Яркость источника, закон Ламберта. Светимость, спектральная световая эффективность, коэффициент видности, механический эквивалент света, эффект Пуркинье, частота мерцаний

Предмет оптики. Основы фотометрии. Световой поток, сила света, освещенность, вывод закона освещенности.

Физическая оптика - раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействия с веществом и его распространение.

Разделы:

1) Лучевая геометрическая оптика
Явления,когда длина волны(сотни нм) << размеров оптического прибора(см,мм)

2)Волновая оптика
длина волны сопоставима с размерами прибора(энергия фотона мала)

3)Квантовая оптика(энергия фотона велика)

длина волны <<< размеров прибора.

ФОТОМЕТРИЯ -раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. В фотометрии используются следующие величины:

1) энергетические — характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;

2) световые — характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.

Энергетические величины.

Поток излучения Фг — величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за

которое излучение произошло(Единица потока излучения — ватт (Вт).): 

Фг=W/t.

Энергетическая светимость (излучательность) Re —величина, равная отношению потока излучения Фе, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:   

  Re= Фе/s.

т. е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения. Единица энергетической светимости — ватт на метр в квадрате (Вт/м2).

Энергетическая сила света Iе определяется с помощью понятия о точечном источнике света — источнике, размерами которого по сравнению с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света Iе — величина, равная отношению потока излучения Фг источника к телесному углу ω, в пределах которого это излучение распространяется:

Iе= Фе/ ω,

 

Единица энергетической силы света — ватт на стерадиан (Вт/ср).

Энергетическая яркость Be— величина, равная отношению энергетической силы света Iе элемента излучающей поверхности к площади S проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:

Be = Ie/S.

Единица энергетической яркости — ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср.м²)).

Энергетическая освещенность  Ее характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности совпадает с

единицей энергетической светимости (Вт/м²).

Световые величины.

При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы), которые не обладают одинаковой чувствительностью к энергии различных длин волн, являясь, таким образом,избирательными. Каждый приемник излучения характеризуется своей кривой чувствительности к свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является единица силы света—кандела (кд),сила света одной свечи. Определение световых единиц аналогично энергетическим.

Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью). Единица светового потока — люмен (лм): 1 лм —световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) A лм=1 кд*ср).

Светимость R определяется соотношением

R = Ф/S.

Единица светимости — люмен на метр в квадрате (лм/м2).

Яркость В светящейся поверхности в некотором направлении ф есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

B = I/(S cos ф).

Единица яркости — кандела на метр в квадрате (кд/м2).

Освещенность E — величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой верхности:

E=Ф/S

Единица освещенности — люкс (лк): 1 лк — освещенность поверхности, на 1 м2

которой падает световой поток в 1 лм (лк=1 лм/м2).

 

Вывод закона освещености

Пусть Е0 — освещенность поверхности при перпендикулярном падении на нее световых лучей, Е — при любом другом угле падения. Опишем вокруг точечного источника с силой света I сферическую поверхность радиусом r. Освещенность внутренней стороны этой поверхности везде одинакова, и лучи падают перпендикулярно поверхности сферы.

Освещенность Е0 = Ф0 /S, где Ф0 — полный световой поток, S — площадь поверхности сферы (т.к. источник точечный, то сила света одинакова во всех направлениях)

Ф=4πI, S=4πr². Поэтому Е0 = I/r² — первый закон освещенности: освещенность поверхности лучами, падающими на нее перпендикулярно, прямо пропорциональна силе света точечного источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности.

Пусть параллельный равномерно распределенный пучок света падает наклонно на поверхность S

Ее освещенность Е = Ф /S. Спроецируем поверхность S на плоскость, перпендикулярную падающим лучам, получим нормальную к лучам проекцию S0. Ее освещённость Е0 = Ф0 /S. Из рисунка cos(α)=l₀/l=l₀*h/l*h=S₀ /S Откуда E/ Е0 =S 0 /S

 E= Е0 *cos(α)— второй закон освещенности: освещенность поверхности параллельным световым пучком прямо пропорциональна косинусу угла падения. Так как Е0 = I/r², то обобщенный закон освещенности.

 

Яркость источника, закон Ламберта. Светимость, спектральная световая эффективность, коэффициент видности, механический эквивалент света, эффект Пуркинье, частота мерцаний.

Яркость световая - поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению.

• Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м2).

Энергетическая яркость – это величина потока, излучаемого единицей площади в единицу телесного угла в данном направлении

где Ө – угол между направлением излучения и нормалью к площадке.

Единица энергетической яркости — ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср.м²)).

Закон Ламберта или закон косинусов: Плоская поверхность, имеющая одинаковую яркость по всем направлениям, излучает свет, интенсивность которого из меняется по закону косинуса

I = I0cosθ,

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

 

 

Светимость R определяется соотношением       R = Ф/S.

Единица светимости — люмен на метр в квадрате (лм/м2). Ф - cветовой поток,S-площадь светящейся поверхности

Спектральная световая эффективность излучения в воспринимаемом человеческим глазом диапазоне длин волн λ (частот ν) излучения- отношение светового потока изл учения с длиной волны λ монохроматического света к соответствующему потоку излучения. Обозначается К (λ). Максимальное значение К ≅ 680 лм/вт принимает при λ ≈ 555 нм. Относительная Спектральная световая эффективность V(λ) = К (λ)/ К

Отношение мощности монохроматического излучения с длиной волны λ _макс = 0,555 мкм (зеленый свет) к мощности монохроматического излучения с длиной волны λ, вызывающего ощущение такой же яркости, как излучение с длиной волны λ _макс, называется функцией видности V ( λ ) или коэффициентом видности излучения с длиной волны λ:

 

Эффект Пуркинье, сдвиг Пуркинье — Эффект Пуркинье — смещение спектральной светочувствительности при переходе от дневного зрения, для которого максимум соответствует длине волн желто–зеленых тонов (555 нм), к сумеречному освещению, для которого максимум соответствует голубовато–зеленым тонам (500 нм). Красные цвета в сумерках кажутся более тёмными, нежели зелёные, а в ночное время— практически чёрными, в то время как синие объекты «становятся» более светлыми.