viz_kontrol_zachita

1.5.Световая система единиц

1.5.1.Световые величины

Сила света I – основная величина в системе величин, на которой построена Международная система единиц. Сила света характеризует свечение источника видимого излучения в некотором направлении.

Размерность и единица силы света:

dimIv = J, [Iv] = 1 кд (кандела).

Кандела – это сила света в данном направлении от источника, ис% пускающего монохроматическое излучение частотой 540.1012 Гц, энер% гетическая сила света которого в том направлении составляет 1,683 Вт на стерадиан.

Размерность и единица светового потока

dimФ = J, [Фv] = 1 кд·рад (кандела%радиан).

Эта единица называется люмен. Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником в телесном угле 1 стерадиан (ср) при силе света 1 кд.

Освещенность Еv в точке поверхности – величина, равная отноше% нию светового потока dФv, падающего на элемент поверхности, к пло% щади dA этого элемента

Еv = dФv/dA.

Размерность и единица свещенности

dim Ev = L–2J, [Ev] = 1лм/м2.

Эта единица освещенности называется люкс (лк).

Люкс равен освещенности поверхности площадью 1 м2 при падаю% щем на нее световом потоке 1 лм.

Яркость Lv в точке поверхности и в данном направлении – отно% шение силы света dIv элемента поверхности к площади dA ортогональ% ной проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную данно% му направлению

Lv = dIv/dA.

Размерность и единица яркости

dimLv = L–2J, [Lv] = 1 кд/м2.

Кандела на квадратный метр равна яркости светящейся поверхно% сти площадью 1 м2 при силе света 1 кд.

Ранее эта единица яркости называлась нит.

31

1.5.2. Фотометрические величины

Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить свето% вой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам. Ос% новной мерой света долгое время была «свеча», которая считалась еди% ницей силы света. Настоящие свечи уже более века в этом качестве не используются, так как с 1862 г. стала применяться специальная масля% ная лампа, а с 1877 г. – лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 г. в ка% честве единицы силы света была принята «международная свеча», ко% торая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 г. была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохромати% ческое излучение частоты 540.1012 Гц ( = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный источник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4 лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящую% ся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м2, т. е. одному люксу.

Протяженный источник света или освещенный предмет характе% ризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м2 такой поверхности в данном направле% нии, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2. Яр% кость большинства тел и источников света в разных направлениях нео% динакова.

Виды фотометрических измерений. Основные виды фотометриче% ских измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) изме% рение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объек% тами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

Редуцированные фотометрические величины, эффективные фо% тометрические величины, характеризуют оптическое излучение по его воздействию на заданный селективный приёмник света. Если в каче% стве такого приёмника служит человеческий глаз, соответствующие фотометрические величины называются световыми величинами. При любом спектральном составе излучения одинаковым реакциям селек%

32

тивного приёмника соответствуют равные значения редуцированных фотометрических величин. В этом их основное удобство, особенно при оценке излучения, применяемого в практических целях. Каждая из реду% цированных фотометрических величин есть интеграл от произведения спектральной плотности соответствующей энергетической величины, характеризующей излучение, на спектральную чувствительность данно% го приёмника. Международное соглашение заключено о применении лишь одной системы редуцированных фотометрических величин – све% товых величин. В принципе можно образовать системы редуцирован% ных фотометрических величин применительно к любым приёмникам. Например, употребляют фитовеличины, которые характеризуют полез% ность излучения при выращивании растений, а также бактерицидные и эритемные редуцированные фотометрические величины для оценки ультрафиолетового излучения соответственно по обеззараживающему действию и по полезному действию на организм человека. В основе определения новых редуцированных фотометрических величин лежат некоторые ещё требующие экспериментальной проверки допущения по форме кривых спектральной чувствительности приёмников и по степени подчинения их реакции законам аддитивности и взаимозаме% стимости множителей освещённость – время.

Фотометрия – совокупность методов измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения и световых величин: ос% вещенности, силы света, светового потока, яркости и др.

1.6. Оптические и светотехнические характеристики объектов контроля

Материалы, предназначенные для отражения, пропускания, по% глощения, изменения характеристик и генерирования света, называ% ются светотехническими. Их используют для изготовления отражате% лей, рассеивателей, защитных стекол, различных оптических деталей, светофильтров, электрических источников света, фотоэлементов и т. д.

1.6.1. Светотехнические материалы

Для создания нужного освещения при проведении съемок широко используются различные приспособления (отражатели, рассеиватели, экраны и др.), изготовленные из самых разных материалов – металлов, тканей, стекол, кристаллов, оптической керамики, пластикатов. Спо%

33

собность этих приспособлений отражать, пропускать, поглощать или изменять спектральный состав падающего светового потока определя% ют светотехнические характеристики поверхности материала.

Рис. 19. Спектральные характеристики полированных металлов

Металлы. В отражателях используются металлические поверхно% сти двух видов: полированные для зеркального (направленного) и ма% тированные для диффузного и направленно%рассеянного отражения. Материалами для этих поверхностей обычно служат такие металлы, как алюминий, хром, никель, латунь, серебро, родий, кадмий и олово. Их применяют в виде сплошных листов, гальванического, химическо% го покрытия или порошка в составе красящих веществ (бронзовая и алюминиевая краски). Зависимость коэффициента отражения поли% рованных металлов (r) от длины волны светового излучения ( ) показа% на на рис. 19. Наиболее часто при изготовлении отражателей использу% ют алюминий в виде тонких листов или фольги, наклеенной на какую% либо плоскую основу, или алюминиевого порошка в составе краски. Алюминий – легкий металл серебристого цвета, стойкий к атмосфер% ным воздействиям и коррозии. Отличительными свойствами алюми% ния как светотехнического материала являются высокий коэффициент отражения (0,8...0,95), постоянная отражательная способность при длительном использовании и изменении температуры в пределах 300...750 К, равномерная спектральная характеристика в видимой ча% сти спектра (коэффициент отражения увеличивается на 0,1 в пределах от 400 до 700 нм).

Зеркальную серебряную поверхность отражателя получают путем гальванического отложения серебра на другом металле. Полированное серебро имеет максимальный коэффициент отражения, равный 0,95, но в результате окисления уже к концу первого года службы данный ко% эффициент у металлических серебряных зеркал уменьшается на 15–25 %.

34

Хром – металл белого цвета с оттенком синего, стойкий к воздей% ствию большинства газов и органических кислот. В атмосферных усло% виях хром длительное время сохраняет высокую отражающую способ% ность и незначительно окисляется при нагревании до температуры 400...600 К. Хромовые покрытия, нанесенные на подслой из меди или никеля, имеют высокую механическую прочность. Эти свойства позво% ляют использовать хромированные отражатели в осветительных при% борах с высокими рабочими температурами. Коэффициенты отраже% ния хромированных отражателей равны 0,61...0,62.

Родий – металл белого цвета с розовато%голубым оттенком, очень стойкий к коррозии и действию паров кислот, щелочей и других хими% чески активных веществ, присутствующих в атмосфере. Родиевые по% крытия обладают высокими отражательной способностью (коэффици% ент отражения – 0,72...0,74) и твердостью, поэтому их применяют при производстве высококачественных отражателей. Недостатками отра% жателей с родиевым покрытием являются их высокая стоимость и сложность изготовления.

Никель – металл серебристо%белого цвета, стойкий к атмосфер% ной коррозии. Но его коэффициент отражения недостаточно высок (0,55...0,60), поэтому никель часто используется в качестве подслоя под хромовые и родиевые покрытия.

Поглощение света металлами. Из всех известных веществ металлы отличаются наибольшим поглощением света. Чтобы наблюдать про% хождение света через слой металла, необходимо изготовить из него очень тонкие пленки толщиной в миллионные доли миллиметра. В принципе, свет, проходящий через металл, поглощается в соответ% ствии с общим законом Бугера. Отличие состоит лишь в абсолютном значении показателя поглощения, который у металла будет очень боль% шим. Так, например, при длине волны 589 нм показатель поглощения серебра составляет около 8,105 см–1, платины – 9,105 см–1, алюминия – 1,106 см%1. В металлооптике используют безразмерную величину c, ко% торая связана с показателем поглощения ' соотношением

' = 4 / , где – длина волны поглощаемого света в воздухе.

Значения постоянной для некоторых металлов, а также их коэф% фициенты преломления ( ) и отражения ( ) приведены в табл. 3.

Светотехнические характеристики некоторых материалов, приме% няемых в качестве отражателей осветительных приборов и экранов, приведены в табл. 4–6.

35

Таблица 3

Постоянные , коэффициенты преломления ( ) и отражения ( ) некоторых металлов при = 589,3 нм

Таблица 4

Коэффициенты отражения ( ) полированных металлов (направленное отражение)

Таблица 5

Коэффициенты отражения ( ) матированных металлов (направленно$рассеянное отражение)

36

Даже самые качественные и чистые зеркала рассеивают некото% рую часть падающего светового потока. Для металлических зеркал эта часть составляет десятую или сотую долю процента, а для хорошо отпо% лированных стекол – около тысячной доли процента.

Таблица 6

Коэффициенты отражения ( ) диффузно отражающих материалов

Свойствами, близкими к идеальному рассеивателю, кроме оксида магния, осажденного на поверхности холодного предмета при сжига% нии металлической ленты или металлических стружек, обладают прес% сованные пластинки из чистых порошков сульфата бария или карбона% та кальция. Характеристики материалов разной толщины приведены в табл. 7.

1.6.2. Взаимодействие света с веществом

При распространении света в веществе возникают следующие яв% ления. Во%первых, изменяется скорость распространения, причем, скорость распространения зависит от длины световой волны. Это явле% ние называется дисперсией.

Во%вторых, часть энергии световой волны теряется. Это явление называется поглощением или абсорбцией света.

Наконец, при распространении света в оптически неоднородной среде возникает рассеяние света на пространственных неоднородно% стях среды.

37

Таблица 7

Коэффициенты пропускания ( ), отражения ( ) и поглощения ( ) света материалов

1.6.3. Дисперсия света

Дисперсия света (разложение света) – это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света.

n = n( ).

У прозрачных веществ примерный вид зависимости изображен на рис. 20.

Рис. 20. Зависимость абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света

38

Такая зависимость n( ), когда с ростом уменьшается n, называет% ся нормальной дисперсией.

Один из самых наглядных примеров дисперсии – разложение бе% лого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона) (рис. 21). Причиной дисперсии является неодинаковая скорость рас% пространения лучей света c различной длиной волны в оптической сре% де. Чем больше частота волны, тем больше показатель преломления и меньше ее скорость света в среде:

•у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления;

•у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и макси% мальная степень преломления;

•в вакууме скорости света разного цвета одинаковы.

Рис. 21. Разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона)

Однако в некоторых веществах (например в парах йода) наблюда% ется эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи прело% мляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают.

Дисперсия белого света указывает на его составную природу. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через

дифракционную решётку. Причем дифракционный и призматический спектры несколько отличаются призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой (располагается в порядке убывания дли% ны волны – от красного к фиолетовому).

Нормальный (дифракционный) спектр равномерный во всех обла% стях (располагается в порядке возрастания длин волн – от фиолетового к красному).

39

Дисперсия света дала своё название закону дисперсии, связываю% щему частоту и волновое число любого колебательного процесса, не обязательно электромагнитной волны.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя. Радуга – это оптическое явление, связанное с преломлением све%

товых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэто% му полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.

Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной солнцу. Если встать лицом к радуге, то солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательно% сти, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внеш% няя крайняя область – в красный. Нередко над основной радугой воз% никает еще одна (вторичная) радуга – более широкая и размытая. Цве% та во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область).

Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 42 . Чем ниже солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем, следовательно, боль% ше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота солнца над горизонтом не превышает примерно 52 .

Дисперсия является причиной хроматической аберрации – одного из тщательно устраняемых недостатков (аберраций) оптических си% стем, в том числе фото% и видеообъективов.

1.6.4. Прохождение света через оптически неоднородную среду

Как уже упоминалось, вторичные волны, вызываемые вынужден% ными колебаниями электронов, рассеивают в стороны часть энергии, приносимой световой волной. Другими словами, распространение све%

40