Фотометрія

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

• 1. Комплекс методів вимірювання інтенсивності випромінювання у видимій, УФ- або ІЧ-області спектру. До фотометрії відносять атомно-абсорбційний аналіз, фотометрію полум'я, турбідіметрію, нефелометрію, люмінесцентний 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.

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

Історія

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

$E={I \over r^{2}}\cos i$ (1) Де:

• E — освітленість
• $r\!$ —відстань від джерела до об'єкта
• $I\!$ —сила світла точкового джерела
• $i\!$ —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

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.

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.

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,

Теорія світлового поля

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

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

• Фотометрія полум'я

Джерела

• Геліч, І. В. Вплив дискретизації фокальної площини на функціонал еліпсоїдального рефлектора / І. В. Геліч // XІV Всеукраїнська науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Ефективність інженерних рішень у приладобудуванні», 4-5 грудня 2018 року, КПІ ім. Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна : збірник праць конференції / КПІ ім. Ігоря Сікорського, ПБФ, ФММ. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. – С. 258–261. – Бібліогр.: 7 назв.