Фотометрия

 

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

 

Факультет «»

Кафедра «»

 

 

 

РЕФЕРАТ

по учебной  дисциплине:

“ ”

 

 

 

Выполнил:    студентка        группы     Е.Ю. Внукова

                                                          

Проверил:    преподаватель

 

 

 

 

 

 

САМАРА 2012

ФОТОМЕТРИЯ

Фотометрия - раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света.

Тела, излучающие свет, называются источниками света. Раздел оптики, изучающий  методы и приемы измерения действия видимого света на глаз человека, называется фотометрией.

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 около 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей.

В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие "стандартного наблюдателя" как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО - не что иное, как  таблица значений относительной  световой эффективности излучения  с длинами волн в диапазоне  от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный  по данным этой таблицы, причем на нем  указаны интервалы длин волн, соответствующие  цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Рис. 1. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЛАЗА  К СВЕТУ РАЗНОГО ЦВЕТА.

 Так изменяется доля  света, воспринимаемая глазом  человека. Свет с длиной волны  менее 0,38 мкм называется ультрафиолетовым, а с длиной волны более 0,78 мкм – инфракрасным (тот и другой невидимы для человеческого глаза).

Фотометрические величины:

 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 540*1012 Гц (l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный источник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4p лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1м, 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.)

ОБЩИЕ МЕТОДЫ ФОТОМЕТРИИ

  Существуют два общих метода фотометрии:

1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании  механическими или оптическими  средствами яркости двух полей  сравнения используется способность  человеческого глаза ощущать  различия в яркости; 

2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух  источников света используются  различные приемники света иного  рода - вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые  фотодиоды и т.д. 

При обоих методах для  того, чтобы результаты имели универсальную  значимость, условия наблюдения (или  работы приборов) должны быть такими, чтобы  фотометр реагировал на разные длины  волн в точном соответствии со "стандартным  наблюдателем" МКО. Важно также, чтобы  световой выход лампы не изменялся  в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется  довольно сложная электрическая  аппаратура.

В самых точных фотометрических  измерениях приходится стабилизировать  ток через лампу с точностью  до (2 - 3)*10-3%.

ХАРАКТЕРИСТИКИ  ОСВЕЩЕНИЯ И СВЕТОВОЙ СРЕДЫ

Освещение (естественное, искусственное  и совмещенное) и формируемую  им световую среду характеризуют  следующие основные показатели.

СИЛА СВЕТА

Основной единицей измерений  в фотометрии является единица силы света - кандела (кд). По определению одна кандела - сила света, излучаемого в перпендикулярном направлении 1/6000000 м² поверхности черного тела при температуре затвердевания платины и давлении 101325 Па.

Сила света J, кандела (кд) – величина пространственной плотности светового потока (т. к. источник света может излучать энергию в разных направлениях неравномерно).

Величина, измеряемая световым потоком, приходящимся на единицу телесного  угла по заданному направлению, называется силой света источника

где Ф – световой поток  внутри достаточно малого телесного  угла w. Сила света в СИ измеряется в канделах (кд).

Приборы, служащие для определения  силы света одного источника на основании  сравнения с силой света источника - эталона, называются фотометрами. Фотометры, приспособленные для непосредственного  измерения освещенности, называются люксметрами.

СВЕТОВОЙ ПОТОК

Точечным источником света  называется источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием  до места наблюдения и который  излучает свет равномерно во всех направлениях.

Полный световой поток  от точечного источника света  равен 

Световой поток  Ф, люмен (лм) – часть потока световой энергии, которую воспринимает и оценивает орган зрения человека. Полный световой поток характеризует излучение, распространяемое от источника по всем направлениям. Для практических целей важнее оценить поток, идущий в определенном направлении или падающий на конкретную поверхность (площадь).

Световой поток 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.

Световой поток – величина, равная световой энергии (оцениваемой по зрительному ощущению), проходящей через заданную поверхность за единицу времени:

где W – количество световой энергии, проходящей через заданную поверхность за время t. Единицей светового потока в СИ является люмен (лм).

Часть пространства, ограниченная конической поверхностью, называется телесным углом. Этот угол называется центральным телесным углом (рис. 2), если его вершина совмещена с центром сферы.

Рис.2  Телесный угол

Телесный угол измеряется отношением

,

где S – площадь части  поверхности сферы радиусом R, на которую опирается данный угол.

Коэффициент отражения r, % – характеризует способность поверхности отражать падающий на нее световой поток; определяется как отношение отраженного светового потока Фотр к падающему потоку Фпад; r зависит от цвета и фактуры поверхности и может изменяться в широких пределах от 0,02 до 0,95 (т.е. от 2 до 95 %). Световые свойства поверхностей характеризуют коэффициенты отражения – r, пропускания ѕ t, поглощения ѕ а, при этом во всех случаях r + t +а=1. Данные коэффициенты – это часть светового потока, которую, соответственно, поверхность отражает, пропускает или поглощает. Солнце и искусственные источники света – первичные источники светового потока, генераторы излучений. Поверхности объектов, от которых свет отражается – вторичные источники света.

Единицей измерения телесного  угла служит стерадиан (ср). Полный пространственный угол равен ср.

ОСВЕЩЕННОСТЬ

Фотоэлектрический люксметр (рис.2) предназначен для измерения освещенности (лк). Принцип действия прибора основан на явлении фотоэлектрического эффекта. При освещении селенового фотоэлемента (по спектральным характеристикам близкого к чувствительности глаза человека) в замкнутой цепи, состоящей из фотоэлемента и измерителя, возникает ток, пропорциональный падающему световому потоку. Прибор оснащён затеняющими светофильтрами, расширяющими диапазон измерений освещённости от 5 до 50000 лк и более.

Рис.2 Люксметр

Освещенность Е, люкс (лк) – отношение падающего на поверхность светового потока Ф пад (лм) к величине площади этой поверхности S (мІ). Освещенность поверхности не зависит от ее световых свойств.

Одна из самых главных  величин в нормах освещения. Чаще всего нормируется горизонтальная освещённость (на 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.

Освещенностью поверхности называется величина, равная световому потоку, падающему на единицу площади равномерно освещаемой поверхности. В СИ освещенность измеряется в люксах (лк).

Первый закон  освещенности: освещенность поверхности точечным источником прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности:

Второй закон  освещенности: освещенность поверхности прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей:

Объединенный  закон освещенности: освещенность, создаваемая точечным источником света на некоторой площадке, прямо пропорциональна силе света источника и косинусу угла падения лучей и обратно пропорциональна квадрату расстояния до площадки от источника:

Освещенность поверхности, создаваемая несколькими источниками  света, равна арифметической сумме  освещенностей, создаваемых каждым источником в отдельности.

Если источник света нельзя считать точечным, то для его характеристики вводятся величины светимость и яркость.

Светимостью К называется полный световой поток, посылаемый единицей светящейся поверхности в одну сторону, т. е. в телесный угол W=2p. Единица измерения светимости в Международной системе единиц (СИ) такая же, что и единица освещенности, то есть люмен на квадратный метр (лм/м²).

Светимость определяется отношением светового потока, испускаемого поверхностью, к площади этой поверхности:

Единицей измерения светимости в СИ служит люкс.

 Если светимость тела  обусловлена его освещенностью,  то 

M = kE,

 где k – коэффициент отражения.

 

 

ЯРКОСТЬ

Так как световой поток, который  в том числе характеризует  яркость, прежде всего, воспринимается человеком посредством органов  зрения, то есть глаз, то необходимо рассмотреть, как он воспринимается человеком. При  действии света на глаз возникает  раздражение сетчатки. От сетчатки возбуждение передается в зрительный нерв и далее в мозг, вызывая  ощущение света. Свойство зрительного  ощущения, согласно которому предметы кажутся испускающими больше или  меньше света, называется светлотой. Как  мы уже знаем, на сетчатку попадают только определенные доли всей световой энергии, испускаемой предметами в  окружающее пространство. Они выражаются величинами яркостей. Таким образом, интенсивность светового раздражения  определяется величинами яркостей, а  интенсивность светового ощущения — величинами светлот. Чем больше яркость, тем больше светлота. Поэтому  можно сказать, что светлота есть мера ощущения яркости.    

      Единицей  измерения яркости, как следует  из определения этой величины, служит кандела на метр квадратный (кд/м²), а светимость соответственно измеряется в люменах на метр квадратный (лм/м²).

В повседневной жизни между  понятиями яркости и светлоты часто не делают отчетливого различия, но при изучении зрительного восприятия света их необходимо четко различать.

Яркость — объективная величина, ее можно измерить соответствующим прибором (как вы уже догадались, он называется яркометр).

Светлота — величина субъективная, как и все ощущения.

Например, лист белой бумаги на солнечном свету летом имеет  яркость порядка 30000 нт, а при свете настольной лампы — порядка 10–30 нт. Однако никто не скажет, что один и тот же лист бумаги в одном случае более светлый, чем в другом. В числе ряда особенностей зрительного восприятия здесь проявляется его способность отделять характеристику освещения от характеристики освещаемого предмета. Это явление относится к разряду психологических, и, в частности, связано с памятью.

Из сказанного следует, что  светлота не может быть непосредственно  измерена и выражена абсолютными  числами. Однако возможна количественная оценка, выражаемая словами: больше, меньше, равно, намного больше или меньше, едва различается. Причем этим выражениям можно вполне определенно сопоставить  разности измеряемых яркостей. Таким  образом, можно изучить зависимость ощущения от раздражения.