Лекції зі "Світлотехніки"

Для вимірювання світлового потоку служить кульової фотометр-фотометричний куля (Куля Ульбріхта). Кульовий фотометр – порожниста куля, внутрішня поверхня якого пофарбована білою неуважно відбиває світло фарбою. Кульки великого діаметру робляться з двох половин, одна з яких нерухома, а інша пересувається по напрямних планок. Кулі малого діаметру мають досить великий отвір, що дозволяє розташовувати всередині кулі джерело світла або невеликий світильник. Цей отвір закривається дверкою, яка є частиною кульової поверхні, внутрішня сторона дверки забарвлена в білий колір. Куля має невеликий отвір, яке закрито молочним склом MC. Усередині кулі збожеволіє джерело світла і екран Е, який захищає молочне скло від прямих потоків.

Освітленість, що створюється на поверхні кулі, можна розділити на дві складові: Е = Е '+E'', де Е – освітленість ділянки внутрішньої поверхні кулі; E'-освітленість, створювана потоком, падаючим на цю поверхню безпосередньо від джерела світла; E'' – освітленість створювана потоками багаторазових відбиттів.

Нехай на деяку увігнуту поверхню падає світловий потік F'. Застосовуючи закон збереження енергії до світлового потоку, що падає на увігнуту поверхню, можна записати: F'= F (1–p)+puF, де F-світловий потік, падаючий на цю поверхню з урахуванням багаторазових відбиттів; p-коефіцієнт відображення цієї поверхні; u – частина потоку, відбитого від увігнутої поверхні і виходить за її межі.

 

ЛЕКЦІЯ №2

Ефективні та світлові характеристики оптичного  випромінювання.

Оптичне випромінювання (Світлове випромінювання) – 1) випромінювання, електромагнітна хвиля оптичного діапазону; термін, що поєднує видиме світло, інфрачервоне випромінювання і ультрафіолетове випромінювання. Уражаючий фактор ядерного вибуху.

Світло – у широкому розумінні цього слова, електромагнітні хвилі, мінімальні довжини яких вимірюються одиницями нанометрів а максимальні – долі міліметра (діапазон частот: 3·10¹¹ – 3·10¹⁷ Гц).

Фізичні властивості оптичного  випромінювання і методи його дослідження характеризуються значною мірою загальності. Саме в діапазоні спектру оптичного випромінювання проявляються і хвильові і корпускулярні властивості світла. Хвильові властивості обумовлюються дифракцією, інтерференцією та поляризацією. Тим часом деякі властивості не можна зрозуміти не ввівши уявлення про світло як про потік частинок – фотонів. Ця дуалістична теорія знаходить загальне пояснення в квантовій механіці.

Швидкість розповсюдження світла в вакуумі приблизно складає 3·10⁸м/с. В будь-якому іншому середовищі швидкість світла є меншою. Відношення швидкості світла в середовищі та у вакуумі називають абсолютном показником заломлення у цьому середовищі. Взагалі для різних довжин хвиль показник заломлення різний, звідки виникає явище дисперсії.

Різні види оптичного випромінювання розрізняють за наступними ознаками: тип генерації світла (теплове випромінювання, люмінесценція), степінь однорідності спектру (монохроматичне світло, немонохроматичне), впорядкованість орієнтації електричних та магнітних векторів (природнє світло, поляризоване лінійно, по колу, еліптично), розсіяння потоку випромінювання (напрямлене, дифузійне, змішане).

При падінні оптичного  випромінювання на певну поверхню, частина його відбивається, причому кут падіння рівний куту відбивання (у випадку падіння на площину). Частина потоку світла поглинається тілом і перетворюється на теплову енергію, котра йде на нагрівання тіла, хоча можливі і інші перетворення світла: фотоефект (фотоелектронна емісія), фотолюмінесценція, фотохімічні перетворення.

Основними характеристиками оптичного випромінювання є: оптичний діапазон, світловий потік, променистий потік, сила світла, освітленість, світимість і яскравість.

Оптичний діапазон спектра електромагнітних випромінювань – діапазон, який складається із видимої області і прилягаючої до неї ультрафіолетової і інфрачервоної областей.

Межі між видимим діапазоном та ІЧ і УФ носять досить умовний  характер і характеризуються чутливістю ока людини. Середні значення чутливості: на межі з УФ випромінюванням – 380-400 нм, з боку ІЧ – 760-780 нм. Крім довжини хвилі випромінювання можна характеризувати і іншими величинами, такими як частота чи хвильовим числом.

Сила світла J – відношення світлового потоку до тілесного кута, в якому він випромінюється. Одиницею сили світла є кандела (кд). Середнє значення сили світла , де – тілесний кут, стерадіан.

Світловий потік Ф – світлове відчуття, яке викликає оптична частина спектру електромагнітних хвиль довжиною від 0,38 до 0,77 мкм. За одиницю світлового потоку прийнято люмен (лм), який має розмірність кандела х стерадіан.

В системі енергетичних величин  потужність випромінювання називається променистим потоком чи потоком випромінювання. Одиницею променистого потоку є Вт.

Якщо випромінювання складне, то складається  з декількох монохроматичних величин, тоді повний променистий потік такого випромінювання складається із суми монохроматичних променистих потоків.

Для гігієнічної характеристики умов освітлення визначеної поверхні прийнята освітленість. Освітленість (Е) – відношення світлового потоку до площі S, на яку він розповсюджується: . Іншими словами, освітленість – це поверхнева густина світлового потоку. Одиниця освітленості – люкс (лк) має розмірність люмен на квадратний метр (лм/м²).

Світимість – розподілення потоку джерела по його поверхні, тобто поверхнева щільність потоку на джерелі: , де А – це поверхня джерела, а Ф – світловий потік.

Яскравість L – відношення сили світла в будь-якому напрямку до площі проекції світлової поверхні, перпендикулярну до цього напрямку. Одиниця яскравості – кандела на квадратний метр (кд/м²). Середнє значення величини яскравості рівномірної світлової поверхні:

,

де  – сила світла поверхні площею у напрямку .

Приймачі оптичного  випромінювання.

Приймачами оптичного випромінювання можна вважати неї тіла живої  та неживої природи, що поглинають випромінювання, так як енергія випромінювання впливає на неї тіла.

Для виявлення випромінювання, виміри його інтенсивності і ряду інших цілей використовують приймачі, що представляють собою спеціальні фізичні або хімічні прилади або пристрої.

За типом дії ці приймачі випромінювання діляться на приймачі, реаг на дії випромінювання: теплове (термоелементи, болометри, термістори і ін); фотоелектричне (фотоелементи, фотопомножувача, фотосопротивлений); фотографічне (фотографічні шари). Важливий клас складають приймачі живої природи (очей і шкіра людини, листя рослин).

Властивості цих приймачів представляють  інтерес тому, що саме для них  призначаються багато світлотехнічні установки.

Приемники (детекторы) энергии излучения

Під приймачем енергії  випромінювання розуміють тіло, ефективно  перетворює поглинену енергію випромінювання в один з видів енергії: електричну, біологічну, хімічну і т. д.

Першим загальний закон  збереження речовини і руху сформулював  в 1748 р. великий російський вчений М. В. Ломоносов (1711–1765): «всі зміни, що відбуваються в природі, відбуваються таким чином, що скільки до чого додається, стільки ж віднімається від іншого. Так, скільки до одному тілу додається речовини, стільки ж віднімається від іншого ». Закон збереження і перетворення енергії - незалежно один від одного - сформулював Ю. Майєр (1814-1878) на початку 40-х років І.обосновал поруч дослідів Д. Джоуль (1818-1889). Велику роль в обгрунтуванні закону збереження і перетворення енергії зіграв Г. Гельмгольц (1821-1894) .

Приймачі енергії випромінювання діляться на два великі класи: фізичні (фотоелемент, люмінофор, фотографічна емульсія тощо) і біологічні (око, зелений лист рослини, шкіра людини і тварин та ін.) Перетворення поглиненої енергії випромінювання не відбувається цілком в один із зазначених видів енергії, велика чи менша частина поглинутої енергії перетвориться в теплову. Для більшості приймачів теплова енергія, що отримується при перетворенні поглиненого потоку випромінювання, надалі не використовується і є втраченою.

Поглинений потік випромінювання, перетворений приймачем в корисну потужність одного з видів енергії, прийнято називати ефективним потоком випромінювання.

Кожен приймач енергії  випромінювання характеризується спектральною та інтегральної чутливістю (спектральної та інтегральної ефективністю).

Інтегральною чутливістю приймача  називають відношення ефективно перетвореної приймачем енергії до падаючої на приймач енергії, її можна визначити також як відношення ефективно перетвореного приймачем потоку випромінювання (ефективного потоку) до падаючого на приймач потоку:

 

Де  – інтегральна чутливість приймача; – ефективно перетворена приймачем енергія;  - падаюча на приймач енергія; Ф_э — ефективно перетворений приймачем потік випромінювання - ефективний потік випромінювання; Ф_е – падаючий на приймач потік випромінювання; С – коефіцієнт пропорційності, що залежить від вибраних одиниць Ф_э и Ф_е; Ф_еа – поглинений приймачем потік випромінювання; α_е – коефіцієнт поглинання приймача; η_э – енергетичний вихід перетворення.

Енергетичним виходом перетворення η е. називається відношення ефективно перетвореної приймачем енергії до поглиненої.

Інтегральну чутливість фотоприймача можна вимірювати в міліамперах фотоструму, віднесених до одиниці падає на фотоелемент енергії випромінювання.

Відношення ефективно перетвореного приймачем монохроматичного потоку випромінювання до падаючого на його активну поверхню монохроматичних потоків називається спектральною чутливістю приймача:

 

 

Де – спектральна чутливість приймача до монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі λ; Ф_э – ефективно перетворений приймачем монохроматичне потік випромінювання; Ф_еα – монохроматичне потік випромінювання, що падає на приймач; – спектральний до коефіцієнт, поглинання.

Спектральна чутливість приймача може визначатися в тих же одиницях, що й інтегральна.

У більшості приймачів  спектральна чутливість залежить від  довжини хвилі падаючого на приймач  монохроматичного (однорідного) випромінювання. Такі приймачі називаються виборчими (селективними). Прикладом виборчого приймача може служити очей людини, фотоелемент, фотоемульсія, шкіра людини. Крім виборчих є і не вибіркові (неселективні) приймачі, у яких спектральна чутливість в широкому діапазоні довжин хвиль не залежить від довжини хвилі випромінювання. Таким невиборчих приймачем є термопара.

Знаючи спектральний розподіл падаючого потоку випромінювання φ(λ) і функцію спектральної чутливості приймача (λ) , можна визначити ефективний потік випромінювання:

 

 

 

де і λ₁ і λ₂ - межі ділянки спектру, в межах якої укладено потік випромінювання, що падає на приймач.

Знаючи функцію спектральної чутливості приймача, можна визначити його інтегральну чутливість:

 

 

Так як відносні вимірювання проводити завжди легше, ніж абсолютні, то широко користуються відносними значеннями спектральної чутливості приймача.

Під відносної спектральної чутливістю приймача V_прλ, , розуміють відношення спектральної чутливості приймача К_прλ до максимального значення спектральної чутливості цього ж приймача

 

 

 

Знаючи абсолютне  значення ) _max і функції V_пр(λ),φ(λ), легко визначити ефективний потік:

 

 

У природі існує незліченна безліч приймачів, спектральні чутливості яких часто лежать в різних областях спектру. Визначаючи ефективний потік за рівнем реакції зразкового приймача, можна побудувати систему ефективних величин і одиниць. За зразковий приймач даної системи ефективних величин приймається такий, у якого крива відносної спектральної чутливості перекриває відносні спектральні чутливості приймачів даної групи.

Вимоги, що пред'являються  до зразкового приймача, такі:

1. Приймач повинен реагувати на будь-яке однорідне випромінювання в тій частині спектру, в якій розташовуються криві спектральної чутливості всіх приймачів даної групи.
2. Міра реакції приймача при опроміненні його потоком випромінювання повинна піддаватися безпосередньому або непрямому вимірюванню з достатньою точністю.

3. Ефективні величини системи, побудованої на основі обраного зразкового приймача, повинні володіти Властивістю адитивності. В. даний час достатнє поширення отримали три системи ефективних величин і одиниць:

світлова, у якої зразковим  приймачем є людське око з усередненими характеристиками;

 

бактерицидна, у якої зразковим приймачів є бактерії, зазвичай кишкова паличка, а ефективність випромінювання визначається летальним  дією випромінювання на них;

ерітемная, у якої зразковим  приймачем є шкіра людини (реакція  шкіри людини на опромінення різним спектральним складом - почервоніння та освіта засмаги).

Відносні значення спектральної чутливості зразкових приймачів  цих систем (1 – бактерицидної, 2 – еритемних, 3 – світловий) дані на рис. 1.4. Більш докладні відомості про приймачах оптичного випромінювання наведено в п'ятому розділі.

Короткі відомості  з фізіологічної оптики