Понятие о фотометрии.

Фотометрией называется раздел оптики, в котором рассматриваются изменения энергии, которую переносят электромагнитные световые волны. Обычно в фотометрии рассматриваются действия на глаз и другие оптические приборы электромагнитных волн видимого оптического диапазона. Для характеристики этого действия вводятся следующие основные физические величины, характеризующие свет сточки зрения переносимой им энергии: световой поток, сила света, освещенность.

Световым потоком Ф называется мощность видимого излучения, которая оценивается по действию этого излучения на нормальный глаз. Иными словами, Ф есть энергия световых электромагнитных волн, переносимая в единицу времени через некоторую площадь поверхности и оцениваемая по зрительному ощущению. Для монохроматического света, соответствующему максимуму спектральной чувствительности глаза (l=5500А), световой поток равен 683 люменам (лм), если мощность излучения равна одному ватту. Световой поток создается источником света и воздействует на окружающие предметы. Соответственно вводятся в рассмотрение еще две величины: ода для характеристики источника света - сила света источника, а другая для характеристики действия света на поверхность тел - освещенность.

Точечным источником света называется источник, линейные размеры которого значительно меньше, чем расстояние от него до точки наблюдения. Такой источник излучает сферические электромагнитные волны. В большинстве задач, где линейными размерами источника света можно пренебречь, используют точечные источники света.

Для описания распределения светового потока, испускаемого источником света по разным направлениям, используется понятие телесного угла. Рассмотрим сферу радиуса R. Представим себе внутри этой сферы конус, вершина которого находится в центре сферы. Этот конус вырежет на сфере некоторую часть поверхности площадью S. Область пространства, ограниченную поверхностью конуса, называют телесным углом. Измеряется телесный угол W отношением указанной площади S к квадрату радиуса R сферы:       

Нетрудно понять, что значение телесного угла не зависит от радиуса сферы, так как вырезаемая им площадь S пропорциональна квадрату радиуса. За единицу телесного угла принят стерадиан. Полный телесный угол, охватывающий все пространство вокруг точки, равен:       

 

Сила света.

Силой света I точечного источника называется величина, численно равная световому потоку Ф, который этот источник создает в единичном телесном угле. Если точечный источник равномерно излучает свет по всем направлениям, то
где Фполн есть полный световой поток источника света, то есть мощность излучения, создаваемая источником по всем направлениям, - энергия света, которая за единицу времени переносится сквозь произвольную замкнутую поверхность, охватывающую источник света.
Если источник света не точечный, а протяженный, то сила света I малого участка DS его поверхности в данном направлении:
где DФ - световой поток, который создает участок DS поверхности источника в данном направлении внутри телесного угла DW.
Для произвольного источника света средней сферической силой света называемая величина:
где Фполн - полный световой поток источника света. В случае, когда протяженный источник света излучает равномерно по всем направлениям, . В СИ единица силы света кандела (кд) является основной единицей.

Освещенность.

Источник света почти всегда освещает поверхности предметов неравномерно. Так лампа, висящая над столом, лучше всего освещает центр стола. Края стола освещены значительно хуже. И дело здесь не только в том, что сила света электрической лампы различна по различным направлениям. Даже в случае точечного источника на площадку придется большая световая мощность (световой поток), чем на такую же площадку на краю.

Освещенностью E называется отношение светового потока Ф, падающего на некоторый участок поверхности, к площади S этого участка:

За единицу освещенности принимается люкс (лк). Для фотометрических расчетов важно знать, как зависит освещенность E какой либо поверхности от ее расположения по отношению к падающим лучам, от расстояния R до источника света и от силы света I источника.

Выяснить зависимость освещенности от расстояния до источника можно, поместив мысленно точечный источник в центр сферы. Площадь сферы S=4pR2, а полный световой поток равен Ф=4pI. Поэтому освещенность выразится так:

В рассмотренном случае лучи падали на поверхность сферы перпендикулярно. Но так происходит далеко не всегда. Углом падения луча называют угол a между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным к поверхности в точке падения луча. Освещенность, которую создает точечный источник с силой света I на поверхности, удаленной на расстояние R от источника, где a - угол падения лучей, вырыжается формулой: