Енергетична та світлова системи величин.

Для кількісної оцінки випромінювання використовується досить широке коло величин, яке умовно можна розділити на дві системи одиниць: енергетичну та світлову. При цьому енергетичні величини характеризують випромінювання, що відноситься до всієї оптичної області спектра, а світлотехнічні величини - видимого випромінювання. Енергетичні величини пропорційні відповідним світлотехнічним величинам.

Основною величиною в енергетичній системі, що дозволяє судити про кількість випромінювання, є потік випромінювання Фе, або потужність випромінювання, тобто. кількість енергії W, що випромінюється, переноситься або поглинається в одиницю часу:

Величину Фе виражають у Ват (Вт). - Енергетична одиниця

Найчастіше не враховують квантову природу виникнення випромінювання і вважають його безперервним.

Якісною характеристикою випромінювання є розподіл потоку випромінювання за спектром.

Для випромінювань, що мають суцільний спектр, вводиться поняття спектральної густини потоку випромінювання (j l)- Відношення потужності випромінювання, що припадає на певну вузьку ділянку спектра, до ширини цієї ділянки (рис. 2.2). Для вузького спектрального діапазону dlпотік випромінювання дорівнює dФ l.По осі ординат відкладені спектральні густини потоку випромінювання j l = dФ l /dl,тому потік представляється площею елементарного ділянки графіка, тобто.

Якщо спектр випромінювання лежить у межах від l 1до l 2то величина потоку випромінювання

Під світловим потоком F, У загальному випадку, розуміють потужність випромінювання, оцінену за його впливом на людське око. Одиницею виміру світлового потоку є люмен (лм). - Світлотехнічна одиниця

Дія світлового потоку на око викликає його певну реакцію. Залежно від рівня дії світлового потоку працює той чи інший вид світлочутливих приймачів ока, які називаються паличками або колбочками. У разі низького рівня освітленості (наприклад, при світлі Місяця) очей бачить навколишні предмети з допомогою паличок. При високих рівнях освітленості починає працювати апарат денного зору, який відповідальні колбочки.

Крім того, колбочки за своєю світлочутливою речовиною поділяються на три групи з різною чутливістю у різних областях спектру. Тому на відміну паличок вони реагують як на світловий потік, а й у його спектральний склад.

У зв'язку з цим можна сказати, що світлова дія двовимірна.

Кількісна характеристика реакції ока, пов'язана з рівнем освітлення, називається світлої.Якісна характеристика, пов'язана з різним рівнем реакції трьох груп колб, називається кольоровістю.

Сила світла (І).У світлотехніці ця величина прийнята за основну. Такий вибір немає принципової основи, а зроблено з міркувань зручності, оскільки сила світла залежить від відстані.

Поняття сили світла належить лише точковим джерелам, тобто. до джерел, розміри яких малі порівняно з відстанню від них до поверхні, що освітлюється.

Сила світла точкового джерела в деякому напрямі є тільним кутом, що припадає на одиницю. Wсвітловий потік Ф, що випромінюється цим джерелом у цьому напрямку:

I = Ф/Ω

Енергетичнасила світла виражається у ватах на стерадіан ( Вт/ср).

За світлотехнічнуодиницю сили світла прийнято кандела(кд) – сила світла точкового джерела, що випускає світловий потік в 1 лм, рівномірно розподілений всередині тілесного кута в 1 стерадіан (ср).

Тілесним кутом називається частина простору, обмежена конічною поверхнею та замкнутим криволінійним контуром, що не проходить через вершину кута (рис. 2.3). При стиску конічної поверхні розміри сферичної площі стають нескінченно малими. Тілесний кут у цьому випадку також стає нескінченно малим:

Рисунок 2.3 – До визначення поняття «тілесний кут»

Освітленість (Е).Під енергетичною освітленістю Е ерозуміють потік випромінювання на одиницю площіосвітлюваної поверхні Q:

Енергетична освітленість виражається в Вт/м2.

Світлове освітлення Евиражається щільністю світлового потоку Fна поверхні, що освітлюється ним (рис. 2.4):

За одиницю світлового освітлення прийнято люкс, тобто. освітленість поверхні, що отримує рівномірно розподілений по ній світловий потік 1 лм на площі в 1 м 2 .

Серед інших величин, що використовуються у світлотехніці, важливими є енергіявипромінювання Wеабо світлова енергія W, а також енергетична Неабо світлова Некспозиція.

Величини Wе та W визначаються виразами

де – відповідно функції зміни потоку випромінювання та світлового потоку у часі. Wе вимірюється в джоулях або Вт с, a W –у лм с.

Під енергетичною Н е або світловою експозицієюрозуміють поверхневу щільність енергії випромінювання Wе або світлової енергії Wвідповідно на поверхні, що освітлюється.

Тобто світлова експозиція Hце твір освітленості E, що створюється джерелом випромінювання, на час tдії цього випромінювання.

Фотометрієюназивається розділ оптики, що займається вимірюванням світлових потоків та величин, пов'язаних з такими потоками. У фотометрії використовуються такі величини:

1) енергетичні - характеризують енергетичні параметри оптичного випромінювання безвідносно для його дії на приймачі випромінювання;

2) світлові - характеризують фізіологічну дію світла та оцінюються за впливом на око (виходячи з так званої середньої чутливості ока) або інші приймачі випромінювання.

1. Енергетичні величини. Потік випромінювання Φ e – величина, що дорівнює відношенню енергії Wвипромінювання до часу t, за яке випромінювання відбулося:

Одиниця потоку випромінювання – ват (Вт).

Енергетична світність (випромінювання) R e– величина, що дорівнює відношенню потоку випромінювання Φ e , що випускається поверхнею, до площі Sперерізу, крізь який цей потік проходить:

тобто. є поверхневою щільністю потоку випромінювання.

Одиниця енергетичної світності – ват на метр у квадраті (Вт/м2).

Інтенсивність випромінювання:

де Δ S– мала поверхня, перпендикулярна напряму поширення випромінювання, якою переноситься потік ΔΦ е.

Одиниця виміру інтенсивності випромінювання така сама, як і енергетичної світності –Вт/м 2 .

Для визначення наступних величин потрібно використовувати одне геометричне поняття – тілесний кут який є мірою розчину деякої конічної поверхні. Як відомо, мірою плоского кута є відношення дуги кола lдо радіусу цього кола r, тобто. (Рис. 3.1 а). Аналогічно визначається тілесний кут Ω (рис. 3.1 б) як відношення поверхні кульового сегмента S до квадрату радіуса сфери:

Одиницею вимірювання тілесного кута є стерадіан (СР) – це тілесний кут, вершина якого розташована в центрі сфери, і який вирізує на поверхні сфери площу, рівну квадрату радіусу: Ω = 1 СР, якщо . Неважко переконатися, що повний тілесний кут навколо точки дорівнює 4π стерадіан – для цього потрібно поверхню сфери розділити на квадрат її радіусу.

Енергетична сила світла (сила випромінювання ) I eвизначається за допомогою поняття про точкове джерело світла - Джерело, розмірами якого в порівнянні з відстанню до місця спостереження можна знехтувати. Енергетична сила світла - величина, що дорівнює відношенню потоку випромінювання джерела до тілесного кута Ω, в межах якого це випромінювання поширюється:

Одиниця енергетичної сили світла – ват на стерадіан (Вт/ср).

Енергетична яскравість (променистість) В е– величина, що дорівнює відношенню енергетичної сили світла ΔI eелемента випромінюючої поверхні до площі ΔSпроекції цього елемента на площину, перпендикулярну до напряму спостереження:

. (3.6)

Одиниця енергетичної яскравості – ват на стерадіан-метр у квадраті (Вт/(ср·м 2)).

Енергетична освітленість (опроміненість) їїхарактеризує величину потоку випромінювання, що падає на одиницю поверхні, що освітлюється. Одиниця енергетичного освітлення збігається з одиницею енергетичної світності (Вт/м 2 ).

2. Світлові величини.При оптичних вимірах використовуються різні приймачі випромінювання (наприклад, очей, фотоелементи, фотопомножувачі), які не мають однакову чутливість до енергії різних довжин хвиль, будучи таким чином, селективними (виборчими) . Кожен приймач світлового випромінювання характеризується своєю кривою чутливості до світла різних довжин хвиль. Тому світлові виміри, будучи суб'єктивними, відрізняються від об'єктивних, енергетичних і для них вводяться. світлові одиниці, використовуються лише для видимого світла. Основною світловою одиницею у СІ є одиниця сили світла – кандела (кд), яка визначається як сила світла в заданому напрямку джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частотою 540 10 12 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/пор. Визначення світлових одиниць аналогічне енергетичним.

Світловий потік Φ св визначається як потужність оптичного випромінювання за викликаним ним світловим відчуттям (про його дію на селективний приймач світла із заданою спектральною чутливістю).

Одиниця світлового потоку – люмен (лм): 1 лм – світловий потік, що випускається точковим джерелом силою світла в 1 кд усередині тілесного кута в 1 ср (при рівномірності поля випромінювання всередині тілесного кута) (1 лм = 1 кдср).

Сила світла I свпов'язана зі світловим потоком співвідношенням

, (3.7)

де dΦ св– світловий потік, що випромінюється джерелом у межах тілесного кута dΩ. Якщо I свне залежить від напрямку, джерело світла називається ізотропним. Для ізотропного джерела

. (3.8)

Потік енергії . Φ е, що вимірюється у ватах, і світловий потік Φ св, що вимірюється в люменах, пов'язані співвідношенням:

, ЛМ, (3.9)

де - константа, - функція видимості, яка визначається чутливістю людського ока до випромінювання різних довжин хвиль. Максимальне значення досягається при . У комплексі використовується лазерне випромінювання із довжиною хвилі. . В цьому випадку .

Світність R сввизначається співвідношенням

. (3.10)

Одиниця світності – люмен на метр у квадраті (лм/м2).

Яскравість У φповерхні, що світиться площею Sв деякому напрямку, що утворює кут φ з нормаллю до поверхні, є величина, що дорівнює відношенню сили світла в даному напрямку до площі проекції поверхні, що світиться на площину, перпендикулярну даному напрямку:

. (3.11)

Джерела, яскравість яких однакова в усіх напрямках, називаються ламбертівськими (що підкоряються закону Ламберта) або косинусними (Потік, що посилається елементом поверхні такого джерела, пропорційний). Суворо дотримується закону Ламберта тільки абсолютно чорне тіло.

Одиниця яскравості – кандела на метр у квадраті (кд/м2).

Освітленість Е– величина, що дорівнює відношенню світлового потоку, що падає на поверхню, до площі цієї поверхні:

. (3.12)

Одиниця освітленості – люкс (лк): 1 лк – освітленість поверхні, на 1 м 2 якої падає світловий потік 1 лм (1 лм = 1 лк/м 2 ).

Порядок виконання роботи

Рис. 3.2.

Завдання 1. Визначення сили світла лазера.

Вимірявши діаметр пучка лазера, що розходиться, в двох його перерізах, рознесених на відстань , можна знайти малий кут розбіжності пучка і тілесний кут , в якому поширюється випромінювання (рис. 3.2):

, (3.13)

Сила світла в канделлах визначається за такою формулою:

, (3.15)

де - константа, потужність випромінювання встановлюється мінімальною - рівною (ручка регулювання струму лазера повернута до крайнього положення проти годинникової стрілки), - функція видимості, яка визначається чутливістю людського ока до випромінювання різних довжин хвиль. Максимальне значення досягається при . У комплексі використовується лазерне випромінювання із довжиною хвилі. . В цьому випадку .

Експеримент

1. Встановіть на оптичній лаві модуль 2 і виконайте юстирування установки за методикою, описаною на стор. Переконавшись, що інсталяція від'юстована, зніміть модуль 2.

2. Надягніть лінзу-насадку на випромінювач (об'єкт 42). Встановіть лінзу-конденсор (модуль 5) наприкінці лави екраном до випромінювача. Зафіксуйте координату ризики його рейтери. По екрану конденсора визначте діаметр лазерного пучка.

3. Перемістіть конденсор до лазера на 50-100 мм. Зафіксуйте координату ризику і, відповідно, на екрані конденсора визначте діаметр пучка .

4. Розрахуйте лінійний кут розбіжності пучка за формулою (3.13), беручи . Розрахуйте тілесний кут розбіжності пучка за формулою (3.14) та силу світла за формулою (3.15). Зробіть стандартну оцінку похибок.

5. Проведіть досвід ще 4 рази за інших положень конденсора.

6. Результати вимірювань занесіть у таблиці:

№	,	,

№					, %

Завдання 2. Інтенсивність у сферичній хвилі

Пучок випромінювання лазера перетворюється лінзою, що збирає, в сферичну хвилю, що спочатку сходить до фокусу, а після фокусу - розходиться. Потрібно простежити характер зміни інтенсивності з координатою -. Як використовуються показання вольтметра без перерахунку в абсолютні значення.

Експеримент

1. Зніміть з випромінювача лінзу-насадку, що розсіює. В кінці вільної лави встановіть мікропроектор (модуль 2) і впритул перед ним лінзу-конденсор (модуль 5). Переконайтеся, що при відсуненні модуля 5 від модуля 2 змінюється розмір плями на екрані установки та інтенсивність випромінювання в центрі плями. Поверніть конденсор у початкове положення.

2. Помістіть в об'єктну площину мікропроектора фотодатчик – об'єкт 38, підключіть фотодатчик до мультиметра, мультиметр поставте в режим вимірювання постійної напруги (діапазон вимірювань – до 1 В) та зніміть залежність напруги на вольтметрі від координати модуля 5 з кроком 10 мм, приймаючи за крапку відліку координату ризики модуля 2. Зробіть 20 вимірів.

4. Дати визначення основних фотометричних величин (енергетичних та світлових) із зазначенням одиниць виміру.

5. Яка світлова одиниця виміру є основною в СІ? Як вона визначається?

6. Як пов'язані між собою потік випромінювання та світловий потік?

7. Яке джерело світла називається ізотропним? Як пов'язані між собою сила світла та світловий потік ізотропного джерела? Чому?

8. Коли джерело світла називається ламбертівським? Навести приклад строго ламбертовського джерела.

9. Як залежить інтенсивність світлової хвилі, що випромінюється ізотропним точковим джерелом, від відстані до джерела? Чому?

Лабораторна робота №4

1. Потік випромінювання. Поняття про спектр електромагнітних випромінювань. Принцип вимірювань розподілу потоку за спектром. Енергетичні величини.

Потік (потужність) випромінювання (Ф) явл. основною величиною в енергетичній системі вимірювань. За потужність (або потік) випромінювання приймають енергію, що переноситься в одиницю часу. Величину Ф виражають у ватах (Вт).

Діапазон хвиль електромаг. коливань, сущ. в природі, досить широкий і простягається від часток ангстрему до кілометра.
Спектр електромагнітних випромінювань, мкм

Гамма промені _____________________________________ менше 0,0001

Рентгенівські промені_______________________________ 0,01-0,0001

Ультрафіолетові промені____________________________ 0,38-0,01

Видимий світло_____________________________________ 0,78-0,38

Інфрачервоні промені ________________________________1000-0,78

Радіохвилі________________________________________ більше 1000

До оптичної області спектру відноситься лише частина електромагнітного випромінювання з інтервалом довжин хвиль від λmin= 0,01 мкм до λmax=1000мкм. Таке випромінювання створюється в результаті електромагнітного збудження атомів, коливального та обертального руху молекул.

В оптичній спектрі можна виділити три основні області: ультраф., видиму, інфрачервону.

Ультрафіолетове випромінювання дає найпотужніші фотони і має сильну фотохімічну дію.

Випромінювання видимого світла, незважаючи на досить вузький інтервал, дозволяють бачити все різноманіття навколишнього світу. Так так людське око практично не сприймає випромінювання з крайніми діапазонами довжин хвиль (вони надають на око слабке вплив), на практиці видимим світлом прийнято вважати випромінювання з діапазоном довжин хвиль 400-700 нм. Це випромінювання має значну фотофізичну та фотохімічну дію, але менше, ніж ультрафіолетове.

Мінімальної енергією з усієї оптичної області спектра мають фотони інфрачервоного випромінювання. Для цього випромінювання хар-но теплова дія і, значно меншою мірою, фотофізична та фотохіміч. дія.

2. Поняття про приймач випромінювання . Реакція приймача. Класифікація наступників випромінювання. Лінійні та нелінійні приймачі. Спектральна чутливість приймача випромінювання.

тіла, у яких відбуваються такі перетворення під дією оптичного випромінювання, отримали у світлотехніці загальну назву «приймачі випромінювання»

Умовно приймачі випромінювання поділяються на:

1.Природним приймачем випромінювання є людське око.

2.Світлочутливі матеріали, що служать для оптичного запису зображень.

3.Приймачами є також світлочутливі елементи вимірювальних приладів (денситометрів, колориметрів)

Оптичне випромінювання має високу енергію і тому впливає багато речовин і фізичні тіла.

В результаті поглинання світла в середовищах та тілах виникає ціла низка явищ (рис 2.1, сир 48)

Тіло, що поглинуло випромінювання, саме починає випромінювати. При цьому вторинне випромінювання може мати інший спектральний діапазон порівняно з поглиненим. Н-р, при освітленні ультрафіолетовим світлом тіло випромінює видиме світло.

Енергія поглиненого випромінювання перетворюється на електричну енергію, як у випадку фотоефекту , чи робить зміна електричних властивостей матеріалу, що у фотопровідниках. Такі перетворення зв. фотофізичними.

Інший тип фотофізичного перетворення-перехід енергії випромінювання на теплову енергію. Це явище знайшло застосування у термоелементах, що використовуються для вимірювання потужності випромінювання.

Енергія випромінювання перетворюється на хімічну енергію. Проходить фотохімічне перетворення речовини, що поглинула світло. Таке перетворення відбувається у більшості світлочутливих матеріалів.

Тіла, у яких відбуваються такі перетворення під впливом оптичного випромінювання, отримали світлотехніці загальне зв. «приймачі випромінювання»

Лінійні нелінійні приймачі??????????????????

Спектральна чутливість приймача випромінювання.

Під дією оптичного випромінювання в приймачі відбувається фотохімічне та фотофізичне перетворення, що заданим чином змінює властивості приймача.

Цю зміну називають корисною реакцією приймача.

Однак не вся енергія випромінювання, що впало, витрачається на корисну реакцію.

Частина енергії приймачів не поглинається і тому реакції не може викликати. Поглинена енергія також повністю перетворюється корисно. Н-р, крім фотохімічного перетворення, може відбуватися нагрівання приймача. Практично використовувана частина енергії зв. корисною, а частина потужності випромінювання (потоку випромінювання Ф), що практично використовується, - ефективним потоком Реф.

Відношення ефективного потоку Реф до потоку випромінювання, що впало на приймач

зв. світлочутливістю приймача.

У більшості приймачів спектральна чутливість залежить від довжини хвилі.

Sλ= сРλ еф/Фλ та Рλ еф=КФλSλ

Величини називають Фλ і Рλ відповідно монохроматичним потоком випромінювання і монохроматичним ефективним потоком, а Sλ - монохроматичної спектральної чутливістю.

Знаючи розподіл потужності за спектром Ф(λ) для випромінювання, що падає на приймач, та спектральну чутливість приймача S(λ), можна розрахувати ефективний потік за формулою – Реф=К ∫ Ф(λ)S(λ)dλ

Вимірювання відноситься до діапазону ∆λ , обмеженого спектральної чутливістю приймача, або спектральним діапазоном вимірювання.

3.Особливості ока як приймач. Світловий потік. Його зв'язок із потоком випромінювання. Крива видимості. Відмінність світлового та енергетичного потоків у діапазоні 400-700 нм.
Особливості ока як приймач.

Зоровий апарат складається з приймача випромінювання (очей), зорових нервів і зон головного мозку. У цих зонах сигнали, що формуються в очах і надходять через очні нерви, аналізують і перетворюються на зорові образи.

Приймач випромінювання є двома очними яблуками, кожне з яких за допомогою шести зовнішніх м'язів може легко повертатися в очниці як в горизонт, так і вертикальній площині. Під час розгляду об'єкта очі стрибкоподібно переміщаються, по черзі фіксуючись різних точках об'єкта. Це переміщення має векторний характер , тобто . напрямок кожного стрибка визначається об'єктом, що розглядається. Швидкість стрибка дуже велика, а точки фіксації, на яких око зупиняється на 0,2-0,5с, розташовуються в основному на межі деталей, де є перепади яскравостей. Під час «зупинок» очі не перебувають у стані спокою, а здійснює швидкі мікропереміщення щодо точки фіксації. Незважаючи на ці мікросаккади, в точках фіксації відбувається фокусування ділянки об'єкта, що спостерігається, на центральній ямці світлочутливої сітківки з очей.

Рис.2.4 (Горизонтальний переріз ока) стор.56

Світловий потік(F) Під світловим потоком, у загальному випадку, розуміють потужність випромінювання, оцінену за його впливом на людське око. Одиницею виміру світлового потоку є люмен (лм).

Дія світлового потоку на око викликає його певну реакцію. Залежно від рівня дії світлового потоку працює той чи інший вид світлочутливих приймачів ока, які називаються паличками або колбочками. У разі низького рівня освітленості (н-р, при світлі Місяця) очей бачить навколишні предмети з допомогою паличок. При високих рівнях освітленості починається працювати апарат денного зору, який відповідальні колбочки.

У зв'язку з цим можна сказати, що світлова дія двовимірна. Кількісна характеристика реакції ока, пов'язана з рівнем освітлення, зв. світловий. Якісна характеристика, пов'язана з різним рівнем реакції трьох груп колб, наз кольоровістю.

Важливою характеристикою явл крива розподілу відносної спектральної чутливості ока (відносної спектральної світлової ефективності) при денному світлі = f (λ) Рис.1.3 стор.

На практиці встановлено , що в умовах денного освітлення максимальну чутливість людське око має до випромінювання з Лямда = 555 нм (V555 = 1). спектральною світловою ефективністю.
К= F555/Ф555=1/0,00146=680 (лм/Вт)

Або для будь-якої довжини хвилі випромінювання видимого діапазону = Const:

К=1/V(λ) * F λ /Ф λ =680. (1)

Використовуючи формулу (1), можна встановити зв'язок між світловим потоком і потоком випромінювання.

Fλ = 680 * Vλ * Фλ

Для інтегрального випромінювання

F= 680 ∫ Vλ Фλ dλ

4.Фотоактінічний потік. Загальні відомості про ефективний потік. Монохроматичний та інтегральний потоки. Актинічність .

У світлотехніці та репродукційній техніці використовується два види ефективних потоків: світловий F та фотоактинічний А.

Світловий потік пов'язаний з потужністю (потоком випромінювання Ф).

F=680 ∫ Ф(λ) V(λ) dλ

400 нм
деФ(λ) –розподіл потужності випромінювання по спектру, V(λ) – крива відносної спектральної світлової ефективності (крива видимості), а 680-коефіцієнт, що дозволяє перейти від ват до люменів. Його називають світловим зквівалентом потоку випромінювання і виражають у лм/Вт.

Якщо світловий потік падає будь-яку поверхню, його поверхнева щільність називається освітленістю. Освітленість Е пов'язана зі світловим потоком формулою

Де Q-площа в м Одиниця освітленості – люкс(кл)

Для світлочутливих матеріалів та фотоприймачів вимірювальних приладів використовують фотоактинічний потікA. Це ефективний потік, який визначається виразом
А = ∫ Ф (λ) S (λ) dλ

Якщо спектральний діапазон, в якому проводиться вимірювання, обмежений довжинами хвиль λ1 і λ2 то вираз для фотоактинічного потокунабуде вигляду

А = ∫ Ф(λ) * S(λ) dλ

λ 1
Одиниця виміру А побачить від одиниці виміру спектральної чутливості. Якщо Sλ – відносна величина, А вимірюється у ватах. Якщо Sλ має розмірність, н-р

м /Дж, то це позначиться на розмірності фотоактинічного потоку

Поверхнева щільність фотоактинічного потоку на поверхні, що освітлюється зв актинічністю випромінюванняa, a= dA/ dQ

Якщо поверхню приймача освітлена рівномірно, а=А/Q.

Для монохроматичного випромінювання.

Fλ = 680 * Vλ * Фλ

Для інтегрального випромінювання

F= 680 ∫ Vλ Фλ dλ

Актинічність-аналог освітленості. Її одиниця виміру залежить від розмірності А

Якщо А – Вт, то а-Вт/м

Рис.2.2 стор 52

Чим більша активність випромінювання, тим ефективніше використовується енергія випромінювання і тим більше, за інших рівних умов, буде корисна реакція приймача.

Для досягнення максимальної актинічності бажано, щоб максимальна спектральна чутливість приймача і максимальна потужність випромінювання припадала на ті самі зони спектру. Цією міркуванням керується при підборі джерела світла для отримання зображень на конкретному типі світлочутливих матеріалів.

Н-р, копіювальний процес.

Копіювальні шари, що використовуються для виготовлення друкованих форм, чутливі до ультрафіолетових та синьо-фіолетових випромінювань. На випромінювання інших зон видимого діапазону вони не реагують. Тому для проведення копіювального процесу застосовують

Металогалогенні лампи, багаті на випромінювання ультрафіолетової та синьої зон спектру.

РІС 2.3. Стор 53 посібник

5. Колірна температура. Криві світності абсолютного чорного тіла за різних температур. Концепція нормованої кривої. Визначення терміна "колірна температура". Напрямок зміни кольору випромінювання зі зміною колірної температури.

Колірна температура означає температуру в кельвінах абсолютно чорного тіла, при якому випромінювання має ту ж кольоровість, що розглядається. Для ламп розжарювання з вольфрамовою ниткою спектральний розподіл випромінювання пропорційно спектральному розподілу випромінювання чорного тіла в діапазоні довжин хвиль 360-1000 нм. Для розрахунку спектрального складу випромінювання абсолютно чорного тіла при заданій абсолютній температурі його нагріву можна скористатися формулою Планка:

е -5 з 2 / λ t

R = С1 λ (е -1)
е

Де Rλ-спектральна енергетична світність, С1 і С2 – константи, е-основа натуральних логарифмів, T-абсолютна температура

Експериментально колірну температуру визначають за величиною синьо-червоного відношення актинічності. Актинічність-освітленість, ефективна по відношенню до фотоприймача:

Аλ = Фλ Sλ / Q = Eλ Sλ
Де Ф-променистий потік, Sλ – чутливість фотоприймача, Qλ-його площа

Якщо як фотоприймач використаний люксметр, то актинічністю явл освітленість, визначена при екрануванні фотоелемента синім і червоним світлофільтрами.

Технічно вимір проводиться наступним чином.

Фотоелемент люксметра поперемінно екранується спеціально підібраними синім та червоним світлофільтрами. Світлофільтри повинні бути зональними та мати однакову кратність у зоні пропускання. По гальванометру люксметра визначають освітленість від джерела, що вимірюється за кожен з світлофільтрів. Розраховують синьо-червоне відношення за формулою

К = Ас / Ак = Ес / Ек

ГРАФІК стор 6 лаб раб

Ф?. Для цього за формулою Планка розраховують значення спектральної енергетичної світності. Далі проводять нормування отриманої функції. Нормування полягає у пропорційному зменшенні чи збільшенні всіх значень таким

чином, щоб функція проходила через точку з координатами = 560нм, lg R560 =2,0

або λ= 560 нм, R560 отн = 100 При цьому вважається, що кожне значення відноситься до спектрального інтервалу ∆λ, відповідного кроку розрахунку.

∆λ=10 нм, світність 100 Вт*м відповідають довжині хвилі 560 нм в інтервалі довжин хвиль 555-565 нм.

Рис 1.2 Стор 7 лаб раб

За функцією спектральної залежності Rλ = f λ можна знайти функції E λ = Фλ = f λ Для цього необхідно скористатися формулами

E-освітленість, R-світність, Ф-енергетичний потік, Q-площа
6. Джерело світла. Їхня спектральна характеристика. Класифікація джерел світла на кшталт випромінювання. Формула Планка та Вина.
7. Фотометричні властивості джерел випромінювання. Класифікація за геометричними величинами: точковий та протяжний джерела світла, фотометричне тіло.

Залежно від співвідношення розмірів випромінювача і його відстані до досліджуваної точки поля джерела випромінювання можна умовно розділити на 2 групи:

1) точкові джерела випромінювання

2) джерело кінцевих розмірів (лінійне джерело) Джерело випромінювання у якого розміри значно менші за відстань до досліджуваної точки називаються точковими. На практиці за точкове джерело приймають такий, максимальний розмір якого не менше ніж у 10 разів менший за відстань до приймача випромінювання. Для таких джерел випромінювання дотримується закону зворотних квадратів відстані.

Е=I/r 2 косинус альфа, де альфа=кут між променем світла і перпендируляр до поверхні З.

Якщо з точки в якій розташовано точкове джерело випромінювання, відкласти в різних напрямках простору віктори одиничної сили випромінювань і через їх кінці провести поверхню, то вийде ФОТОМЕТРИЧНЕ ТІЛО сили випромінювання джерела. Таке тіло повністю характеризує розподіл потоку випромінювання даного джерела в навколишньому просторі

8. Перетворення випромінювань оптичними середовищами. Характеристики перетворення випромінювання: світлові коефіцієнти, кратності, оптичні густини, зв'язок між ними. Світлофільтри Визначення терміна. Спектральна крива як універсальна характеристика світлофільтра.

При попаданні потоку випромінювання Ф0 реальне тіло (оптичне середовище) частина його Ф(ро) відбивається поверхнею, частина Ф(альфа) поглинається тілом, а частина Ф(тау) проходить крізь нього. Здатність тіла (оптичного середовища) до подібного перетворення характеризується коефіцієнтом відбиття ро=Фро/Ф0, коефіцієнтом тау=Фтау/Ф0.

Якщо коефіцієнти визначаються перетворення світлових потоків (F,лм), їх називають світловими (фотометричними)

Зростання = Fо/Fо; Альфасв=Fальфа/Fо;таусв=Fтау/Fо

Для оптичних та світлових коефіцієнтів справедливе твердження, що їх сума дорівнює 1,0(ро+альфа+тау=1)

Є ще два роду коефіцієнтів - монохроматичні та зональні. Перші оцінюють дію оптичного середовища на монохроматичне випромінювання із довжиною хвилі лямда.

Зональні коефіцієнти оцінюють перетворення випромінювання, що займає із зон спектру (синю з дельта лямда = 400-500 нм, зелену з дельта лямда = 500-600 нм і червону з дельта лямда = 600-700 нм)

9. Закон Бугера-Ламберта-Беєра. Величини, пов'язані з законом. Адитивність оптичних щільностей, як основний висновок із закону Бугера-Ламберта-Беєра. Індикатриси світлорозсіювання, каламутність середовищ. Типи світлорозсіювання.

F 0 /F t =10 kl k-показник поглинання. Беер встановив, що показник поглинання залежить також від концентрації світлопоглинаючого в-ва с, к=Хс, х- молярний показник поглинання, що виражається числом зворотним товщині шару, що послаблює світло в 10 разів при концентрації світлопоглинаючого в-ва в ньому 1 моль/л.

Остаточно рівняння, що виражає закон Бугера- ламберта-беера, виглядає таким чином: Ф0/Фт=10в ступені Хс1

Світловий потік пропущений шаром пов'язаний з впав потоком експоненційно через молярний показник поглинання, товщину шару і концентрацію світлопоглинаючого в-ва. З розглянутого закону випливає фізичне значення поняття оптичної щільності. Проінтегрувавши вираз Ф0/Фт=10в ступені Хс1

Отримаємо Д = Х * с * л, ті. Оптична щільність середовища залежить від її природи, пропорційна її товщині та концентрації світлопоглинаючого в-ва. Оскільки закон бугера- ламберта-беера характеризує частку поглиненого світла через частку світла минулого він не враховує відбитий і розсіяний світло. Крім того, отримане співвідношення, що виражає закон бугераламбертабеєра, справедливе тільки для гомогенних середовищ і не враховує втрати відбиття світла від поверхні тіл. Відхилення від закону призводить до неадитивності оптичних середовищ.

Світловий потік - потужність світлової енергії, ефективна величина, що вимірюється в люменах:

Ф = (JQ/dt. (1.6)

Одиниця світлового потоку – люмен (лм); 1 лм відповідає світловому потоку, що випромінюється в одиничному тілесному куті точковим ізотропним джерелом із силою світла 1 кандела (визначення капдели буде нижче нижче).

Монохроматичний світловий потік

Ф(А. dk) = Кт. м Фе, (Л, dk) Vx = 683Фе, (А, dk) Vx.

Світловий потік складного випромінювання: з лінійним спекіром

Ф=683£Ф,(Л„ dk)VXh

із суцільним спектром

де п – число ліній у спектрі; Ф<>Д,(А.) – функція спектральної щільності потоку випромінювання.

Спів вивчення (енергетична сила світла) 1е(х^ - просторова щільність потоку випромінювання, чисельно рівна відношенню потоку випромінювання с1Фе до тілесного кута t/£2, в межах якого потік поширюється і рівномірно розподіляється:

>еа v=d

Сила випромінювання визначає просторову густину випромінювання точкового джерела, розташованого у вершині тілесного кута (рис. 1.3). За напрям 1еф приймають вісь тілесного кута dLl. орієнтовану кутами а і Р у поздовжній та поперечній площинах. Одиниця сили випромінювання Вт/ср. назви не має.

Розподіл у просторі потоку випромінювання точкового джерела однозначно визначається його фотометричним тілом - частиною простору, оіранічного поверхнею, проведеною через кінці радіусів-векторів сили випромінювання. Перетин фотометричного гелу площиною, яка проходить через початок координат і точкове джерело, визначає криву сили світла (КСС) джерела цієї площини перерізу. Якщо фотометричне тіло має вісь симетрії, джерело випромінювання характеризують КСС у поздовжній площині (рис. 1.4).

Потік випромінювання точкового круглосиммегричного джерела випромінювання

Ф? = jle(a)dLi = 2л J le(a) sin ada,

де Дй - зональний тілесний кут, у якого поширюється випромінювання джерела; визначається у поздовжній площині кутами «| та а„.

Сила світла точкового джерела – просторова щільність світлового потоку

laf = dФ/dQ. (1.8)

Кандела (кд) – одиниця сили світла (одна з основних одиниць системи СІ). Кандела дорівнює силі світла, що випускається в перпендикулярному напрямку з площі 1/600000 м2 чорного тіла при температурі затвердіння платини Т = 2045 К і тиску 101325 Па.

Світловий потік ІС визначається КСС, якщо фотометричне тіло має вісь симетрії. Якщо КСС/(а) задана графіком або таблицею, розрахунок світлового потоку джерела визначається виразом

Ф=£/шдц-,+і,

де /ш - срслнсс значення сили світла в зональному тілесному куті; Дй (+| = 2n(cos а, - cos а,_|) (див. табл. 1.1).

Енергетична світність (випромінювальність) - відношення потоку випромінювання, що виходить з малої ділянки поверхні, що розглядається, до площі лого ділянки:

М е = (1Фе/dA; Месх>=Фе/А, (1.9)

де d$>e і Ф(. - потоки випромінювання, що випускаються ділянкою поверхні dA або поверхнею А.).

Одиниця виміру енергетичної світності (Вт/м2) - потік опукування. що випускається з 1 м2 поверхні; ця одиниця назви немає.

Світимість - відношення світлового потоку, що виходить від малої ділянки поверхні, що розглядається, до плошали цієї ділянки:

М =

де еФ і Ф - світлові потоки, що випускаються ділянкою поверхні dA або поверхнею А. Світність вимірюється в лм/м2 - це світловий потік, що випускається з 1 м2.

Енергетична освітленість (опроміненість) - щільність променистого потоку але опромінюваної поверхні Ее=(1Фе/с1А; Ееср=Фе/А, (1.11)

де Її, Еср - відповідно опроміненість ділянки поверхні dA і середня опроміненість поверхні А.

За одиницю виміру опроміненості. Вг/м2. приймають таку опроміненість, при якій 1 Вт променистого потоку падає і рівномірно розподіляється по поверхні 1 м2; ця одиниця назви немає.

Освітленість - щільність світлового потоку по поверхні, що освітлюється

dF.=d<>/dA Еср - Ф/Л, (1.12)

де dE та Еср - освітленість ділянки поверхні dA та середня освітленість поверхні А.

За одиницю освітленості прийнято люкс (лк). Освітленість в 1 лк має поверхню, на 1 м2 якої падає і рівномірно по ній розподіляється світловий потік в 1 лм.

Енергетична яскравість тіла або ділянки його поверхні в напрямку а - відношення сили випромінювання в нанраштснії а до проекції поверхні, що випромінює, на площину, перпендикулярну цьому напрямку (рис. 1.5):

~ dIщх / (dA cos сс), ~ ^ей. ^ "(1-13)

де Leu та Lcр - енергетичні яскравості ділянки поверхні dA та поверхні А у напрямку а, проекції яких на площину, перпендикулярну цьому напрямку, відповідно дорівнюють dAcosa та a; dleu і 1еа - відповідно сили випромінювання, що випускаються dA та А в напрямку а.

За одиницю енергетичної яскравості прийнята енергетична яскравість плоскої поверхні 1 М“. що має у перпендикулярному напрямку силу випромінювання 1 Вг/пор. Ця одиниця (Вт/срм2) назви немає.

Яскравість у напрямку тіла або ділянки його поверхні дорівнює відношенню сили світла в цьому напрямку до проекції поверхні:

La = dIa/(dAcosa); /.аср = /а/а, (1.14)

де /і та Lacр - яскравості ділянки поверхні dA та поверхні А у напрямку а. проекції яких па площину, перпендикулярну цьому напрямку, відповідно дорівнюють dA cos а і а; dla. 1а - відповідно сили світла, що випускаються поверхнями dA, та А в напрямку а.

За одиницю виміру яскравості (кд/м2) прийнята яскравість такої плоскої поверхні, яка в перпендикулярному напрямку випромінює силу світла 1 кд з площі 1 м.

Еквівалентна яскравість. В умовах сутінкового зору відносна спектральна світлова ефективність органу зору залежить від рівня адаптації У(Х, /.) і займає проміжне положення між К(А) і У"(Х), показаними на рис. 1.2. спектрального складу, однакові за яскравістю для денного зору, майбутнє для ока різнояскравими (ефект Пуркінс), наприклад, блакитне буде яскравіше червоного.В області сутінкового зору використовується поняття еквівалентної яскравості.

Можна вибрати випромінювання певного спектрального складу, для якого яскравість на всіх рівнях приймається пропорційної потужності випромінювання. А. А. Гершун |1] запропонував як таке ихчу - чення. названого опорним, використовувати випромінювання чорного тіла за температури затвердіння платини. Іхіучепіе іншого спектрального складу, рівно-світле з опорним, матиме однакову з ним еквівалентну яскравість, хоча стандартні яскравості випромінювань будуть різними. Еквівалентна яскравість дозволяє порівнювати різні випромінювання за їх світловою дією навіть за умов невизначеності функції відносної спектральної чутливості.

Величину Фе виражають у Ват (Вт). - Енергетична одиниця

Найчастіше не враховують квантову природу виникнення випромінювання і вважають його безперервним.

Якісною характеристикою випромінювання є розподіл потоку випромінювання за спектром.

Для випромінювань, що мають суцільний спектр, вводиться поняття спектральної щільності потоку випромінювання (  ) - Відношення потужності випромінювання, що припадає на певну вузьку ділянку спектра, до ширини цієї ділянки (рис. 2.2). Для вузького спектрального діапазону d потік випромінювання дорівнює dФ  . По осі ординат відкладені спектральні густини потоку випромінювання   = dФ  /d , тому потік представляється площею елементарного ділянки графіка, тобто.

Рисунок 2.2 – Залежність спектральної щільності потоку   випромінювання від довжини хвилі 

Е якщо спектр випромінювання лежить в межах від  1 до  2 то величина потоку випромінювання

Під світловим потоком F, У загальному випадку, розуміють потужність випромінювання, оцінену за його впливом на людське око. Одиницею виміру світлового потоку є люмен (лм). - Світлотехнічна одиниця

У зв'язку з цим можна сказати, що світлова дія двовимірна.

Сила світла (I). У світлотехніці ця величина прийнята за основну. Такий вибір немає принципової основи, а зроблено з міркувань зручності, оскільки сила світла залежить від відстані.

Сила світла точкового джерела в деякому напрямі є тільним кутом, що припадає на одиницю.  світловий потік Ф, що випромінюється цим джерелом у цьому напрямку:

I =Ф/Ω

Енергетичнасила світла виражається у ватах на стерадіан ( Вт/ср).

Рисунок 2.3 – До визначення поняття «тілесний кут»

Освітленість (Е). Під енергетичною освітленістю Е ерозуміють потік випромінювання на одиницю площіосвітлюваної поверхні Q:

Енергетична освітленість виражається в Вт/м 2 .

Світлове освітлення Е виражається щільністю світлового потоку Fна поверхні, що освітлюється ним (рис. 2.4):

Серед інших величин, що використовуються у світлотехніці, важливими є енергіявипромінювання Wе або світлова енергія W, а також енергетична Неабо світлова Н експозиція.

Величини Wе та W визначаються виразами

де – відповідно функції зміни потоку випромінювання та світлового потоку у часі. Wе вимірюється в джоулях або Вт с, a W – у лм с.

Під енергетичної Н е або світловою експозицієюрозуміють поверхневу щільність енергії випромінювання W е або світлової енергії Wвідповідно на поверхні, що освітлюється.

Тобто світлова яекспозиція Hце твір освітленості E, що створюється джерелом випромінювання, на час tдії цього випромінювання.