Фотометрия. 
Оптика

Фотометрия — это раздел оптики, занимающийся вопросами измерения энергии света и его источников. В фотометрии используются следующие величины:

• — энергетические (характеризуют энергию оптического излучения и производные от нее величины безотносительно к действию этого излучения на приемники света);
• — световые (характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию света на глаз).

Определим энергетические величины и единицы их измерения.

Поток излучения (Ф_е) — величина, равная отношению энергии излучения W с данной поверхности (или через данную поверхность) ко времени t, за которое излучение произошло:

Единицы измерения Ф_е — Вт (ватт).

Излучателъностъ (М_е) — величина, равная отношению потока излучения, испускаемого во всех направлениях в одну сторону, к площади излучающей поверхности:

Единицы измерения М_е — Вт/м².

Сила излучения (1_е) — величина, равная отношению потока излучения точечного источника света к телесному углу П, в пределах которого это излучение распространяется:

с2Ф.

(в общем случае 1_е =—-).

dQ.

Точечный источник света — это источник, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от места наблюдения до источника Единицы измерения /_е — ватт на стерадиан (Вт/ср).

В общем случае 1_е зависит от направления. Если же 1_е от направления не зависит, то источник света называется изотропным (для него 1_е = = Ф_е/(4 71)).

Энергетическая яркость (лучистость) (L_e) — величина, равная отношению силы излучения элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения (рис. 1.20):

Рис. 1.20.

Единицы измерения L_e— Вт/(ср • м²).

В общем случае энергетическая яркость может быть разной для разных направлений.

Однако для некоторых источников яркость не зависит от направления. Для таких источников справедлив закон Ламберта:

где М — излучательность (или светимость); L — яркость. Примером ламбертовых источников являются абсолютно черное тело, матированная поверхность, мутная среда, т. е. источники, которые рассеивают свет равномерно по всем направлениям. Можно считать, что излучение Солнца также подчиняется закону Ламберта.

Энергетическая освещенность (облученность) (Е_е) — это величина потока излучения, падающего на единицу площади освещаемой поверхности:

Единица измерения Е_е совпадает с единицей измерения энергетической излучательности, т. е. Вт/м².

Поток излучения, оцениваемый по зрительному восприятию, называется световым потоком. Обозначается Ф_у, измеряется в люменах (лм). Люмен — производная единица и будет определена ниже.

В отличие от энергетических величин световые величины учитывают то обстоятельство, что глаз обладает разной чувствительностью к энергии различных длин волн. Например, человеческий глаз совсем не воспринимает электромагнитные волны с, А < 0,39 мкм и с А, > 0,76 мкм. Наиболее чувствителен средний нормальный человеческий глаз к излучению с длиной волны 0,555 мкм (зеленый цвет). При переходе от энергетических характеристик излучения к световым необходимо учитывать зависимость световой чувствительности глаза от длины волны. С этой целью вводятся понятия спектральной световой эффективности /с (А), равной отношению светового потока монохроматического излучения Ф_{у> х} к соответствующему потоку излучения Ф_{е х}:

и относительной спектральной световой эффективности (спектральной чувствительностью глаза, раньше использовался еще термин «видность») 1ДА,) = к (Х)/к (Х_зел), где к (к_зел) = 683 лм/Вт. Кривая спектральной чувствительности глаза, полученная в результате обработки большого количества измерений, приведена на рис. 1.21. Таким образом, связь между элементарными и полными световыми потоками и соответствующими им потоками излучения может быть представлена в виде.

Рис. 1.21.

Светимость М определяется отношением единица измерения лм/м².

Сила света I определяется как световой поток точечного источника света, приходящийся на единицу телесного угла:

в общем случае сила света зависит от направления. Если же I от направления не зависит, то говорят, что источник света изотропный. Для изотропного источника света сила света I = Фу/(4л). Единицей измерения I в СИ является кандела (кд), которая является основной в фотометрии.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение с длиной волны в вакууме 0,555 мкм, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Соответственно, 1 лм = 1 кд • 1 ср — равен световому потоку, излучаемому изотропным источником с силой света в 1 кд в пределах телесного угла в 1 ср.

Яркость 1_ф светящейся поверхности в некотором направления есть величина, равная отношению силы света в этом направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

Единицы измерения 1_ф — кд/м².

Определение единицы измерения силы света — канделы было выбрано таким образом, что яркость абсолютно черного тела, находящегося при температуре затвердевания платины, оказывается равной 6 • 10⁵ кд/м².

Освещенность Е — величина, равная отношению светового потока Ф_у, падающего на поверхность, к площади этой поверхности:

Единица измерения Е — люкс (лк), 1 лк = 1 лм/ 1 м².

Таким образом, световые величины (1.17)—(1.21) определяются аналогично энергетическим (1.12)—(1.16) (табл. 1.1).

Таблица 7.7.

Световые и энергетические величины