Фотометрія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Фотометрі́я (дав.-гр. φῶς, родовий відмінок φωτός — світло і μετρέω — вимірюю) — загальна для всіх розділів прикладної оптики наукова дисципліна, на основі якої проводяться кількісні вимірювання енергетичних характеристик поля випромінювання.

Загальний опис[ред.ред. код]

  • 1. Комплекс методів вимірювання інтенсивності випромінювання у видимій, УФ- або ІЧ-області спектру. До фотометрії відносять атомно-абсорбційний аналіз, фотометрію полум'я, турбідіметрію, нефелометрію, люмінісцентний аналіз, спектроскопію відбиття, молекулярно-абсорбційний фотометричний аналіз. Останній включає спектрофотометрію, фотоколориметрію та візуальну фотометрію (колориметрію). Спектрофотометрія і фотоколориметрія основані на визначенні оптичної густини речовин за допомогою спектрофотометрів та фотоелектроколориметрів. Молекулярно-абсорбційний фотометричний аналіз застосовують для визначення більшості хімічних елементів при їх вмісті від 10-4-10-5 % до десятків %, а також для дослідження процесів комплексоутворення, ідентифікації органічних сполук тощо.
  • 2. Розділ прикладної оптики, в якому вивчаються методика і техніка вимірювання параметрів джерел світла, світлових пучків та освітлених поверхонь. Основними фотометричними величинами є світловий потік Ф, сила світла J, освітленість E, світність R та яскравість джерела B. За основну фотометричну величину в системі СІ взято силу світла J. Фотометричні величини визначають фотометрами (потік), люксметрами (освітленість).

В основі фотометрії як науки лежить розроблена А. Гершуном теорія світлового поля.[1][2]

На практиці положення теорії світлового поля реалізуються інженерною дисципліною — світлотехнікою.

Історія[ред.ред. код]

Перший із законів фотометрії — закон зворотних квадратів — був сформульваний Йоганном Кеплером у 1604 році.

(1) Де:

  • E — освітленість
  •  —відстань від джерела до об'єкта
  •  —сила світла точкового джерела
  •  —кут падіння променів відносно нормалі до поверхні.

Фотометрія як наука почалась в 1760-х з робіт Ламберта, який сформулював закон дифузного відбиття світла (закон Ламберта) і Бугера, який сформулював закон поглинання світла (закон Бугера — Ламберта — Бера).

Використовування терміну «світло» щодо описання поля випромінювання в будь-якій області спектрального діапазону оптичного випромінювання, а не лише в видимій його області, сьогодні є загальновизнаним («швидкість світла», «промінь світла»).

Фотометрія — розділ оптики, в якому досліджуються енергетичні характеристики світла при його емісії, розповсюдженні і взаємодії з тілами. Оперує фотометричними величинами.

У фізичній оптиці інтенсивність поля електромагнітного випромінювання визначається квадратом модуля вектора напруженості електромагнітного поля E,(який є основною розрахунковою величиною у фізичній оптиці), і характеризуеться щільністю поля (нім. Energiedichte) dw: dw = dE / dV = ε x | E |(2)

де dV — елемент об'єму в заданій точці простору, а dE енергія поля, укладеного в даному об'ємі в цей момент часу[3]

ε — діелектрична стала середовища, у якій поширюється випромінювання.

В оптичному діапазоні спектру частоти електромагнітних коливань настільки високі, що безпосереднє вимірювання модуля цього вектора (на відміну від радіотехніки) неможливе. Сучасними технічними засобами забезпечується лише посереднє значення цієї величини в інтервалі часу, які характеризують інерційністю приймача випромінювання. Ефекти взаємодії випромінювання з речовиною, в тому числі і з приймачем випромінювання, визначаються саме поглиненою енергією випромінення, а не напруженістю електромагнітного поля.

Перехід на використання в теоретичній оптиці енергетичних характеристик поля привів би до нелінійності рівнянь, що залишило б засноване використання принципу суперпозиції, як базового принципу, який дозволяє пояснити багато оптичних явищ.

Окрім того, рівняння Максвелла, яке дозволяє вирахувати значення Е не враховує в явному вигляді ні геометрії поля випромінення, ні його фотометричних характеристик, і тому сучасна теорія оптичних приладів не використовує математичного апарату теорії Максвелла у всій його повноті.[4]

Будучи орієнтованою на практику, теорія оптичних приладів продовжує базуватись на використанні геометричної оптики і закону збереження енергії.

Існує офіційно признана сукупність термінів, які описують енергетичні характеристики поля випромінювання[5].

У зв'язку з цим теоретик світового поля Гершун казав:

Той, хто при спробі описати світове поле користується терміном «інтенсивність» або навмисно відмовляється від можливості його кількісного опису, або не розуміє того, про що говорить[6],[7]

Теорія світлового поля[ред.ред. код]

Докладніше: Світловое поле

Вихідною енергетичною характеристикою поля випромінювання є «спектральна густина енергетичної яскравості»

B(λ)= d(E) / [d(λ) x d(t) x dS x d(ω)],

яка означає долю енергії випромінювання, що знаходиться в одиничному інтервалі довжин хвиль, і яка проходить за одиницю часу через перпендикулярну до поширення випромінювання територію одиничної площі в межах одиничного тілесного кута. Якщо додати до цього ще і орієнтацію плоскості поляризації, то сукупність значень спектральної щільності яскравості вичерпним чином описує поле випромінювання.

Спектральна щільність яскравості — скаляр, величина якого залежить від орієнтації в просторі нормалі до області dS. Відкладаючи в бажаному масштабі значення B(λ) за різними напрямками нормалі при різноманітній орієнтації області, отримуємо тіло спектральної густини яскравості, як вихідну характеристику поля неполяризованого випромінювання для даної точки поля випромінювання.

Фотометричні вимірювання[ред.ред. код]

Докладніше: Фотометр

Фото́метр — пристрій для вимірювання будь-яких із фотометричних величин, частіше інших — одної або багатьох світлових величин.

При використанні фотометра здійснюють конкретне просторове обмеження потоку випромінювання і реєстрацію його приймачем випромінювання із заданою спектральною чутливістю. Освітленність вімірюють люксметрами, світловий потік і світлову енергію — за допомогою інтегруючого фотометра. Пристрої для вимірювання кольору об'єкта називають кольорометрами.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  1. Гершун А. А. Теория светового поля: Избранные труды по фотометрии и светотехнике
  2. ИТМО: Годы и люди: Часть первая/сост. М. И. Потеев. СПб.,2000.-284 с. УДК 378.095’(09);ISBN 5-7577-0054-8;ISBN 5-93793-001-0
  3. Optik: eine Einführung/F- und L-Pedrotti; W.Bausch;H.Schmidt — 1 Aufl.München. 1996- ISBN 3-8272-9510-6
  4. Чуриловский  В. Н. Теория оптических приборов. М.;Л.,1966.564  с.
  5. http://www.yondi.ru/inner_c_article_id_635.phtm ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин
  6. Гершун. Лекции по физической оптике, читавшиеся на Инженерно-физическом факультете ЛИТМО до конца 1951 года
  7. Избранные труды по фотометрии и светотехнике"