Фотометрия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Фотометрия (др.-греч. φῶς, родительный падеж φωτός — свет и μετρέω — измеряю) — общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения.

В основе фотометрии как науки лежит разработанная А. Гершуном теория светового поля [1], [2].

На практике положения теории светового поля реализуются инженерной дисциплиной — светотехникой.[3]

История[править | править исходный текст]

Первый из законов фотометрии — закон обратных квадратов — был сформулирован Иоганном Кеплером в 1604 году.

E={I \over r^2}\cos i (1) Где:

  • E — освещённость
  • r\! —расстояние от источника до объекта
  • I\! —сила света точечного источника
  • i\! —угол падения лучей относительно нормали к поверхности.

Фотометрия как наука началась в 1760-х с работ Ламберта, сформулировавшего закон диффузного отражения света (закон Ламберта) и Бугера, сформулировавших закон поглощения света (закон Бугера — Ламберта — Бера).

Использование термина «свет» применительно к описанию поля излучения в любой области спектрального диапазона оптического излучения, а не только в видимой его области, в настоящее время является общепризнанным («скорость света», «луч света»)

Указание на применение в каждом конкретном случае энергетических или световых единиц устраняет все поводы к добросовестным недоразумениям. Иными словами Фотометрия — раздел оптики, в котором исследуются энергетические характеристики света при его испускании, распространении и взаимодействии с телами. Оперирует фотометрическими величинами.

В физической оптике интенсивность поля электромагнитного излучения определяется квадратом модуля вектора напряженности электромагнитного поля E,(который является основной рассчитываемой величиной в физической оптике), и характеризуется плотностью поля (нем. Energiedichte) dw:

dw = dE / dV = ε x | E |(2)

где dV — элемент объема в заданной точке пространства, а dE есть энергия поля, заключенного в данном объеме в рассматриваемый момент времени[4]

При этом, ε есть диэлектрическая постоянная среды, в которой распространяется излучение.

В оптическом диапазоне спектра частоты электромагнитных колебаний настолько высоки, что непосредственное измерение модуля этого вектора (в отличие от радиотехники) невозможно. Современными техническими средствами обеспечивается лишь усреднённое значение этой величины в интервале времени, характеризующемся инерционностью приёмника излучения. Эффекты взаимодействия излучения с веществом, в том числе и с приемником излучения, лежащие в основе выработки несущего информацию сигнала, определяются именно поглощенной энергией излучения, а не напряженностью электромагнитного поля.

Переход на использование в теоретической оптике энергетических характеристик поля привёл бы к нелинейности уравнений, что лишило бы оснований использование принципа суперпозиции, как базового принципа, позволяющего объяснить многие оптические явления.

Кроме того, уравнения Максвелла, позволяющие вычислить значения Е не учитывают в явном виде ни геометрии поля излучения, ни его фотометрических характеристик, и потому современная теория оптических приборов не использует математического аппарата теории Максвелла во всей полноте.[5]

Будучи ориентированной на практику, теория оптических приборов продолжает базироваться на использовании геометрической оптики и закона сохранения энергии.

Существует официально признанная совокупность терминов, описывающих энергетические характеристики поля излучения [6].

В связи с этим теоретик светового поля Гершун говорил:

Тот, кто при попытке описания светового поля пользуется термином «интенсивность» либо намеренно отказывается от возможности его количественного описания, либо не понимает того, о чем говорит [7],[8]

Теория светового поля[править | править исходный текст]

Исходной энергетической характеристикой поля излучения является «спектральная плотность энергетической яркости»

B(λ)= d(E) / [d(λ) x d(t) x dS x d(ω)],

обозначающая долю энергии излучения, лежащую в единичном интервале длин волн, проходящей за единицу времени через перпендикулярную распространению излучения площадку единичной площади и распространяющуюся в пределах единичного телесного угла. (см. рис.)Если добавить к этому еще и ориентацию плоскости поляризации, то совокупность значений спектральной плотности яркости исчерпывающим образом описывает поле излучения.

Спектральная плотность яркости есть скаляр, величина которого зависит от ориентации в пространстве нормали к площадке dS. Откладывая в желаемом масштабе значения B(λ) по разным направлениям нормали при различной ориентации площадки, получаем тело спектральной плотности яркости, как исходную характеристику поля неполяризованного излучения для данной точки поля излучения.

Фотометрические измерения[править | править исходный текст]

Фото́метр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других — одной или нескольких световых величин.

При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью. Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Гершун А. А. Теория светового поля: Избранные труды по фотометрии и светотехнике
  2. ИТМО:Годы и люди:Часть первая/сост. М. И. Потеев. СПб.,2000.-284 с. УДК 378.095’(09);ISBN 5-7577-0054-8;ISBN 5-93793-001-0
  3. Мешков: Основы светотехники.1 и 2 том.
  4. Optik:eine Einführung/F- und L-Pedrotti; W.Bausch;H.Schmidt — 1 Aufl.München. 1996- ISBN 3-8272-9510-6
  5. Чуриловский  В. Н. Теория оптических приборов. М.;Л.,1966.564  с.
  6. http://www.yondi.ru/inner_c_article_id_635.phtm ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин
  7. Гершун. Лекции по физической оптике, читавшиеся на Инженерно-физическом факультете ЛИТМО до конца 1951 года
  8. Избранные труды по фотометрии и светотехнике"