Автор Анна Евкова
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Основы фотометрии (Основные положения фотометрии)

Содержание:

Основы фотометрии

Основные положения фотометрии

Фотометрия - раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. Она объясняет нам то, что свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз.

Существуют разные виды фотометрических измерений:

(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.

Так же существует оптическая область спектра. Спектр излучения - совокупность излучений, расположенных в ряд в порядке изменения длины волны.

Оптическая область спектра излучения делится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную, давайте разберёмся в них:

(1)Ультрафиолетовое излучение — это оптическое излучение в пределах длин волн от 100 нм до 380 нм. Ультрафиолетовое излучение разделяется на три группы:

1) - от 315 нм до 380 нм;

2)- 280-315нм;

3)- 100- 280 нм.

(2)Видимое излучение — электромагнитные волны, которые воспринимаются человеческим глазом.

Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно.

Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (790—750 ТГц),

а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (395—385 ТГц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).

Такие оттенки, как розовый, бежевый или пурпурный образуются только в результате смешения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн. Поэтому не всем цветам, которые различает человеческий глаз, соответствует какое-либо монохроматическое излучение

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — это область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо

(3)Инфракрасное излучение - оптическое излучение в пределах длин волн от 780 нм до 106 нм. Инфракрасное излучение делится на три труппы:

1) - 800 -1400 нм (короткие волны);

2)- 1400 - 3000 нм (средние волны);

3)- 3000 -10000 нм (длинные волны).

Характеризует мощность видимого излучения по её воздействию на глаз человека в специальных единицах – люменах [Лм]. Световой поток является важнейшей характеристикой ламп. Обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1300 Лм, а металлогалогенная лампа мощностью 70 Вт – 6000 Лм.

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

Силой света можно назвать пространственная плотность светового потока, ограниченная телесным углом или световым потоком в единице телесного угла с центром на поверхности источника излучения. Единица измерения силы света – кандела [кд]. Кандела – это сила света, испускаемого с 1/60 см2 поверхности эталонного источника в направлении нормали.

Световой поток определяется как произведение силы света источника на величину телесного угла, в котором распространяется излучение:

dΦ =ldΩ

Распределение силы света в пространстве ( кривая силы света, КСС) – одна из важнейших характеристик осветительных приборов, необходимых для расчёта освещения. КСС светильников обычно приводится в полярных координатах для условной лампы со световым потоком 1000 лм, т.е. в кд/кЛм. В виде константы принято излучение абсолютно черного тела при температуре затвердевания чистой платины (2042 К).

Освещённость

Освещенность это физическая величина, равная световому потоку, приходящему на единицу площади освещаемой поверхности:

Е = dФ/dσ

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), можно представить следующим образом (рис. 1):

E=dФ/ dσ=Jd Ω/ dσ=lcosi/R 2

Яркость

Для матовых (диффузных или равноярких) поверхностей эта величина пропорциональна поверхностной плотности отраженного или излучаемого этой поверхностью светового потока. В более общем виде она равна отношению силы света в направлении точки наблюдения к видимой из этой точки площади светящей поверхности (проекции).

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

Субъективное ощущение яркости, вызываемое источником света со спектральной плотностью излучения , определяется его световым потоком, который выражается как

              где  - относительная световая эффективность, a  - постоянная. Если световой поток измерять в люменах, то  лм/Вт. Источник монохроматического света мощностью 1Вт, длина волны которого соответствует максимуму кривой относительной световой эффективности (т. е. при  нм), дает световой поток 685 лм.

Коэффициенты отражения [ρ] и пропускания [τ]
Определяются как отношение отраженного [ρ] или пропущенного [τ] материалом светового потока к упавшему световому 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

При светлой отделке помещений (особенно при малых по отношению к высоте размерах) очень заметно возрастают уровни освещенности. Коэффициент отражения фона, на котором рассматривается объект, входит в число показателей, характеризующих условия зрительной работы на рабочем месте. По нормам России фон считается светлым при коэффициенте отражения более 0,4, средним – от 0,2 до 0,4 и тёмным – менее 0,2. При увеличении коэффициента отражения фона – видимость объекта улучшается.

Оптическая плотность

Оптическая плотность - десятичный логарифм отношения падающего и прошедшего излучения через площадку определённой толщины. Обозначается буквой D. Выражение D=5 означает, что свет, падающий на площадку после прохождения сквозь неё, был ослаблен в 105 раз.

Оптическая плотность — мера непрозрачности вещества, равная десятичному логарифму отношения потока излучения Fо, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения F, ослабленного в результате поглощения и рассеяния:

D=lg(Fо/F).

Оптическая плотность — логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту. Понятие оптической плотности впервые было введено Р. Бунзеном. Оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и пленках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол), в светофильтрах, оптических изделиях. Оптической плотностью пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы ее измерения составляют содержание отдельной дисциплины — денситометрии.

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 избражения.

Световой поток

Одним из аспектов является поток излучения или световой поток, характеризует мощность видимого излучения по её воздействию на глаз человека в специальных единицах – люменах [Лм]. Световой поток является важнейшей характеристикой ламп, ведь обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1300 Лм, а металлогалогенная лампа мощностью 70 Вт – 6000 Лм.

Так что же такое световой поток? Световой поток – это мощность, с которой излучение действует на какую-либо поверхность. Система единиц (СИ) обозначает поток буквой Ф, единицу измерения – 1 люмен (лм; lm).

Когда поток света в 1 лм падает на освещаемый участок площадью в 1 м², получается освещённость в 1 лк. Освещённость обозначают буквой Е, измеряют в люксах (лк). Её можно рассчитать по формуле:

Е = Ф/S,

где:

Ф – светопоток, лм;

S – площадь поверхности, мм2.

Разницу между этими двумя физическими величинами понимают так: 1 люкс = 1 лм/м² освещаемой поверхности.

Единицы измерений светового потока 1 люмен – это свет, отдаваемый излучателем с силой в 1 кд в рамках телесного угла в 1 стерадиан. Обозначается буквой Ф. (Лампа с нитью накаливания в 100 Вт выдаст поток света, равный 1000 лм. Чем ярче светильник, тем он больше люмен выдаст.)

Небольшой перечень приборов, которые применяются для измерения:

(1)портативный люксметр;

(2)сферический фотометр;

(3)люксметр-пульсметр.

Ламберта закон или закон косинусов

закон в оптике, согласно которому радиальная интенсивность излучения от ламбетовской 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.

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.

Факторы определяющие яркость отражающей поверхности

Факторами, определяющими яркость отражающей поверхности являются  Пропускание, поглощение и отражение света покрытиями

Оптическую область спектра электромагнитных колебаний чаще всего воздействующих на лакокрасочные покрытия, составляют видимые лучи (l= 7,2×102¸3,8×102 нм), инфракрасное   

(l = 4×105¸7,2×102 нм) и ультрафиолетовое излучение (l= 3,8×102¸2×10 нм). Закономерности преломления, поглощения и отражения этих лучей при прохождении через систему внешняя среда-пленка-подложка одинаковы; результаты различаются только в количественном отношении.

Оптические свойства лакокрасочных покрытий характеризуются коэффициентами отражения P, пропускания T и поглощения a:

 p=фp; T=ФТО; a=Фаo

где Фо,
ФР,
ФТ,
Фа- падающий, отраженный, пропущенный и поглощенный потоки излучения соответственно.

При характеристике терморегулирующих свойств покрытий важны также коэффициенты излучения и преломления (отношение скоростей света в вакууме и в среде).

Лакокрасочные покрытия являются оптически неоднородными средами. Это обьясняется особенностями их структуры, наличием пигментов и наполнителей, несовместимых компонентов и примесей, что предопределяет для таких покрытий объемное светорассеяние. Также изменение светового потока вызывает подложка, особенно заметное при толщине покрытий до 20 мкм.

Одним из важнейших факторов, изменяющим оптические свойства, является рельеф поверхности покрытий. В зависимости от свойств поверхностей покрытия и подложки будет преобладать диффузионное или зеркальное отражение. Факторы меняющие оптические свойства:

(1)Влияет блеск покрытий. Блеск (глянец) покрытий определяется их отражательной способностью. На практике наибольший интерес представляют покрытия с предельными значениями отражательной способности: высокоглянцевых (максимальный глянец), и глубокоматовых (минимальный глянец). Блеск пигментированных и непигментированных покрытий в большей степени зависит от шероховатости их поверхностей Блеск зависит от природы лакокрасочного материала. Наибольшим блеском характеризуются покрытия, сформированные из растворов и расплавов пленкообразователей. Флокуляция пигментов в момент пленкообразования, приводящая к отслаиванию лака в поверхностном слое, увеличивает блеск покрытий.

Применение же дисперсных материалов, красок с повышенной тиксотропией, большим содержанием пигментов и со специальными матирующими добавками (аэросил, воски, стеараты металлов и др.) приводит к образованию полуматовых, матовых или глубокоматовых покрытий. Непигментированные матовые покрытия получают при использовании специальных лаков. Матирование возможно и использованием чисто технологических приемов: нанесением лаков и красок пневмораспылением при повышенном давлении, обработкой покрытий.

В соответствии с ГОСТ 9032-74 покрытия по внешнему виду (блеску в %) делятся на

высокоглянцевые ³60;

глянцевые                50-59

полуглянцевые        37-49;

полуглянцевые        20-36;

матовые                     4-19;

глубокоматовые          £ 3.

Покрытия с высоким блеском используются для отделки мебели, бытовой техники, музыкальных инструментов, автомобилей и др. Матовые покрытия используются в приборостроении, строительстве и др.

Лакокрасочная промышленность выпускает широкий ассортимент матовых и полуматовых эмалей на основе мочевиноформальдегидных, алкидных, эпоксидных, виниловых, полиакрилатных олигомеров (МЧ-240М, МЧ-240ПМ, ПФ-19М, ПФ-214М, ПФ-214ПМ, ЭП-716, ХС-1107М, ХС-1107ГМ, АК-512 и др.).

(2)Прозрачность покрытий. В видимой области спектра прозрачны только непигментированные покрытия, но за ее пределами прозрачность возможна и в пигментированных покрытиях.

Факторы прозрачности в видимой области - чистота лицевой и оборотной поверхностей пленки (или подложки) и степень ее однородности. Содержание в пленкообразователе несовместимых с ним веществ (воздух, выпавший сиккатив и другие примеси, кристаллические дискретные образования) с показателем преломления, отличным от показателя преломления пленкообразователя, снижает светопропускание покрытий, делает их опалесцирующими или недостаточно прозрачными.

Свойства пленкообразователей для прозрачных покрытий - чистота, однородность состава, бесцветность должны длительно сохраняться при эксплуатации покрытий. Этими свойствами в полной мере обладают полиакрилатные, полиарилатные, полистирольные, полиэфирные, поливинилацетатные, этилцеллюлозные, мочевино - и циклогексанонформальдегидные пленкообразователи. Лаки на их основе надежно зарекомендовали себя при отделке полиграфической продукции, изделий из древесины, при лакировании картин, защите оптики.

В ИК-области наиболее прозрачны полимеры без структурных связей, способные к проявлению больших колебаний: полимеры и сополимеры фторолефинов, полиолефины, поливинилхлорид. В ближней ИК-области хорошо пропускают лучи и многие другие пленкообразователи, причем их спектральные характеристики мало зависят от присутствия пластификаторов и остаточного растворителя, но пигменты и наполнители снижают прозрачность.

(3)Цвет и видимость покрытий. Цветовые характеристики покрытий (кроме битумных) создаются в основном за счет пигментов или газонаполнения. При этом кроющая способность определяется разностью показателей преломления пигмента (или газа) n1 и пленкообразователя n2. По Френкелю доля монохроматического светового потока R, прошедшего через границу раздела, равна

 

а цвет покрытий - степенью избирательного (селективного) поглощения и отражения падающего на них света.

Показатель преломления большинства непигментированных пленок на границе с воздухом составляет - 1,48 (для поливинилацетатных); - 1,60 (для эпоксидных); для белых пигментов и наполнителей - 1,6-2,7.

Кроющая и отражательная способность (при постоянстве состава пигментной части) выше у тех покрытий, которые изготовлены на основе пленкообразователей с более низкими показателями преломления. Это определяет видимость покрытий. Для расчетов освещенностей различных поверхностей порой очень удобно рассматривать источники света как точечные. Но в реальности точечных источников света не бывает, они всегда имеют какой-то определенный размер и собственную форму. Светильник, люстра, торшер, прожектор и т. д. - это реальные, то есть не точечные источники света, которые нельзя охарактеризовать только силой света.

Наряду с задачей концентрации светового потока нередко возникает потребность распределения этого потока на большую площадь с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой цели обычно заставляют световой поток отражаться и рассеиваться соответствующими поверхностями. Однако надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока отражается или пропускается телом, часть же неминуемо поглощается.

Тот факт, что мы видим тела, связан с тем, что они различным образом отражают, преломляют и поглощают падающий на них свет. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает меньше света, чем окружающие его тела, то оно будет казаться нам темным. Например, белая бумага отражает свет сильнее, чем серый картон, и кусочек картона на листе бумаги кажется нам темным. Этот же кусочек картона, если его положить на черный бархат (очень слабо отражающее тело), кажется нам светлым. Тело, отражающее свет так же, как и окружающий фон, сливается с этим фоном.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, частично в прошедшем через них свете. Рассматривая, например, такой, казалось бы, простой предмет, как граненая стеклянная пробка от графина, мы имеем дело с рядом сложных явлений: свет частично отражается от граней пробки или рассеивается, если ее грани матированы; часть света проходит сквозь пробку, преломляясь на ее поверхности. Если вполне прозрачное тело погрузить в жидкость с тем же показателем преломления, как у данного тела, то оно станет невидимым, так как световые лучи пройдут через него, не изменяя ни своего направления, ни интенсивности.

Кратность светофильтра

Кратностью светофильтра называется число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить экспозицию при съемке со светофильтром по сравнению с экспозицией без светофильтра. Значения диафрагмы объектива для съемки со свето-фильтром производится по формуле:

n x = n / sqrt(k)

где n х — новое значение диафрагмы для съемки со светофильтром; n — значение диафрагмы для получения правильной экспозиции при съемке без светофильтра; k — кратность светофильтра. Кратность одного и того же цветного светофильтра при использовании одной и той же кинопленки зависит от спектрального состава света, при котором производится съемка.

Для желтых, оранжевых и красных светофильтров, например, кратность при съемке в утреннее время и в предвечерние часы меньше, чем в полдень.

Чтобы точно определить кратность светофильтра и изобразительный эффект, даваемый им при съемке в определенных условиях освещения, можно использовать способ экспоно-метрического клина, для этого нужно подходящий объект, например пейзаж с включением в кадр неба, снять его дважды с последовательно уменьшающимися диафрагмами сначала без светофильтра, затем — со светофильтром. После этого проявить весь отснятый материал в одном и том же режиме, а затем сравнить полученные результаты.

Источники

Записи в тетради

Ваши лекции

Википедия - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B3%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0