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 буквой W.

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 потока Fv внутри элементарного (очень малого) телесного углаW. Единица измерения - кандела (кд).

I = dFv / dW

Освещенность Е – отношение светового потока излучения Fv, падающего на ма- лый элемент поверхности, площадью DS, 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).