Параметры и характеристики оптического излучения

Пусть в вершине телесного угла расположен точечный источник излучения, т.е. источник, размеры которого значительно меньше расстояния от него до точки наблюдения. Этот источник излучает электромагнитные волны во всевозможных направлениях.

Приведем для иллюстрации два эквивалента потока излучения (лучистого потока) и светового потока: 1 Вт лучистой энергии с l=556 нм дает световой поток Ф=683 лм;

1. Потоком излучения называется отношение переносимой потоком фотонов энергии ко времени переноса, т.е. мощность излучения в заданном телесном угле. Поток излучения при попадании в человеческий глаз воспринимается избирательно.

Под световым потоком понимают среднюю мощность излучения, оцениваемую по ее воздействию на глаз человека. Единицей измерения потока излучения служит ватт (Вт), а единицей измерения светового потока служит люмен (лм).

Связь между световым потоком и потоком излучения устанавливается следующей формулой:

, где – световая эффективность, лм/Вт; – максимальная световая эффективность; – относительная спектральная световая эффективность глаза.

Переход от энергетических величин к фотометрическим и наоборот можно проводить только в видимой части оптического спектра. Для нормального дневного зрения на длине волны, соответствующей максимальной чувствительности глаза, поток излучения в 1 Вт эквивалентен световому потоку в 680 лм, т.е. световая эффективность лм/Вт. Для белого цвета с равномерным распределением энергии в видимой части спектра 1 Вт дает световой поток Ф=220лм. Для других длин волн К (l) задаются в виде графика или таблицы.

2. Сила излучения (сила света) – – точечного источника излучения в заданном направлении равна отношению потока излучения (светового потока) к телесному углу:

.

Таким образом, сила излучения (сила света) характеризует пространственную плотность потока излучения (светового потока).

Единицей измерения силы излучения служит Вт/ср, а единицей измерения силы света – лм/ср или кандела (кд). В системе СИ кандела определяется с помощью специального эталонного источника света и является основной единицей. По канделе определяется единица светового потока: 1 люмен – это световой поток, создаваемый точечным источником света силой в 1 кд в пределах телесного угла в 1 стерадиан.

Если источник излучения нельзя считать точечным, то для его описания вводятся такие параметры, как светимость и яркость.

Сила света (I) –источник (например, светящаяся точка А на рис. 1.2) в общем случае может иметь неравномерное излучение по разным направлениям. Плотность светового потока в телесном угле выбранного направления называется силой света и определяется по формуле: , где Ф – световой поток, проходящий через элементарную площадку площадью DS;

–соответствующий телесный угол;

r- расстояние от источника излучения до рассматриваемой элементарной площадки DS.

Единица измерения силы света–кандела (кд). Если в телесном угле, равном одному стеррадиану (ср), проходит, равномерно распределяясь, световой поток в 1 лм, то сила света в этом направлении равна одной канделе: 1 кд=1 лм/1 ср.

Определение силы света

Источник излучения в общем случае может иметь неравномерное излучение по разным направлениям.

3. Энергетическая светимость (светимость) – – равна отношению потока излучения (светового потока), излучаемого светящейся площадкой во всевозможных направлениях, к её площади:

.

Единицей измерения энергетической светимости является Вт/м², а единицей измерения светимости – лм/м².

Поверхностная плотность потока излучения ( R_Э), равная отношению лучистого потока к площади излучающей поверхности.

,

4. Энергетическая яркость (яркость) – – характеризует излучение поверхности в заданном направлении. Она равна отношению силы излучения внутри элементарного телесного угла, опирающегося на площадку , к площади проекции этой площадки на плоскость, перпендикулярную направлению излучения (рис. 1.8): .

Единицей измерения энергетической яркости служит Вт/ср×м², а единицей измерения фотометрической яркости – кд/м².

Яркость (L) — это отношение силы света светящейся поверхности в рассматриваемом направлении к площади проекции поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению

Единица измерения яркости – кандела на квадратный метр (1 кд/м²). Яркость экрана кинескопа на белых участках изображения составляет от 40 до 80 кд/м².

5. Энергетическая освещенность (освещенность) – – некоторой поверхности равна отношению потока излучения, падающего на поверхность, к площади этой поверхности:

.

Таким образом, энергетическая освещенность (освещенность) – это поток, падающий на единицу площади приемника излучения. Единицей измерения энергетической освещенности служит Вт/м², а единицей освещенности – лк (люкс). Следует отметить, что энергетическая освещенность имеет ту же размерность, что и энергетическая светимость. Однако физическая сущность этих параметров совершенно различна.

Определение яркости

Освещенность (Е) — это отношение светового потока к площади поверхности, на которую он падает. Определяют освещенность по формуле:

Единица измерения освещенности — люкс (лк). Освещенность в 1 лк создается световым потоком в 1 лм на площадь в 1 м²; 1 лк=1 лм/1 м². Освещенность экрана в кинотеатре составляет приблизительно 200 лк, освещенность объекта передачи в телевизионной студии может достигать 2000 лк.

В ряде случаев эксплуатации излучателей требуется перевод световых параметров в энергетические и наоборот. Переход осуществляется с помощью световой эффективности, которая в общем случае равна:

.