Какая фотометрическая единица си является основной и что приняли за основную единицу
Основные фотометрические величины и их единицы
Самостоятельно
Фотометрия— раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников.
Для количественной оценки источников света и светового излучения введены фотометрические величины и единицы их измерения.
В фотометрии используются следующие величины:
1) энергетические— характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;
2) световые— характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.
Мощность излучения (поток излучения) есть количество энергии, излучаемой светящимся телом в единицу времени.
Единица мощности (потока излучения) — ватт (Вт).
Световым потоком (Ф) называется количество световой энергии, оцениваемое по зрительному ощущению глаза, которое переносится через какую-либо площадку S за единицу времени.
Силой света источника называется величина, измеряемая отношением светового потока Ф к величине телесного угла ω, в котором этот поток распространяется:
(4)
В качестве единицы силы света принята кандела(кд).
Согласно формуле (4),
откуда следует, что единицей светового потока является люмен (лм).
1 лм — световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле 1 ср (стерадиан = 4π) при силе света 1 кд.
Освещенностью называется величина, измеряемая отношением светового потока Ф, падающего на какую-либо поверхность, к величине площади этой поверхности S.
. (6)
За единицу освещенности принимается люкс (лк).
Яркость источника — это отношение силы света I источника к площади видимой поверхности S0:
Единицей яркости является кандела на квадратный метр (кд/м 2 ).
Точечным источником света называется источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до места наблюдения и который посылает световой поток равномерно во все стороны.
Первый закон освещенности. Освещенность поверхности лучами, падающими на нее перпендикулярно, прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от него до освещаемой поверхности (закон Ламберта):
. (8)
Второй закон освещенности. Освещенность поверхности, на которую падает световой поток под углом α, прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей:
где E0 — освещенность поверхности перпендикулярно падающим световым потоком.
Если линейные размеры поверхности малы по сравнению с расстоянием до источника, то освещенность поверхности пропорциональна силе света источника, косинусу угла падения лучей и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника света:
.
Понятие о голографии
Голография(от греч. «полная запись») — особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики — законам интерференции и дифракции.
Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведения пространственного изображения предметов изобретен английским физиком Д. Габором (1900—1979) в 1947 г. (Нобелевская премия 1971 г.).
Рассмотрим элементарные основы принципа голографии, т. е. регистрации и восстановления информации о предмете. Для регистрации и восстановления волны необходимо уметь регистрировать и восстанавливать амплитуду и фазу идущей от предмета волны.
Практически эта идея может быть осуществлена с помощью принципиальной схемы, показанной на рис. 1,а. Лазерный пучок делится на две части, причем одна часть отражается зеркалом на фотопластинку (опорная волна), а другая попадает на фотопластинку, отразившись от предмета (предметная волна). Опорная и предметная волны, являясь когерентными и накладываясь друг на друга, образуют на фотопластинке интерференционную картину. После проявления фотопластинки и получается голограмма — зарегистрированная на фотопластинке интерференционная картина, образованная при сложении опорной и предметной волн.
Рис. 1
Для восстановления изображения (рис. 1,б) голограмма помещается в то же самое место, где она находилась до регистрации. Ее освещают опорным пучком того же лазера (вторая часть лазерного пучка перекрывается диафрагмой). В результате дифракции света на интерференционной структуре голограммы восстанавливается копия предметной волны, образующая объемное (со всеми присущими предмету свойствами) мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. Оно кажется настолько реальным, что его хочется потрогать. Кроме того, восстанавливается еще действительное изображение предмета, имеющее рельеф, обратный рельефу предмета, т.е. выпуклые места заменены вогнутыми, и наоборот (если наблюдение ведется справа от голограммы).
Обычно пользуются мнимым голографическим изображением, которое по зрительному восприятию создает полную иллюзию существования реального предмета. Рассматривая из разных положений объемное изображение предмета, даваемое голограммой, можно увидеть более удаленные предметы, закрытые более близкими из них (заглянуть за ближние предметы). Это объясняется тем, что, поворачивая голову в сторону, мы воспринимаем изображение, восстановленное от периферической части голограммы, на которую при экспонировании падали также и лучи, отраженные от скрытых предметов.
Голограмму можно расколоть на несколько кусков. Но даже малая часть голограммы восстанавливает полное изображение. Однако уменьшение размеров голограммы приводит к ухудшению четкости получаемого изображения. Это объясняется тем, что голограмма для опорного пучка служит дифракционной решеткой, а при уменьшении числа штрихов дифракционной решетки (при уменьшении размеров голограммы) ее разрешающая способность уменьшается.
Методы голографии (запись голограммы в трехмерных средах, цветное и панорамное голографирование и т. д.) находят все большее развитие. Применения голографии разнообразны, но наиболее важные, приобретающие все большее значение, являются запись и хранение информации.
Методы голографии позволяют записывать в сотни раз больше страниц печатного текста, чем методы обычной микрофотографии. По подсчетам, на фотопластинку размером 32×32 мм можно записать 1024 голограммы (площадь каждой из них 1 мм 2 ), т. е. на одной фотопластинке можно «разместить» книгу объемом свыше тысячи страниц. В качестве будущих разработок могут служить ЭВМ с голографической памятью, голографический электронный микроскоп, голографические кино и телевидение, голографическая интерферометрия и т. д.
Основные фотометрические величины и единицы
Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, связанных с такими потоками. В фотометрии используются следующие величины:
1) энергетические – характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;
2) световые – характеризуют физиологическое действие света и оцениваются по воздействию на глаз (исходя из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.
1. Энергетические величины. Поток излучения Φe – величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:
. (3.1)
Единица потока излучения – ватт (Вт).
Энергетическая светимость (излучательность) Re – величина, равная отношению потока излучения Φe, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:
, (3.2)
т.е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения.
Единица энергетической светимости – ватт на метр в квадрате (Вт/м 2 ).
Интенсивность излучения:
, (3.3)
где ΔS – малая поверхность, перпендикулярная направлению распространения излучения, через которую переносится поток ΔΦе.
Для определения последующих величин понадобится использовать одно геометрическое понятие – телесный угол, который является мерой раствора некоторой конической поверхности. Как известно, мерой плоского угла является отношение дуги окружности l к радиусу этой окружности r, т.е. 
(рис. 3.1 а). Аналогично этому определяется телесный угол Ω (рис. 3.1 б) как отношение поверхности шарового сегмента S к квадрату радиуса сферы:
. (3.4)
Единицей измерения телесного угла служит стерадиан (ср) – это телесный угл, вершина которого расположена в центре сферы, и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса: Ω = 1 ср, если 
. Нетрудно убедиться, что полный телесный угол вокруг точки равен 4π стерадиан – для этого нужно поверхность сферы разделить на квадрат ее радиуса.
Энергетическая сила света (сила излучения) Ie определяется с помощью понятия о точечном источнике света – источнике, размерами которого по сравнением с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света – величина, равная отношению потока излучения источника к телесному углу Ω, в пределах которого это излучение распространяется:
. (3.5)
Единица энергетической силы света – ватт на стерадиан (Вт/ср).
Энергетическая яркость (лучистость) Ве – величина, равная отношению энергетической силы света ΔIe элемента излучающей поверхности к площади ΔS проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:
. (3.6)
Единица энергетической яркости – ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср·м 2 )).
Энергетическая освещенность (облученность) Ее характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м 2 ).
2. Световые величины. При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы, фотоумножители), которые не обладают одинаковой чувствительностью к энергии различных длин волн, являясь, таким образом, селективными (избирательными). Каждый приемник светового излучения характеризуется своей кривой чувствительности к свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических, и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является единица силы света – кандела (кд), которая определяется как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Определение световых единиц аналогично энергетическим.
Световой поток Φсв определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (про его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью).
Единица светового потока – люмен (лм): 1 лм – световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм = 1 кд·ср).
Сила света Iсв связана со световым потоком соотношением
, (3.7)
где dΦсв – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла dΩ. Если Iсв не зависит от направления, источник света называется изотропным. Для изотропного источника
. (3.8)
Поток энергии . Φе, измеряемый в ваттах, и световой поток Φсв, измеряемый в люменах, связаны соотношением:
, лм, (3.9)
где 
— константа, 
— функция видности, определяемая чувствительностью человеческого глаза к излучению различных длин волн. Максимальное значение 
достигается при 
. В комплексе используется лазерное излучение с длиной волны 
. В этом случае 
.
Светимость Rсв определяется соотношением
. (3.10)
Единица светимости – люмен на метр в квадрате (лм/м 2 ).
Яркость Вφ светящейся поверхности площадью S в некотором направлении, образующем угол φ с нормалью к поверхности, есть величина, равная отношению силы света в данном направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:
. (3.11)
Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям, называются ламбертовскими (подчиняющимися закону Ламберта) или косинусными (поток, посылаемый элементом поверхности такого источника, пропорционален 
). Строго следует закону Ламберта только абсолютно черное тело.
Единица яркости – кандела на метр в квадрате (кд/м 2 ).
Освещенность Е – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности:
. (3.12)
Единица освещенности – люкс (лк): 1 лк – освещенность поверхности, на 1 м 2 которой падает световой поток в 1 лм ( 1 лм = 1 лк/м 2 ).
Порядок выполнения работы
 Рис. 3.2. |
Задание 1. Определение силы света лазера.
Измерив диаметр расходящегося пучка лазера в двух его сечениях, разнесенных на расстояние 
, можно найти малый угол расходимости пучка 
и телесный угол 
, в котором распространяется излучение (рис. 3.2):
, (3.13)
. (3.14)
Сила света в канделлах определяется по формуле:
, (3.15)
Эксперимент
2. Наденьте на излучатель линзу-насадку (объект 42). Установите линзу-конденсор (модуль 5) в конце скамьи экраном к излучателю. Зафиксируйте координату риски его рейтеры 
. По экрану конденсора определите диаметр лазерного пучка 
.
4. Рассчитайте линейный угол расходимости пучка по формуле (3.13), принимая 
. Рассчитайте телесный угол расходимости пучка по формуле (3.14) и силу света по формуле (3.15). Произведите стандартную оценку погрешностей.
5. Проведите опыт еще 4 раза при других положениях конденсора.
6. Результаты измерений занесите в таблицы:
| № | ,  |  |  , |  |  |  |
| № |  |  |  |  |  , %  |
Задание 2. Интенсивность в сферической волне
Эксперимент
1. Снимите с излучателя рассеивающую линзу-насадку. В конце свободной скамьи установите микропроектор (модуль 2) и, вплотную перед ним линзу-конденсор (модуль 5). Убедитесь в том, что при отодвигании модуля 5 от модуля 2 изменяется размер пятна на экране установки и интенсивность излучения в центре пятна. Верните конденсор в начальное положение.
2. Поместите в объектную плоскость микропроектора фотодатчик – объект 38, подключите фотодатчик к мультиметру, мультиметр поставьте в режим измерения постоянного напряжения (диапазон измерений – до 1 В) и снимите зависимость напряжения на вольтметре от координаты 
модуля 5 с шагом 10 мм, принимая за точку отсчета координату риски модуля 2. Сделайте 20 измерений.
3. Постройте график 
. Качественно он аналогичен графику 
.
4. Рассчитайте величину 
и постройте график 
. Интенсивность в данной точке обратно пропорциональна квадрату расстояния до центра волны: 
. Значит, 
. Поэтому зависимость должна быть линейной.
Сделайте вывод о проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Что изучает фотометрия? В чем различие между энергетическими и световыми фотометрическими величинами?
2. Дать определение телесного угла. В каких величинах измеряется телесный угол? Чему равен полный телесный угол вокруг точки?
3. Вывести формулу (3.14).
4. Дать определения основных фотометрических величин (энергетических и световых) с указанием единиц измерения.
5. Какая световая единица измерения является основной в СИ? Как она определяется?
6. Как связаны между собой поток излучения и световой поток?
7. Какой источник света называется изотропным? Как связаны между собой сила света и световой поток изотропного источника? Почему?
8. Когда источник света называется ламбертовским? Привести пример строго ламбертовского источника.
9. Как зависит интенсивность световой волны, излучаемой изотропным точечным источником, от расстояния до источника? Почему?
Основные фотометрические величины и их единицы
Фотометрия — раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины:
1) энергетические — характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;
2) световые — характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.
1. Энергетические величины. Поток излучения Фе — величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:
Единица потока излучения — ватт (Вт).
Энергетическая светимость (излучательность) Re — величина, равная отношению потока излучения Фе, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:
т. е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения. Единица энергетической светимости — ватт на метр в квадрате (Вт/м 2 ).
Энергетическая сила света (сила излучения) Iе определяется с помощью понятия о точечном источнике света — источнике, размерами которого по сравнению с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света Iе — величина, равная отношению потока излучения Фе источника к телесному углу 
, в пределах которого это излучение распространяется:
Единица энергетической силы света — ватт на стерадиан (Вт/ср).
Энергетическая яркость (лучистость)Be — величина, равная отношению энергетической силы света 
элемента излучающей поверхности к площади 
S проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:
Единица энергетической яркости — ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср×м 2 )).
Энергетическая освещенность (облученность) Ее характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м 2 ).
2. Световые величины. При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы, фотоумножители), которые не обладают одинаковой чувствительностью к энергии различных длин волн, являясь, таким образом, селективными (избирательными). Каждый приемник излучения характеризуется своей кривой чувствительности к свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является единица силы света — кандела(кд), определение которой дано выше (см. Введение). Определение световых единиц аналогично энергетическим.
Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью). Единица светового потока — люмен (лм): 1 лм — световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм = 1 кд×ср).
Светимость R определяется соотношением
Единица светимости — люмен на метр в квадрате (лм/м 2 ).
Яркость 
светящейся поверхности в некотором направлении 
есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:
Единица яркости — кандела на метр в квадрате (кд/м 2 ).
ОсвещенностьЕ — величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:
Единица освещенности — люкс (лк): 1 лк — освещенность поверхности, на 1 м 2 которой падает световой поток в 1 лм (1 лк = 1 лм/м 2 ).