ЭЛЕМЕНТЫ ФОТОМЕТРИИ

Фотометрия – это раздел оптики, который изучает методы и приемы измерения видимого света (интервал электромагнитного излучения Δλ = 380 ÷ 760 нм).

Поток энергии, который несут световые волны, можно оценить двояко: 1) энергетически – как количество энергии, проходящей через данную поверхность в единицу времени (т. е. мощность P, измеряется в Ваттах), или 2) по зрительному ощущению. Мерой чувствительности глаза к свету различной длины волны можно характеризовать кривой видности (рис.6). Абсциссой этой кривой служат длины волн λ, а ординатой – коэффициенты видности V_λ, т. е. величины обратно пропорциональных мощностям монохроматических излучений, равноярких с точки зрения визуальной оценки. Кривая видности имеет максимум при λ = 555 нм, условно принимаемый за 1; при удалении от максимума кривая быстро убывает к 0. Так, например, для λ = 670 нм требуется мощность, примерно в 30 больше, чем для λ = 550 нм, чтобы вызвать одинаковое по силе зрительное ощущение.

Рис.6

В фотометрии введено понятие светового потока Ф, оценивая поток энергии света по зрительному ощущению. Световой поток монохроматического излучения (излучение с определенной длиной волны и частотой): Ф_λ = P_λ · V_λ. Если излучение осуществляется волнами различной длины, то световой поток такого излучения слагается из световых потоков Ф для каждой длины волны: Ф = ΣФ_λ = ΣP_λ · V_λ. Световой поток измеряется в люменах (лм).

На пути светового потока (рис. 7), идущего от то-

Рис. 7

чечного источника 0 (его размеры малы по сравнению с расстоянием до места наблюдения и свет испускается равномерно по всем направлениям), на расстоянии r расположена малая площадка s, нормаль к которой составляет угол α с лучем. На площадку s от источника 0 попадает световой поток, ограниченный телесным углом Ω. Мерой телесного угла Ω служит отношение площади сферы Sсф, вырезаемой конической поверхностью на сфере произвольного радиуса r c центром в вершине 0 конической поверхности, к квадрату радиуса:

(21)

Измеряется Ω в стерадианах (ср).

Сила света I точечного источника света (в данном направлении) равна отношению светового потока Ф к величине телесного угла Ω:

(22)

Единицей измерения силы света служит кандела (кд). В СИ кандела является основной единицей.

Освещенностью E поверхности называется величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на данную поверхность, к ее площади s:

(23)

Измеряется освещенность в люксах (лк).

Освещенность в разных точках поверхности может быть различна. Для вычисления освещенности следует воспользоваться формулами (21), (22), (23):

(24)

Соотношение

(25)

называется законом освещенности от точечного источника света.

В таблице 1 сравнивается световые и энергетические единицы фотометрических величин.

Таблица 1

Если источник света нельзя считать точечным, то для его характеристики в фотометрии вводятся понятия – светимость и яркость, которые характеризуют излучение единицы площади светящейся поверхности.

Яркость светящейся поверхности вычисляется по формуле:

(26)

где I − сила света элемента излучающей поверхности;

s − площадь проекции элемента излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения;

φ − угол между направлением излучения и нормалью к площадке ds.

Светимость определяется соотношением:

(27)

где Ф − световой поток, испускаемый поверхностью;

s − площадь этой поверхности.

Приборы, служащие для измерения световых величин, называются фотометрами. Если шкала фотометра проградуирована в единицах освещенности – люксах, прибор называется люксметром.