эталонный, то отсюда можно найти силу света другого.

Зависимость относительно спектрально чувствительности глаза от λ называется кривой видности. По графику видно, что зрительные ощущения разные для разных λ.

Целесообразно поэтому для измерения потока ввести также единицы, которые учитывали бы специфику восприятия глаза (световые единицы).

За основу принимается сила света (каидела кд)= сила света излучаемого в направлении нормам с см² поверхности эталонного источника.

Единицей светового потока является люмен (лм)- поток, посылаемы источником с силой света 1кд внутрь телесного угла в 1 ср.

В области наилучшей видимости при мощности 1 Вт глаз воспринимает излучение как световой поток =625лм.

Отношение святого потока в ваттах к эквиваленту потоку в лм на длине

λ =0,55 мкм называется механическим эквивалентом света = 0,0016 Вт/лм.

Освещенность – люкс (лк) при которой на 1м² поверхности равномерно распределен световой поток в 1 лм.

Яркость – служит яркость площадки дающая силу света в 1кg с каждого м² перпендикулярно площадке, т.е .

Кроме этой единицы:

нит нт 1

стимьб сб 10⁴

аностильб асб

ламберт лб

Светимость – в моментах на м² [ ]

Световой поток Ф момен Ватт

Сила света I кандела

Яркость В кg/ м²

Светимость R момен/ м² [ ]

Освещенность Е люкс [ ]

Интерференция света.

Наблюдая отражение белого света от тонких, прозрачных пленок. Можно заметить, что их поверхности имеют характерную радужную окраску.

Явление, возникающее при сложении световых волн в пространстве и состоящее в том, что интенсивность результирующей световой волны в различных точках может быть больше или меньше суммы их интенсивностей, называется интерференцией света.

Сложение колебаний, понятие о когерентности.

При сложении двух гармонических колебаний одной частоты:

проходящих по одному направлению, получиться вновь гармонические колебания той же частоты:

Найдем А и Q:

Представим колебания в виде вращающих векторов.

В момент времени t=0 проекция на оси x и у:

Тогда:

Тогда определяется θ.

Из

Таким образом, квадрат амплитуды результирующего колебания не равен сумме квадратов амплитуд складывающихся колебаний. Т.е. энергия результирующего колебания не равен сумме складывающихся колебаний. Результат сложения зависит от разности фаз и может иметь любое значение от при до при

Практически мы никогда не имеем дела со строго гармоническими колебаниями. Обычно колебания времени от времени обрываются и возникают вновь уже с иной фазой. В таком случае и результирующая интенсивность также меняется. Однако чтобы эти изменения зарегистрировать нужно, применить прибор, который реагировал бы достаточно быстро. Иначе мы будем реагировать только некоторое среднее во времени значение I (или <I>).

τ – интервал времени ~ (время наблюдения)

Если неизменно в течении времени наблюдения τ, то

При случайных измерениях ψ

Таким образом, сложение 2-х колебаний надо различать два случая:

1.Разность фаз сохраняется неизменной за время τ достаточное для наблюдений. Тогда и колебания называются когерентными. Сложение колебаний, при котором не имеет места суммирование интенсивностей, называется интерференцией.

2.Разность фаз беспорядочно меняется за время наблюдения. .

Колебания некогерентные

Таким образом, мы говорим об интерференции волн, когда при их совместном действии не происходит суммирование интенсивностей. Условием интерференции является их когерентность, т.е. сохранение неименной разности фаз за время, достаточное для наблюдений.

Результат интерференции определяется разностью фаз интерферирующих волн в месте наблюдения, а эта разность зависит от разности фаз и от разности расстояний, отделяющих точку наблюдения от источников каждой из волн.

Пусть волны имеют одинаковую линейную поляризацию. Т.к.

То для 2-х когерентных волн, имеющих одинаковые амплитуды.

, где φ начальная разность фаз.

В точке М

Т.к. , то

Таким образом, в точке М амплитуда будет:

,

А интенсивность:

.

Так как для когерентных волн , то различие интенсивности света в разных точках зависит только от разности хода . Выразим разность хода через длину волны . Пусть φ=0 тогда

целые m

полу целые m

Таким образом, в зависимости от разности хода в различных точках будут получаться различные I.

Отметим, что точки, соответствующие постоянной разности хода располагаться на гиперболах. Но точечные источники излучают во все стороны. Но точечные источники излучают во все стороны. Поэтому пространственная картина интерференции обладает круговой симметрией относительно оси у. Таким образом, поверхности содержащие точки с постоянной Δ являются гиперболоидами вращения. На экране в плоскости х=Д получиться семейство гипербол, а на экране в плоскости у=Д получается окружности.