Основы фотометрии

Содержание:

Введение

ФОТОМЕТРИЯ -раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей.

Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была «свеча», которая считалась единицей силы света. Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 – лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята «международная свеча», которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540Ч1012 Гц (l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Источник испускает полный световой поток, равный 4p лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м2, т.е. одному люксу.

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2. (Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.)

Виды фотометрических измерений

Основные виды фотометрических измерений таковы:

1) сравнение силы света источников;

2) измерение полного потока от источника света;

3) измерение освещенности в заданной плоскости;

4) измерение яркости в заданном направлении;

5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами;

6) измерение доли света, отражаемой объектами.

Световой поток.

Световой поток — физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения, где под световой мощностью понимается световая энергия, переносимая излучением через некоторую поверхность за единицу времени. Иными словами, «световой поток является величиной, пропорциональной потоку излучения, оценённому в соответствии с относительной спектральной чувствительностью среднего человеческого глаза». В свою очередь величина «поток излучения» определяется как мощность, переносимая излучением через какую-либо поверхность.

Более формально световой поток можно определить как световую величину, оценивающую поток излучения по его действию на селективный приёмник света, спектральная чувствительность которого определяется функцией относительной спектральной световой эффективности излучения.

Обозначение: Фv

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): люмен (русское обозначение: лм; международное: lm).

Измерение.

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров, либо фотометрических гониометров. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях — в телесный угол 4π.

Для этого можно использовать сферический фотометр — прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения, близкий к 1. Исследуемый источник света

помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеянный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Световая отдача.

Для того, чтобы разобраться зачем она нужна световая отдача обратимся к тому, что она делает. Cветовая отдача показывает, сколько люменов видимого света дает та или иная лампа, тот или иной источник света, потребляя единицу электрической мощности, которая измеряется в Лм/Вт, то есть в люменах на один ватт. Но при этом, каждый ватт потребляемой источником

света электрической мощности приходится строго определенное количество люменов излучаемого им видимого светового потока.

Выше уже было оглашено, что человеческий глаз способен воспринимать лишь определенный, ограниченный спектр излучения как видимый, причем разные части спектра воспринимаются глазом не одинаково, то наиболее «видимым», поэтому, является свет с длиной волны 555 нм, соответствующий желто-зеленой части видимого спектра. Фиолетовый и красный – менее «видимы».

И именно из-за этого, максимальная световая эффективность может быть теоретически достигнута именно для света с длиной волны 555 нм, и при идеальном преобразовании электрической энергии в монохроматический свет с длиной волны 555 нм, может быть получена максимальная световая отдача значением 683,002 Лм/Вт. Это главная характеристика энергоэкономичности ламп и она равна отношению светового потока лампы к её мощности. Применение ламп с высокой световой отдачей – основной путь экономии электроэнергии в осветительных установках. Например, путём замены ламп накаливания, световая отдача которых 7-22 лм/Вт, компактными люминесцентными лампами (50-90 лм/Вт) можно снизить расход электроэнергии в среднем в 5-6 раз, не уменьшая уровня освещённости.

Сила света.

Сила света— физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин. Характеризует величину световой энергии, переносимой в некотором направлении в единицу времени. Количественно равна отношению светового потока, распространяющегося внутри элементарного телесного угла, к этому углу.

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кандела (русское обозначение: кд; международное: cd).

Понятие «сила света» возможно применять лишь для расстояний от источника света, существенно превышающих его линейные размеры.

Освещенность.

Освещённость — световая величина, равная отношению светового потока, падающего на малый участок поверхности, к его площади.

Е = dФ/ds

Освещённость
{\displaystyle E_{v}} Ev
Размерность	J · L−2
Единицы измерения
СИ	лк
СГС	фот

Это поверхностная плотность светового потока, падающего на площадку заданной величины. Единица освещённости – люкс [Лк]. Одна из самых главных величин в нормах освещения. Чаще всего нормируется горизонтальная освещённость (в горизонтальной плоскости).

Диапазон уровней освещённости составляет при искусственном освещении от 1 до 20 Лк на улице и от 20 до 5000 Лк в помещении. В природных условиях освещённость E=0,2 Лк в полнолуние, 5000 – 10000 Лк днём при сплошной облачности и до 100000 Лк в ясный солнечный день.

Освещенность измеряется в люксах (лк): 1 лк =1 лм/м2 . Освещенность площадки d таким источником, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до точки наблюдения.

Яркость.

Яркость источника света— световой поток, посылаемый в данном направлении, делённый на малый (элементарный) телесный угол вблизи этого направления и на проекцию площади источника на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Иначе говоря — это отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения.

Единица яркости – кд/м2. Яркость непосредственно связана с уровнем зрительного ощущения, а распределение яркости в поле зрения (например, в интерьере) характеризует качество освещения. В полной темноте человек реагирует на яркость в одну миллионную долю кд/м2. Сплошной светящий потолок при яркости более 500 кд/м2 оказывает дискомфортное влияние. Яркость солнца – около 1 000 000 000 кд/м2, а люминесцентной лампы – 5-11 тысяч кд/м2.Светимость и яркость являются взаимно связанными фотометрическими величинами.

В Международной системе единиц (СИ) измеряется в канделах на м². Ранее эта единица измерения называлась нит (1нт=1кд/1м²), но в настоящее время стандартами на единицы СИ применение этого наименования не предусмотрено.

Коэффициенты яркости и отражения.

Коэффициент яркости (r) – отношение яркости этой поверхности в некотором определенном направлении к яркости идеального рассеивателя, находящегося в тех же условиях освещения. Идеальный рассеиватель это ортотропная поверхность полностью отражающая падающий поток равномерно во всех направлениях .

r = B2 / B1

где В1 – яркость идеального рассеивателя, а В2 – яркость поверхности.

Коэффициент отражения (p) - отношение полного потока отраженного от поверхности во всех направлениях (F2), к полному потоку излучения падающего на поверхность (F1).

p =F2 / F1, т.е.

p = Radiance всех направлений/ Irradiance

Коэффициент отражения — безразмерная физическая величина, характеризующая способность тела отражать падающее на него излучение. В качестве буквенного обозначения используется греческая p или латинская R.

Характеризует способность тел зеркально отражать падающее на них излучение. Количественно определяется отношением зеркально отраженного потока излучения Фr к падающему потоку.

Коэффициенты отражения некоторых отделочных материалов:

-белая краска (0,7 – 0,8)

- светлые обои ( 0,5 – 0,7)

- белый мрамор – 0,45

- красный кирпич – 0,3

- темное дерево (0,1 – 0,25)

- асфальт – 0,07

Оптическая плотность.

Оптическая плотность— мера ослабления света прозрачными объектами (такими, как кристаллы, стекла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография, металлы и т. д.).

Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося от него), то есть это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения)

Закон обратных квадратов

- нужен для того чтобы, что-то снять в студии. Он нужен для понимания, что и как увеличит освещенность модели, а что наоборот уменьшит ее. Закон обратных квадратов учит тому, как свет работает на расстоянии и почему расстояние между источником света:

Сила света будет обратно пропорциональна квадрату расстояния. Если мы возьмем расстояние 2 м, квадрат его будет равен 4. Обратная величина которого соответственно – 1/4, т.е. до объекта съемки дойдет лишь четверть мощности освещения от источника света, а совсем не половина, как кажется изначально.

Логично, что только находясь в непосредственной близости от источника света, можно получить максимально возможное количество энергии. Исходя из этого, чтобы экспозиция была правильной (при условии, что используется постоянная скорость затвора), при размещении предмета очень близко к свету, необходимо устанавливать диафрагму около F16, чтобы блокировать все излишки света. С другой стороны, если объект съемки находится на более значительном расстоянии от света, то диафрагму следует открывать порядка F4, для правильной передачи изображения.

Ламберта закон или закон косинусов

– закон в оптике, согласно которому радиальная интенсивность излучения от ламбертовской поверхности (излучателя) прямо пропорциональна косинусу угла между направлением на наблюдателя и нормалью к поверхности. Закон также известен как закон излучения косинусов и закон излучения Ламберта. Назван в честь Иогана Хенрика Ламберта, впервые опубликовавшего закон в работе "Фотометрия" в 1760г.

Ламбертовский излучатель – это такой излучатель, у которого яркость постоянна и не зависит от направления (то есть не зависит от положения точки на поверхности и от угла наблюдения). Если опустить понятие ламбертовского излучателя, то закон косунусов для плоскости будет звучать так:

Плоская поверхность, имеющая одинаковую яркость по всем направлениям, излучает свет, интенсивность которого изменяется по закону косинуса

I = I0cosθ,

где I0 – интенсивность излучения в направлении нормали к поверхности, θ – угол между направлением на наблюдателя и нормалью к поверхности.

В частном случае сферического излучателя cosθ=0, тогда сила света от сферического ламбертовского источника постоянна во всех направлениях:

I = I0 = const.

Заключение

В настоящее время закон Ламберта рассматривается как схема идеального рассеяния света, удобная для теоретических исследований. В действительности, закон Ламберта строго справедлив только для абсолютно черного тела, и лишь немногие реальные тела рассеивают свет без значительных отступлений от закона Ламберта даже в видимой области спектра. К ним относятся матовые поверхности гипса, окиси магния, сернокислого бария и другие; из мутных сред – некоторые типы облаков и молочных стекол; среди самосветящихся излучателей – порошкообразные люминофоры. Тем не менее, закон Ламберта находит применение не только в теоретических работах, но и для приближённых фотометрических и светотехнических расчётов.

Источники.

https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/FOTOMETRIYA.htm

https://gis-lab.info.

Wikipedia

Различные научные пособия