Фотометрические величины и единицы. Источники Ламберта.

Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся изме­рением световых потоков и величин, связанных с такими потоками.

Сила света. Источник света, размерами которого можно пре­небречь по сравнению с расстоянием.от места наблюдения до ис­точника, называется точечным. В однородной и изотропной среде волна, излучаемая точечным источником, будет сферической. Для характеристики точечных источников света применяется сила света /, которая определяется как поток излучения ис­точника, приходящийся на единицу телесного угла:

 (114.1)

(dФ — световой поток, излучаемый источником в пределах телес­ного угла dQ). Для изотропного источника

 (114.2)

где Ф — полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям.

В случае протяженного источника можно говорить о силе света элемента его поверхности . Тогда под в формуле (114.1) сле­дует понимать световой поток, излучаемый элементом поверхно­сти dS в пределах телесного угла

Единица силы света — кандела (кд) является одной из ос­новных единиц Международной системы (СИ). Ее значение при­нимается таким, чтобы яркость (см. ниже) полного^лизлучателя при температуре затвердевания платины была равна 60 кд на 1 см². Под полным излучателем понимается устройство, обладающее свойствами абсолютно черного тела (см. т. 3).

Световой поток. Единицей светового потока является люмен (лм). Он равен световому потоку, излучаемому изотропным источ­ником с силой света в 1 кд в пределах телесного угла в один сте­радиан:

 (114.3)

Опытным путем установлено, что световому потоку в 1 лм, обра­зованному излучением с длиной волны А, = 0,555 мкм, соответст­вует поток энергии в 0,0016 Вт. Световому потоку в 1 лм,-образо­ванному излучением с другой Я, соответствует поток энергии

 (114.4)

Освещенность. Степень освещенности некоторой поверхности падающим на нее светом характеризуется величиной

 (114.5)

называемой освещенностью ( — световой поток, па­дающий на элемент поверхности ).

Единицей освещенности является люкс (лк), равный осве­щенности, создаваемой потоком в 1 лм, равномерно распределен­ным по поверхности площади в 1 м²:

 (114.6)

Освещенность Е, создаваемую точечным источником, можно выразить через силу света /, расстояние г от поверхности до источ­ника и угол а между нормалью к поверхности п и направлением на источник. На площадку dS (gnc. 114.1) падает поток =

— , заключенный в пределах телесного угла , опирающе­гося на  Угол равен  Следовательно,  Разделив этот поток на dS, получим

 (114.7)

Светимость. Протяженный источник света можно охарактери­зовать светимостью М различных его участков, под кото­рой понимается световой поток, испускаемый единицей площади наружу по всем направлениям (в пределах значений О от 0 до л/2; Ф — угол, образуе­мый данным направлением с внешней нор­малью к поверхности):

 (114.8)

( — поток, испускаемый наружу по всем направлениям элементом поверхности ис­ точника).

Светимость может возникнуть за счет отражения поверхностью падающего на нее света. Тогда под в формуле (114.8) следует

понимать поток, отраженный элементом поверхности по всем направлениям.

Единицей светимости является люмен на квадратный метр (лм/м²).

 Яркость. Светимость характеризует излучение (или отраже­ние) света данным местом поверхности по всем направлениям. Для характеристики излучения (отражения) света в заданном направ­лении служит яркость L. Направление можно задать полярным углом О (отсчитываемым от внешней нормали п к излучающей пло­щадке, ) и азимутальным углом ф. Яркость определяется как отношение силы света элементарной поверхности в данном на­правлении к проекции площадки на плоскость, перпендикуляр­ную к взятому направлению.

Рассмотрим элементарный телесный угол , опирающийся на светящуюся площадку и ориентированный в направлении

(*, ф) (рис. 114.2). Сила света площадки в данном направле­нии согласно определению (114.1) равна — световой поток, распространяющийся в пределах угла Проек­цией AS на плоскость, перпендикулярную к направлению () (на рис. 114.2 след этой плоскости изображен пунктиром), будет  Следовательно, яркость равна

 (114.9)

В о0щем случае яркость различна для разных направлений:  . Как и светимость, яркость может быть использована

для характеристики поверхности, отражающей падающий на нг< свет.

Согласно формуле (114.9) поток, излучаемый площадкой и пределах телесного угла по направлению, определяемому о и ф, равен  (114.10)

Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям (L = const), называются ламбертовскими (подчиняющимися закону Ламберта) или косинусны м и (поток, посылаемый элементом поверхности такого источника, пропорционален соз Ф). Строго следует закону Ламберта только абсолютно черное тело!

Светимость М и яркость L ламбертовско го источника связаны простым соотношением. Чтобы найти его, подставим в (114.10)  и проинтегрируем полученное выражение по ср в пределах от 0 до 2я и по ft от 0 до я/2, учтя, что.В результате мы найдем полный световой поток, испускаемый элементом поверхности ламбертовского источника наружу по всем на­правлениям:

Разделив этот поток на AS, получим светимость. Таким образом, для ламбертовского источника

 (114.11)

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м²). Яркостью в 1 кд/м² обладает равномерно светя­щаяся плоская поверхность в направлении нормали к ней, если в этом направлении сила света одного квадратного метра поверхно­сти равна одной канделе.

Тепловое излучение тел.

Тепловым излучением тел называется электромагнитное излучение, возникающее за счет той части внутренней энергии тела, которая связана с тепловым движением его частиц.

Основными характеристиками теплового излучения тел нагретых до температуры T являются:

1. Спектральная плотность энергетической светимости r(l, Т) - количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела, в единицу времени в единичном интервале длин волн (вблизи рассматриваемой длины волны l). Эта величина зависит от температуры тела, длины волны испускаемого света, а также от природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИ r(l, T) имеет размерность [Вт/м³].

2. Энергетическая светимость R ( T ) - количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела, во всем интервале длин волн. Зависит от температуры, природы излучающего тела и состояния его поверхности.

Энергетическая светимость R(T) связана со спектральной плотностью энергетической светимости r(l, T) следующим образом:

                               (1).

Размерность энергетической светимости в системе СИ - [Вт/м²]

3. Все тела не только излучают, но и поглощают падающие на их поверхность электромагнитные волны. Для определения поглощательной способности тел по отношению к электромагнитным волнам определенной длины волны вводится понятие коэффициента монохроматического поглощения - отношение величины поглощенной поверхностью тела энергии монохроматической волны к величине энергии падающей монохроматической волны:

                            (2).

Коэффициент монохроматического поглощения является безразмерной величиной, зависящей от температуры и длины волны. Он показывает, какая доля энергии падающей монохроматической волны поглощается поверхностью тела. Величина a (l, T) может принимать значения от 0 до 1.