Основные фотометрические величины и единицы

Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, связанных с такими потоками. В фотометрии используются следующие величины:

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

2) световые – характеризуют физиологическое действие света и оцениваются по воздействию на глаз (исходя из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.

1. Энергетические величины. Поток излучения Φ_e – величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:

. (3.1)

Единица потока излучения – ватт (Вт).

Энергетическая светимость (излучательность) R_e – величина, равная отношению потока излучения Φ_e, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:

, (3.2)

т.е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения.

Единица энергетической светимости – ватт на метр в квадрате (Вт/м²).

Интенсивность излучения:

, (3.3)

где ΔS – малая поверхность, перпендикулярная направлению распространения излучения, через которую переносится поток ΔΦ_е.

Единица измерения интенсивности излучения такая же, как у энергетической светимости –Вт/м².

Для определения последующих величин понадобится использовать одно геометрическое понятие – телесный угол, который является мерой раствора некоторой конической поверхности. Как известно, мерой плоского угла является отношение дуги окружности l к радиусу этой окружности r, т.е. (рис. 3.1 а). Аналогично этому определяется телесный угол Ω (рис. 3.1 б) как отношение поверхности шарового сегмента S к квадрату радиуса сферы:

. (3.4)

Единицей измерения телесного угла служит стерадиан (ср) – это телесный угл, вершина которого расположена в центре сферы, и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса: Ω = 1 ср, если . Нетрудно убедиться, что полный телесный угол вокруг точки равен 4π стерадиан – для этого нужно поверхность сферы разделить на квадрат ее радиуса.

Энергетическая сила света (сила излучения) I_e определяется с помощью понятия о точечном источнике света – источнике, размерами которого по сравнением с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света – величина, равная отношению потока излучения источника к телесному углу Ω, в пределах которого это излучение распространяется:

. (3.5)

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

Энергетическая яркость (лучистость) В_е – величина, равная отношению энергетической силы света ΔI_e элемента излучающей поверхности к площади ΔS проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:

. (3.6)

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

Энергетическая освещенность (облученность) Е_е характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м²).

2. Световые величины. При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы, фотоумножители), которые не обладают одинаковой чувствительностью к энергии различных длин волн, являясь, таким образом, селективными (избирательными). Каждый приемник светового 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), которая определяется как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Определение световых единиц аналогично энергетическим.

Световой поток Φ_св определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (про 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) (1 лм = 1 кд·ср).

Сила света I_св связана со световым потоком соотношением

, (3.7)

где dΦ_св – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла dΩ. Если I_св не зависит от направления, источник света называется изотропным. Для изотропного источника

. (3.8)

Поток энергии _. Φ_е, измеряемый в ваттах, и световой поток Φ_св, измеряемый в люменах, связаны соотношением:

, лм, (3.9)

где - константа, - функция видности, определяемая чувствительностью человеческого глаза к излучению различных длин волн. Максимальное значение достигается при . В комплексе используется лазерное излучение с длиной волны . В этом случае .

Светимость R_св определяется соотношением

. (3.10)

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

Яркость В_φ светящейся поверхности площадью S в некотором направлении, образующем угол φ с нормалью к поверхности, есть величина, равная отношению силы света в данном направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

. (3.11)

Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям, называются ламбертовскими (подчиняющимися закону Ламберта) или косинусными (поток, посылаемый элементом поверхности такого источника, пропорционален ). Строго следует закону Ламберта только абсолютно черное тело.

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

Освещенность Е – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности:

. (3.12)

Единица освещенности – люкс (лк): 1 лк – освещенность поверхности, на 1 м² которой падает световой поток в 1 лм ( 1 лм = 1 лк/м²).

 

Порядок выполнения работы

Рис. 3.2.

Задание 1. Определение силы света лазера.

Измерив диаметр расходящегося пучка лазера в двух его сечениях, разнесенных на расстояние , можно найти малый угол расходимости пучка и телесный угол , в котором распространяется излучение (рис. 3.2):

, (3.13)

. (3.14)

Сила света в канделлах определяется по формуле:

, (3.15)

где - константа, мощность излучения устанавливается минимальной - равной (ручка регулировки тока лазера повернута до крайнего положения против часовой стрелки), - функция видности, определяемая чувствительностью человеческого глаза к излучению различных длин волн. Максимальное значение достигается при . В комплексе используется лазерное излучение с длиной волны . В этом случае .

Эксперимент

1. Установите на оптической скамье модуль 2 и выполните юстировку установки по методике, описанной на стр. . Убедившись, что установка отъюстирована, снимите модуль 2.

2. Наденьте на излучатель линзу-насадку (объект 42). Установите линзу-конденсор (модуль 5) в конце скамьи экраном к излучателю. Зафиксируйте координату риски его рейтеры . По экрану конденсора определите диаметр лазерного пучка .

3. Переместите конденсор к лазеру на 50 - 100 мм. Зафиксируйте координату риски и, соответственно, по экрану конденсора определите диаметр пучка .

4. Рассчитайте линейный угол расходимости пучка по формуле (3.13), принимая . Рассчитайте телесный угол расходимости пучка по формуле (3.14) и силу света по формуле (3.15). Произведите стандартную оценку погрешностей.

5. Проведите опыт еще 4 раза при других положениях конденсора.

6. Результаты измерений занесите в таблицы:

№	,		,

 

№					, %

 

Задание 2. Интенсивность в сферической волне

Пучок излучения лазера превращается собирающей линзой в сферическую волну, вначале сходящуюся к фокусу, а после фокуса – расходящуюся. Требуется проследить характер изменения интенсивности с координатой - . В качестве используются показания вольтметра без пересчета в абсолютные значения.

Эксперимент

1. Снимите с излучателя рассеивающую линзу-насадку. В конце свободной скамьи установите микропроектор (модуль 2) и, вплотную перед ним линзу-конденсор (модуль 5). Убедитесь в том, что при отодвигании модуля 5 от модуля 2 изменяется размер пятна на экране установки и интенсивность излучения в центре пятна. Верните конденсор в начальное положение.

2. Поместите в объектную плоскость микропроектора фотодатчик – объект 38, подключите фотодатчик к мультиметру, мультиметр поставьте в режим измерения постоянного напряжения (диапазон измерений – до 1 В) и снимите зависимость напряжения на вольтметре от координаты модуля 5 с шагом 10 мм, принимая за точку отсчета координату риски модуля 2. Сделайте 20 измерений.

3. Постройте график . Качественно он аналогичен графику .

4. Рассчитайте величину и постройте график . Интенсивность в данной точке обратно пропорциональна квадрату расстояния до центра волны: . Значит, . Поэтому зависимость должна быть линейной.

Сделайте вывод о проделанной работе.

 

Контрольные вопросы

1. Что изучает фотометрия? В чем различие между энергетическими и световыми фотометрическими величинами?

2. Дать определение телесного угла. В каких величинах измеряется телесный угол? Чему равен полный телесный угол вокруг точки?

3. Вывести формулу (3.14).

4. Дать определения основных фотометрических величин (энергетических и световых) с указанием единиц измерения.

5. Какая световая единица измерения является основной в СИ? Как она определяется?

6. Как связаны между собой поток излучения и световой поток?

7. Какой источник света называется изотропным? Как связаны между собой сила света и световой поток изотропного источника? Почему?

8. Когда источник света называется ламбертовским? Привести пример строго ламбертовского источника.

9. Как зависит интенсивность световой волны, излучаемой изотропным точечным источником, от расстояния до источника? Почему?

 

Лабораторная работа №4

---

⇐ Предыдущая12345678910111213141516Следующая ⇒

---

Просмотров 4419

Эта страница нарушает авторские права

---