Фотометрия

ГОУ ВПО Дальневосточный университет  путей сообщения

Естественно-научный  институт 
 
 
 
 
 

Кафедра «Физика» 
 
 
 
 

Реферат на тему:

                                                          «Фотометрия» 
 
 
 
 

Выполнила: Антипова Н.С. 924 группа

                                                                                       Проверила:  Филиппова И.С. 
 
 
 
 
 

Хабаровск 2009 
 
 
 
 

Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Фотометрия- раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны около 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкмЯркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Свет с длиной волны менее 0,38 мкм называется ультрафиолетовым, а с длиной волны более 0,78 мкм – инфракрасным. Тот и другой невидимы для человеческого глаза.

Фотометрические величины

Сила света — пространственная плотность светового потока, равная отношению светового потока к величине телесного угла, в котором равномерно распределено излучение. Единицей силы света является кандела.

Освещенность — поверхностная плотность светового потока, падающего на поверхность, равная отношению светового потока к величине освещаемой поверхности, по которой он равномерно распределен.

Единицей освещенности является люкс (лк), равный освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на площади в 1 м², т. е. равный 1 лм/1 м².

Яркость — это фотометрическая величина, характеризующая излучательную способность протяжённых тел в данном направлении. Поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. Единицей яркости является 1 кд/м².

Яркость тела в  данном направлении определяется энергией, излучаемой в единицу времени внутри единичного телесного угла элементом поверхности тела, проекция которого на плоскость, перпендикулярную выбранную направлению, имеет единичную площадь. За единицу яркости в Международной системе единиц (СИ) принят 1 кандела на квадратный метр – яркость поверхности, каждый квадратный метр которой излучает в перпендикулярном к ней направлении в пределах угла 1 стерадиан поток, равный 1 люмену. В астрономии яркость часто измеряется видимой звёздной величиной поверхности площадью в одну квадратную секунду дуги. Ранее в Международной системе единиц (СИ) за единицу яркости принимали 1 нит (1 нт=10кд/м2). Яркость — объективная величина, ее можно измерить соответствующим прибором (как вы уже догадались, он называется яркометром). Светлота — величина субъективная, как и все ощущения. 
Например, лист белой бумаги на солнечном свету летом имеет яркость порядка 
30000 нт, а при свете настольной лампы — порядка 10–30 нт. Однако никто не скажет, что один и тот же лист бумаги в одном случае более светлый, чем в другом. В числе ряда особенностей зрительного восприятия здесь проявляется его способность отделять характеристику освещения от характеристики освещаемого предмета. Это явление относится к разряду психологических, и, в частности, связано с памятью.

Из сказанного следует, что светлота не может быть непосредственно измерена и выражена абсолютными числами. Однако возможна количественная оценка, выражаемая словами: больше, меньше, равно, намного больше или меньше, едва различается. Причем этим выражениям можно вполне определенно сопоставить разности измеряемых яркостей. Таким образом можно изучить зависимость ощущения от раздражения.

Светимость (светность) — поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью, равная отношению светового потока к площади светящейся поверхности.Единицей светимости является 1 лм/м².

Световой поток — мощность светового излучения, т.е. видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на глаз человека. Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была «свеча», которая считалась единицей силы света. Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 – лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята «международная свеча», которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540*10¹² Гц, энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Протяженный источник света или освещенный предмет  характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м² такой поверхности в

Виды  фотометрических измерений

 Основные виды фотометрических измерений таковы: 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.

Общие методы фотометрии

Существуют два  общих метода фотометрии: 1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости; 2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода – вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура.

Визуальная  фотометрия

 История визуальной фотометрии начинается с П.Бугера (1698–1758), который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии. И.Ламберт (1728–1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов. В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно – при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии. Дело в том, что при уровнях яркости в диапазоне 0,01–1 кд/м спектральная чувствительность глаза плавно изменяется от соответствующей адаптации к свету до соответствующей адаптации к темноте, а потому здесь невозможно предсказать, какой должна быть спектральная чувствительность физического (электрического) фотометра, чтобы обеспечивалось согласие с возможными результатами визуальной фотометрии. Правильная методика для этого диапазона яркостей состоит в визуальном сравнении с источником света, энергетическое распределение которого соответствует высокотемпературному полому телу, фигурирующему в определении канделы. (Таким источником света может служить электрическая лампа накаливания при некотором значении силы тока.) При очень низких уровнях световых потоков используется второй (сумеречный) эталон, принятый международным соглашением в 1959, что позволяет проводить фотоэлектрические измерения без каких-либо неоднозначностей.

Визуально невозможно определить, насколько яркость одной  поверхности больше, чем яркость другой. Но если две поверхности непосредственно примыкают друг к другу, то по исчезновению разграничивающей линии между ними равенство их яркостей можно установить визуально с точностью до 1% и даже еще точнее. Было разработано много различных устройств для образования таких полей сравнения; одно из них, т.н. кубик Люммера – Бродхуна.Это две сложенные вместе трехгранные призмы из оптического стекла, причем контактная грань одной призмы слегка закруглена. Вследствие этой закругленности призмы имеют лишь частичный оптический контакт, через который свет может проходить прямо. Но в тех местах, где грани призм не соприкасаются, свет полностью отражается.

Чтобы добиться одинаковой яркости двух полей сравнения, нужно регулировать световой поток  хотя бы одного из сравниваемых источников света. В лабораторных измерениях сравниваемые лампы закрепляют в держателях, которые можно перемещать по направляющей. Такая направляющая, прямая и достаточно жесткая, называется фотометрической скамьей.

Относительно  световых источников разного цвета установлено, что если цвета различаются более или менее заметно, то результаты сравнения приобретают субъективный характер и даже у одного и того же наблюдателя могут меняться. При этом точность визуальной фотометрии сильно снижается.

Физическая  фотометрия

 Начало физической фотометрии положили Ю.Эльстер и Г.Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш.Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях.

Измерение светового потока

 Одна из характеристик лампы или осветительной арматуры, необходимая инженеру по освещению, – это испускаемое ею полное количество света. Только измерив эту величину, можно определить относительную эффективность осветительных устройств. Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока: гониометрический метод и метод «интегрирующей сферы» («сферы Ульбрихта»).

Гониометр –  это приспособление, позволяющее  измерять освещенность, создаваемую  лампой, в любом желаемом направлении.

Фотометр - прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других – одной или нескольких световых величин. При использовании фотометров осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью. Освещённость измеряют Люксметрами, яркость – Яркомерами, Световой поток и световую энергию – с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют Колориметрами. Если в качестве приёмника используется глаз, фотометры называются визуальными, или зрительными, если же применяется какой-либо физический приёмник, фотометры называются физическими. Оптический блок фотометра, иногда называемый фотометрической головкой, содержит линзы, светорассеивающие пластинки, ослабители света, светофильтры, диафрагмы и приёмник излучения. Чаще всего с физическими приёмниками поток излучения преобразуется в электрический сигнал, регистрируемый устройствами типа микроамперметра, вольтметра и т.д. В импульсных фотометрах применяют регистрирующие устройства типа электрометра, запоминающего осциллографа, пикового вольтметра. В визуальном фотометре равенство яркостей двух полей сравнения, освещаемых по отдельности сраниваемыми световыми потоками, устанавливается глазом, который располагается у окуляра фотометрической головки.

Специальные фотометры. Кроме рассмотренных приборов, существуют специальные фотометры для измерения яркости поверхностей, коэффициентов пропускания и отражения разных образцов, характеристик световозвращающих отражателей (дорожно-маркировочной краски, дорожных знаков), освещенности улиц и пр.