Фотометрия

Мы говорим о ярком небе, о солнечном световом потоке, об освещенности наших комнат и силе света ламп накаливания, иногда и не подозревая, что все эти понятия строго определены в разделе оптики, называемом фотометрией. Этот раздел посвящен измерению светового излучения по его зрительному ощущению, а в более широком смысле — измерению энергии, переносимой электромагнитным излучением оптического диапазона.

Основная фотометрическая единица в системе СИ — кандела (Кд) (от латинского слова, означающего «свеча»). Этот термин происходит от названия эталона основной единицы силы света — международной свечи, которым пользовались до введения в 1948 г. современного эталона. Международная свеча равна 1,005 Кд и выполнена в виде электрической лампы накаливания особой конструкции.

В канделах измеряют силу света. Если ΔΦ — поток световой энергии в малом телесном угле ΔΩ, то сила света I по направлению оси телесного угла равна ΔΦ/ΔΩ (рис. 1).

Одна кандела равна 1/60 силы света, излучаемого Государственным световым эталоном в направлении нормали AB (рис. 2). У точечного источника силой света в 1 Кд, одинаковой по всем направлениям, полный световой поток Φ равен 4π люмен (лм).

• 

  Рис. 1.

• 

  Рис. 2.

• 

  Рис. 3.

• 

  Рис. 4.

• 

  Рис. 5.

• 

  Рис. 6.

• 

  Рис. 7.

Инспекцией по охране труда установлены нормы освещенности цехов заводов и фабрик, лабораторных помещений, больниц и т. д. Освещенность измеряется в люксах (лк) и равна световому потоку, равномерно распределенному по площади 1 м² (1 лк = 1 лм/м²). Освещенность земной поверхности в ясный солнечный день 100 000 лк, для чтения книги вполне достаточно 60 лк, читать с напряжением можно уже при освещенности 1 лк. Наименьшая освещенность рабочего места, которая еще допускается,— 10 лк. Освещенность измеряют прибором, называемым люксметром,— это фотоэлемент с подключенным к нему измерителем тока, шкала которого проградуирована в люксах.

<addc>l</addc>

Если требуется передать световую энергию на большие расстояния, скажем осветить высоко летящий самолет или с помощью светового локатора-дальномера определить расстояние до предмета, используют источник света высокой яркости (рис. 3). Понятие яркости главное в фотометрии. Яркость B элемента поверхности источника света Δσ в направлении вектора i, составляющего с нормалью n к поверхности угол i равна B = ΔΦ/(ΔσcosiΔΩ) (рис. 4). Очень важная величина — яркость, или интенсивность, светового потока: R = ΔΦ/(ΔσcosiΔΩ). В этом случае величина Δσ — воображаемая в пространстве площадка, ΔΦ — проходящий через нее световой поток в телесном угле ΔΩ по направлению i. В принципе B и R — одинаковые понятия. Ведь площадка Δσ может быть выбрана и на поверхности светящегося тела. Когда мы говорим о яркости неба или лазерного луча, подразумеваем яркость светового потока. Яркость измеряют в единицах, называемых НИТ (нт) (1 НИТ = 1 Кд/м²). Вот характерные яркости источников света: яркость Луны — 2,5•10³, лампы накаливания — 5•10⁶, Солнца — 1,5•10⁹, яркость искрового разряда в гелии — 1,5•10¹² нт.

Чувствительность человеческого глаза, как и всякого другого приемника света, зависит от длины световой волны. Мощность в 0,00147 Вт светового излучения с длиной волны 0,555 мкм, соответствующей максимальной чувствительности глаза, дает световое ощущение, вызываемое световым потоком, равным 1 лм. Величина А = 0,00147 Вт/лм носит название механического эквивалента света. С помощью величины А можно связать энергию электромагнитного излучения Е в интервале длин волн Δλ, выраженную в ваттах, с величиной светового потока Φ в люменах: Φ (λ₁λ + Δλ) = V(λ)/AE (λ₁λ + Δλ)) лм. При этом видность — величину V(λ) — следует определять по кривой видимости (рис. 5); V(λ) — безразмерная величина, и, следовательно, размерность светового потока такая же, как и размерность потока энергии. Таким образом, световой поток представляет собой поток световой энергии, оцениваемый по зрительному впечатлению.

Световые потоки измеряют фотометрами. В простом фотометре две части светлого поля освещены сравниваемыми источниками света (рис. 6). Когда грани белой рассеивающей призмы одинаково освещены, по расстояниям источников от граней можно рассчитать отношение их силы света. Для измерения полного потока источника света применяют фотометрический шар (рис. 7).

Поток, освещенность, яркость потока лазерного излучения выражают, как правило, в энергетических единицах: Вт, Вт/м², Вт/ср•м². Это связано с тем, что излучение многих лазеров, нашедших широкое применение в технике, лежит в инфракрасной области спектра, не воспринимаемой глазом. Кроме того, лазеры работают не только в постоянном, но и в импульсном режиме с длительностью импульсов от 10⁻⁶ до 10⁻¹³ и даже менее. Зрительное ощущение светового импульса зависит не только от его мощности, но и от длительности. Поэтому фотометрические характеристики импульсных источников проще выражать в энергетических единицах.

Пространственная когерентность лазерного излучения дает возможность получать пучки очень высокой яркости. Так, яркость потока гелий-аргонового лазера (λ = 0,514 мкм), работающего в непрерывном режиме, порядка 10¹³ Вт/ср•м². Если лазер излучает в видимой области спектра, то нетрудно перейти от энергетических единиц к световым — следует умножить энергетическую величину на коэффициент V_λ/A = 680V_λ, где V_λ — видность излучения лазера. Например, энергетическая яркость гелий-аргонового лазера 10¹³ Вт/ср•м² эквивалентна ~4•10¹⁵ нт. Эта величина примерно в 2,5 млн раз больше яркости Солнца. Измеряют мощность лазерного излучения, форму его импульса и длительность с помощью фотоэлектрической аппаратуры, фотоумножителей, болометров, фотоэлементов. Такое измерение — сложная фотометрическая задача.