Глава 2.3. Световая и энергетическая системы единиц
Для оценки основных характеристик оптического электромагнитного излучения суще- ствуют единицы световых величин, объединенные в световую систему единиц. К ос- новным величинам относятся: световой поток, световая энергия, сила света, освещен- ность и яркость.
Предварительно перед описанием основных световых единиц дадим определение телесного угла.
Рис.2.22. Телесный угол
Телесный угол — часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность (ко- торая называется поверхностью, стягивающей данный телесный угол) (рис. 2.22). Частными случаями телесного угла являются трёхгранные и многогранные углы. Границей телесного угла является некоторая коническая поверхность.
Телесный угол измеряется отношением площади той части сферы с центром в вершине угла, которая вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы:
W. = S / R2.
Очевидно, что телесные углы измеряются отвлечёнными (безразмерными) числами. Единицей измерения телесного угла в системе СИ является стерадиан (ср), равный те- лесному углу, вырезающему из сферы единичного радиуса поверхность с площадью в 1 квадратную единицу. Полная сфера образует телесный угол, равный 4p стерадиан (пол- ный телесный угол), для вершины, расположенной внутри сферы, в частности, для центра сферы; таким же является телесный угол, под которым видна любая замкнутая поверхность из точки, полностью охватываемой этой поверхностью, но не принадлежа- щей ей. Кроме стерадианов, телесный угол может измеряться в квадратных градусах, квадратных минутах и квадратных секундах, а также в долях полного телесного угла. Те- лесный угол имеет нулевую физическую размерность. Телесный угол обычно обознача- ется буквойW .
Световой потокFv – величина, которая оценивает энергетическую величину – по- ток излучения, т.е. мощность оптического излучения, оцениваемая по вызываемому им световому ощущению. Единица измерения – люмен (лм).
Световая энергия Q – часть энергии электромагнитного излучения, воспринимае- мая человеческим глазом или другим приемником света со спектральной чувствитель- ностью, равной чувствительности среднего человеческого глаза. Единица измерения - люмен-секунда(лм×с).
Q =ò Fv dt
Сила света I – величина, характеризующая источник видимого излучения. В общем случае сила света различна для различных направлений и определяется отношением светового потокаFv внутри элементарного (очень малого) телесного углаW. Единица измерения - кандела(кд).
I = dFv / dW
Освещенность Е – отношение светового потока излученияFv , падающего на ма- лый элемент поверхности, площадьюDS, содержащий рассматриваемую точку. Единица измерения - люкс(лк).
E = l2 Cosa dFv/ dW
Здесь l – расстояние от источника до рассматриваемой точки;a - угол падения све- тового потока на поверхность в рассматриваемой точке.
Яркость – отношение светового потока к геометрическому фактору.
L = d2Fv / (dS dW Cosa ).
Здесь dS – площадь элементарного участка, испускающего или принимающего излу- чение; dW - телесный угол, заполненный излучением;a - угол падения излучения на по- верхность рассматриваемого участка. Единица измерения – кандела на квадратный метр(кд/м2) (применяется также условное название – нит(нт)).
Из общего определения яркости следует два частных определения:
- яркость – отношение силы света элемента поверхности к площади его проекции, пер- пендикулярной рассматриваемому направлению
L = dFv / (dS Cosa );
- яркость – отношение освещенности Е в точке плоскости, перпендикулярной направ- лению на источник, к телесному углу, в котором заключен поток, создающий эту осве- щенность
L = dЕ / (dW Cosa ).
Помимо световой системы единиц существует и применяется на практике энерге- тическая фотометрическая система единиц. Величины этой системы единиц ха- рактеризуют оптическое излучение безотносительно к его действию на приемник из- лучения.
Приняты следующие величины в этой системе единиц, соотношения между которыми аналогичны соответствующим единицам измерения в световой системе:
- Энергия излучения (лучистая энергия). Единица измерения - Джоуль(Дж).
- Поток излучения (лучистый поток). Единица измерения - Ватт(Вт).
- Энергетическая сила света (сила излучения). Единица измерения - Ватт на стера- диан(Вт/ср).
- Энергетическая освещенность. Единица измерения - Ватт на квадратный метр
(Вт/м2).
- Энергетическая яркость. Единица измерения - Ватт на стерадиан на квадратный метр(Вт/ср м2).