Файл: Основы фотометрии (Основные положения фотометрии).pdf

Основы фотометрии

Основные положения фотометрии

Фотометрия - раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. Она объясняет нам то, что свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз.

Существуют разные виды фотометрических измерений:

(1) сравнение силы света источников;

(2) измерение полного потока от источника света;

(3) измерение освещенности в заданной плоскости;

(4) измерение яркости в заданном направлении;

(5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

Так же существует оптическая область спектра. Спектр излучения - совокупность излучений, расположенных в ряд в порядке изменения длины волны.

Оптическая область спектра излучения делится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную, давайте разберёмся в них:

(1)Ультрафиолетовое излучение — это оптическое излучение в пределах длин волн от 100 нм до 380 нм. Ультрафиолетовое излучение разделяется на три группы:

1) - от 315 нм до 380 нм;

2)- 280-315нм;

3)- 100- 280 нм.

(2)Видимое излучение — электромагнитные волны, которые воспринимаются человеческим глазом.

Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно.

Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (790—750 ТГц),

а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (395—385 ТГц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).

Такие оттенки, как розовый, бежевый или пурпурный образуются только в результате смешения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн. Поэтому не всем цветам, которые различает человеческий глаз, соответствует какое-либо монохроматическое излучение

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — это область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо

(3)Инфракрасное излучение - оптическое излучение в пределах длин волн от 780 нм до 106 нм. Инфракрасное излучение делится на три труппы:

1) - 800 -1400 нм (короткие волны);

2)- 1400 - 3000 нм (средние волны);

3)- 3000 -10000 нм (длинные волны).

Характеризует мощность видимого излучения по её воздействию на глаз человека в специальных единицах – люменах [Лм]. Световой поток является важнейшей характеристикой ламп. Обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1300 Лм, а металлогалогенная лампа мощностью 70 Вт – 6000 Лм.

Световая отдача

Для того, чтобы разобраться зачем она нужна световая отдача обратимся к тому, что она делает. Cветовая отдача показывает, сколько люменов видимого света дает та или иная лампа, тот или иной источник света, потребляя единицу электрической мощности, которая измеряется в Лм/Вт, то есть в люменах на один ватт. Но при этом, каждый ватт потребляемой источником света электрической мощности приходится строго определенное количество люменов излучаемого им видимого светового потока.

Выше уже было оглашено, что человеческий глаз способен воспринимать лишь определенный, ограниченный спектр излучения как видимый, причем разные части спектра воспринимаются глазом не одинаково, то наиболее «видимым», поэтому, является свет с длиной волны 555 нм, соответствующий желто-зеленой части видимого спектра. Фиолетовый и красный – менее «видимы».

И именно из-за этого, максимальная световая эффективность может быть теоретически достигнута именно для света с длиной волны 555 нм, и при идеальном преобразовании электрической энергии в монохроматический свет с длиной волны 555 нм, может быть получена максимальная световая отдача значением 683,002 Лм/Вт.
Это главная характеристика энергоэкономичности ламп и она равна отношению светового потока лампы к её мощности. Применение ламп с высокой световой отдачей – основной путь экономии электроэнергии в осветительных установках. Например, путём замены ламп накаливания, световая отдача которых 7-22 лм/Вт, компактными люминесцентными лампами (50-90 лм/Вт) можно снизить расход электроэнергии в среднем в 5-6 раз, не уменьшая уровня освещённости.

Сила света

Силой света можно назвать пространственная плотность светового потока, ограниченная телесным углом или световым потоком в единице телесного угла с центром на поверхности источника излучения. Единица измерения силы света – кандела [кд]. Кандела – это сила света, испускаемого с 1/60 см2 поверхности эталонного источника в направлении нормали.

Световой поток определяется как произведение силы света источника на величину телесного угла, в котором распространяется излучение:

dΦ =ldΩ

Распределение силы света в пространстве ( кривая силы света, КСС) – одна из важнейших характеристик осветительных приборов, необходимых для расчёта освещения. КСС светильников обычно приводится в полярных координатах для условной лампы со световым потоком 1000 лм, т.е. в кд/кЛм. В виде константы принято излучение абсолютно черного тела при температуре затвердевания чистой платины (2042 К).

Освещённость

Освещенность это физическая величина, равная световому потоку, приходящему на единицу площади освещаемой поверхности:

Е = dФ/dσ

Это поверхностная плотность светового потока, падающего на площадку заданной величины. Единица освещённости – люкс [Лк]. Одна из самых главных величин в нормах освещения. Чаще всего нормируется горизонтальная освещённость (в горизонтальной плоскости). Диапазон уровней освещённости составляет при искусственном освещении от 1 до 20 Лк на улице и от 20 до 5000 Лк в помещении. В природных условиях освещённость E=0,2 Лк в полнолуние, 5000 – 10000 Лк днём при сплошной облачности и до 100000 Лк в ясный солнечный день.

Освещенность измеряется в люксах (лк): 1 лк =1 лм/м2 . Освещенность площадки d таким источником, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до точки наблюдения), можно представить следующим образом (рис. 1):

E=dФ/ dσ=Jd Ω/ dσ=lcosi/R ²

Яркость

Для матовых (диффузных или равноярких) поверхностей эта величина пропорциональна поверхностной плотности отраженного или излучаемого этой поверхностью светового потока. В более общем виде она равна отношению силы света в направлении точки наблюдения к видимой из этой точки площади светящей поверхности (проекции).

Единица яркости – кд/м2. Яркость непосредственно связана с уровнем зрительного ощущения, а распределение яркости в поле зрения (например, в интерьере) характеризует качество освещения. В полной темноте человек реагирует на яркость в одну миллионную долю кд/м2. Сплошной светящий потолок при яркости более 500 кд/м2 оказывает дискомфортное влияние. Яркость солнца – около 1 000 000 000 кд/м2, а люминесцентной лампы – 5-11 тысяч кд/м2.Светимость и яркость являются взаимно связанными фотометрическими величинами

Субъективное ощущение яркости, вызываемое источником света со спектральной плотностью излучения , определяется его световым потоком, который выражается как

              где  - относительная световая эффективность, a  - постоянная. Если световой поток измерять в люменах, то  лм/Вт. Источник монохроматического света мощностью 1Вт, длина волны которого соответствует максимуму кривой относительной световой эффективности (т. е. при  нм), дает световой поток 685 лм.

Коэффициенты отражения [ρ] и пропускания [τ]
Определяются как отношение отраженного [ρ] или пропущенного [τ] материалом светового потока к упавшему световому потоку. Коэффициенты отражения некоторых отделочных материалов:
- белая краска (0,7 – 0,8)
- светлые обои ( 0,5 – 0,7)
- белый мрамор – 0,45
- красный кирпич – 0,3
- темное дерево (0,1 – 0,25)
- асфальт – 0,07

При светлой отделке помещений (особенно при малых по отношению к высоте размерах) очень заметно возрастают уровни освещенности. Коэффициент отражения фона, на котором рассматривается объект, входит в число показателей, характеризующих условия зрительной работы на рабочем месте. По нормам России фон считается светлым при коэффициенте отражения более 0,4, средним – от 0,2 до 0,4 и тёмным – менее 0,2. При увеличении коэффициента отражения фона – видимость объекта улучшается.

Оптическая плотность

Оптическая плотность - десятичный логарифм отношения падающего и прошедшего излучения через площадку определённой толщины. Обозначается буквой D. Выражение D=5 означает, что свет, падающий на площадку после прохождения сквозь неё, был ослаблен в 10⁵ раз.

Оптическая плотность — мера непрозрачности вещества, равная десятичному логарифму отношения потока излучения Fо, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения F, ослабленного в результате поглощения и рассеяния:

D=lg(Fо/F).

Оптическая плотность — логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту. Понятие оптической плотности впервые было введено Р. Бунзеном. Оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и пленках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол), в светофильтрах, оптических изделиях. Оптической плотностью пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы ее измерения составляют содержание отдельной дисциплины — денситометрии.

Закон обратных квадратов

нужен для того чтобы, что-то снять в студии. Он нужен для понимания, что и как увеличит освещенность модели, а что наоборот уменьшит ее. Закон обратных квадратов учит тому, как свет работает на расстоянии и почему расстояние между источником света:

Сила света будет обратно пропорциональна квадрату расстояния. Если мы возьмем расстояние 2 м, квадрат его будет равен 4. Обратная величина которого соответственно – 1/4, т.е. до объекта съемки дойдет лишь четверть мощности освещения от источника света, а совсем не половина, как кажется изначально.

Логично, что только находясь в непосредственной близости от источника света, можно получить максимально возможное количество энергии. Исходя из этого, чтобы экспозиция была правильной (при условии, что используется постоянная скорость затвора), при размещении предмета очень близко к свету, необходимо устанавливать диафрагму около F16, чтобы блокировать все излишки света. С другой стороны, если объект съемки находится на более значительном расстоянии от света, то диафрагму следует открывать порядка F4, для правильной передачи избражения.

Световой поток

Одним из аспектов является поток излучения или световой поток, характеризует мощность видимого излучения по её воздействию на глаз человека в специальных единицах – люменах [Лм]. Световой поток является важнейшей характеристикой ламп, ведь обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1300 Лм, а металлогалогенная лампа мощностью 70 Вт – 6000 Лм.

Так что же такое световой поток? Световой поток – это мощность, с которой излучение действует на какую-либо поверхность. Система единиц (СИ) обозначает поток буквой Ф, единицу измерения – 1 люмен (лм; lm).

Когда поток света в 1 лм падает на освещаемый участок площадью в 1 м², получается освещённость в 1 лк. Освещённость обозначают буквой Е, измеряют в люксах (лк). Её можно рассчитать по формуле:

Е = Ф/S,

где:

Ф – светопоток, лм;

S – площадь поверхности, мм2.

Разницу между этими двумя физическими величинами понимают так: 1 люкс = 1 лм/м² освещаемой поверхности.

Единицы измерений светового потока 1 люмен – это свет, отдаваемый излучателем с силой в 1 кд в рамках телесного угла в 1 стерадиан. Обозначается буквой Ф. (Лампа с нитью накаливания в 100 Вт выдаст поток света, равный 1000 лм. Чем ярче светильник, тем он больше люмен выдаст.)