Неделько -3 (1106085), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Показания физических приборов, принципы действия которых основаны на физических законах и не зависят от зрительных ощущений субъекта, объективны если прибор исправен и выполнены все требования «Инструкции по эксплуатации». Величины, регистрируемые физическими приборами, называют энергетическими.

Человеческий глаз также реагирует на электрические величины, но ощущения, вызываемые светом, в свою очередь зависят от особенностей восприятия светом глаза, т.е. от конструкции глаза как оптического прибора. А она такова, что глаз обладает разной чувствительностью по отношению к длине волны электромагнитного излучения. Максимальная чувствительность имеет место при λ = 555 нм, а к краям видимого диапазона уменьшается. Например, если излучение с длиной волны 555 нм и излучение с длиной волны 760 нм проходят в одинаковых условиях и имеют одинаковую интенсивность, то прибор, определяющий мощность излучения, покажет одни и те же результаты. А вот чтобы вызвать у человеческого глаза ощущение яркости при длине волны 760 нм такое же как при длине волны 555 нм, надо увеличить мощность излучения в 20000 раз. В практике большой интерес представляет часто именно субъективные ощущения (например, освещение помещений, улиц, рабочего места …).

Поскольку при решении подобных проблем имеют дело с техническими устройствами, при создании которых используют и физические законы и особенности человеческого глаза (ощущения), то субъективные ощущения надо формализовать, поставив им в соответствие физические величины ‑ их называют фотометрические энергетические величины (иногда их называют редуцированными фотометрическими величинами и/или световыми величинами) .

Таким образом в оптике существуют два типа величин связанные между собой:

1. Энергетические фотометрические величины – их фундаментом является поток излучения, физический смысл которого – мощность переносимая электромагнитным излучением, а сами величины описывают пространственное распределение потока (т.е. распределение по площади и/или телесному углу). В математическом эквиваленте они описываются производными от потока по площади и/или телесному углу.

2. Редуцированные фотометрические (световые) величины – система световых величин (аналогичных соответствующим энергетическим величинам), измеряемых с учётом спектральной чувствительности средне-адаптированного глаза. Фундаментом световых величин является сила света, единица измерения которой одновременно является эталоном в системе СИ.

Рассмотрим подробно эти два типа величин. Начнём с энергетических.

Излучение электромагнитной энергии (W) происходит с поверхности ( ) тел, в течение определённого времени (t), в каком либо направлении ( ); при этом оно распространяется в пределах определённого телесного угла ( ) (рис. 5).

Таким образом, общая энергия излучения зависит от . Единица измерения ‑ джоуль (дж). Используя эту величину путём нормирования её по отдельным параметрам (от которых она зависит) получают ряд оптических энергетических величин. При этом в качестве нормирующих величин берут элементарные величины. Определения всех энергетических величин основаны на мощности излучения, т.е. нормирование энергии по времени.

,

где ‑ элементарный интервал времени, в пределах которого мощность постоянна. Единица измерений Р – ватт (вт= дж/сек).

При расчётах используются предельные значения . Нормирование мощности по частоте (длине волны) даёт физическую величину называемую спектральной плотностью мощности излучения

,

где ‑ мощность, приходящая на интервал длин волн ( . Единица измерений ‑ .

Все энергетические (и фотометрические) величины могут быть нормированы по частоте и длине волны ( ). В этом случае они сохраняют свои названия, но добавляется термин спектральные.

Нормирование мощности на элемент телесного угла даёт величину, называемую энергетической силой излучения

.

Единица измерений .

Если нормировать на элемент телесного угла спектральную плотность излучения , то получим величину – спектральную плотность энергетической силы излучения

.

Единица измерений .

Ранее было сказано, что излучение с поверхности тела происходит по различным направлениям, характеризуемым углом между нормалью к элементу поверхности , направлением распространения излучения. Берут проекцию элемента поверхности на поверхность, перпендикулярную направлению распространения излучения (рис. 6).

Энергетическая сила излучения , нормированная на единицу площади плоскости ‑ физическая величина, называемая энергетической яркостью поверхности в точке элемента :

.

Единица измерений . Для спектральной плотности эта формула имеет вид

.

Мощность излучения с элемента поверхности по всем направлениям, отнесённая к площади этого элемента, называется энергетической светимостью.

.

Единица измерений .

Все рассмотренные величины относились к процессу излучения электромагнитных волн с поверхности тел. Однако излучение падает на поверхности, а значит должна быть величина, характеризующая процесс падения излучения. Такая величина носит название энергетическая освещённость (Е). Она равна отношению мощности излучения падающего на элемент поверхности, к площади элемента : (рис. 7). Единица измерений .

Световые фотометрические величины. Основной величиной в этом случае является сила света. Единица измерения силы света – 1канделла – является основной единицей в СИ (определение см. часть I). Названия фотометрических величин обычно получают из названий энергетических величин заменой слова «излучение» на слово «свет» отбрасыванием слова «энергетический» и задавая индекс . Таким образом, каждой фотометрической величине есть аналогичная энергетическая. Их свойства аналогичны.

Так, сила света, обозначаемая (единица измерений кандела, кд), её энергетический аналог – энергетическая сила излучения . Используя силу света, получают все другие световые величины.

Световой поток: . Единица измерений люмен (лм). Аналог светового потока, мощность излучения (только обычно его обозначают не , а ).

Яркость: . Единица измерений .

Освещённость: . Единица измерений люкс (лк), .

Между фотометрическими и энергетическими величинами существует функциональная связь. Итак, если зафиксировать мощность излучения, то максимально ярким источник будет смотреться при длине волны λ = 555 нм (зелёный свет). Таким образом, если есть проблема эффективного освещения какого-либо объекта (помещения, стадиона, улицы…), то надо принять во внимание спектральный состав излучения источников света и связь истинной мощности излучения в различных интервалах длин волн с субъективным зрительным ощущением мощности.

Надо оценить связь спектральной плотности светового потока и спектральной мощностью при одинаковом зрительном ощущении на различных длинах волн. Эта связь количественной определяется величиной

,

называемой спектральной световой эффективностью. Для различных людей её значения незначительно варьируются, и поэтому в практике используется среднестатистическая кривая , полученная в результате измерений с большим числом людей с нормальным зрением. Обычно пользуются относительной спектральной световой эффективностью . Кривая показана на рис. 8.

Таким образом, связь спектральной плотности светового потока со спектральной мощностью излучения имеет вид , а световой поток

.

Применение этой формулы к излучению эталона, с помощью которого определяется кандела, привела к следующему результату: ν (555 нм) = 683 лм/вт.

7.3. Волновая модель оптических явлений

Основной закон, который является фундаментом объяснения всех оптических явлений – универсальный принцип суперпозиций (см. часть 1,2). Согласно этому принципу, напряжённость электрического поля равна соответственно сумме напряжённостей всех полей в данной точке независимо от их происхождения. Полученная в результате сложения сумма напряжённостей электрического поля и является причиной наблюдаемых оптических явлений. Другими словами, для количественного объяснения конкретного оптического явления надо использовать принцип суперпозиций и условия, накладываемые на электромагнитные поля при рассмотрении этого конкретного явления. Рассмотрим конкретные примеры.

п.1 Интерференция.

В быту можно наблюдать радужно окрашенные масляные пятна на воде, мыльные пузыри, окисные поверхности металлов и т.п. Такие визуальные наблюдаемые фрагменты материального мира называют интерференционными картинами. В рамках рассмотрения интерференционной картины как физического явления её можно описать как регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.

Напомним, что интенсивность света (или интенсивность светового потока) – световая величина, ей соответствует энергетическая величина «интенсивность излучения» (или «яркость излучения»). Эта величина пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля электромагнитной волны. Такое чередование интенсивностей имеет место в силу действия принципа суперпозиций при определённых условиях. Таким условием, т.е. условием создания стационарной интерференционной картины, является наличие постоянной разности фаз налагающихся волн. Волны, у которых разность фаз постоянна, называют когерентными.

Характеристики

Список файлов лекций