Лекция 4. Основы фотометрии

Наведенная анизотропия

Изотропные оптические материалы могут превращаться в анизотропные при внешнем воздействии. Жидкости, стекла, пластмассы и изотропные кристаллы становятся анизотропными под действием:

- внешних механических напряжений или неравномерного нагрева – явление фотоупругости;

- электрического поля – эффект Керра (квадратичный электрооптический эффект) и эффект Поккельса (линейный электрооптических эффект);

- магнитного поля – эффект Фарадея (наведенная оптическая активность или магнитное вращение плоскости поляризации).

Эти явления находят разнообразные применения: эффекты Керра и Поккельса для создания электро-оптических затворов; эффект Фарадея в оптических вентилях, пропускающих свет только в одном направлении; фотоупругость – для исследования механических напряжений в телах сложной формы.

Принцип действия электрооптического затвора: кювету с жидкостью или кристалл, на которые воздействует электрическое поле, помещают между скрещенными поляризаторами. При отсутствии электрического напряжения затвор закрыт, свет через него не проходит. При включении заданного (полуволнового) напряжения под действием электрического поля слой жидкости или кристалл превращается в фазовую полуволновую пластинку, которая поворачивает плоскость поляризации прошедшего через нее линейно поляризованного света на 90 градусов. При этом свет проходит через систему – оптический затвор включается. Соответствующее электрическое напряжение называю полуволновым; оно составляет в случае эффекта Керра в нитробензоле ~ 12 кВ. Таким образом, при включении в электрооптическом материале электрического поля устройство начинает пропускать свет. Характерное время возникновения наведенной полем анизотропии очень мало и составляет ~ 10^-12 секунды. Поэтому электрооптические затворы применяет для быстрого переключения света.

Недостаток таких затворов – значительное электрическое напряжение, необходимое для управления включением. Для получения управляющих электрических импульсов необходимы специальные электронные устройства на основе разрядников или высоковольтных тиратронов. Обычная полупроводниковая электроника для этого не годится.

Изучению основных параметров световых волн: амплитуде, фазе и частоте посвящены три раздела оптики: фотометрия, интерферометрия и спектроскопия. Спектроскопия – наука о законах поглощения и испускания света, зависящих от частоты или длины волны излучения. В интерферометрии исследуются эффекты, возникающие при сложении волн с разными фазами. Фотометрия – раздел оптики, посвященный измерениям энергии, переносимой световой волной и величин, связанных с этой энергией.

Формально в оптике необходимо использовать световую систему единиц, которая регламентирована международной системой единиц СИ и

ГОСТом. Это связано с тем, что на ранних этапах развития оптики единственным приемником светового излучения был глаз человека. Методы измерений сводились к сравнению глазом яркостей светящихся поверхностей. В настоящее время для описания фотометрических характеристик световых волн используют энергетические единицы. Световая система превратилась в значительной мере в анахронизм.

В качестве приемников светового излучения используют фотодиоды, фотосопротивления, фотоумножители. Принцип действия этих приборов основан на внешнем или внутреннем фотоэффекте. В настоящее время широко распространены приемники излучения, основанные на счете фотонов, что существенно повысило точность измерения фотометрических величин при малых интенсивностях излучения.

Рис.4.1а Распределение произвольного светового потока по длинам волн. б – относительная чувствительность глаза «среднего наблюдателя». В условиях темновой адаптации глаз может видеть интенсивные инфракрасные лучи с длинами волн до 950 нм, а ультрафиолетовые - до 300 нм, выходящие за пределы, показанные на графике.

Энергетическим потоком излучения называют среднюю мощность излучения всех длин волн. Под световым потоком F – понимают мощность излучения, воспринимаемую глазом человека (заштрихованная область на рис. 4.1а). Диапазон длин волн видимого диапазона l₁ = 380 нм … l₂ = 770 нм.

Поток излучения Ф – характеризует излучение во всем спектральном диапазоне. Для источника с непрерывным спектром интегральный поток излучения равен площади, находящейся под спектральным контуром излучения, показанного на рис. 4.1а. Заштрихованная область на рис. – световой поток.

За основную характеристику излучения в международной системе единиц СИ принята сила света I.

Таблица 4.1. Фотометрические и энергетические величины.

Сила света – пространственная плотность светового потока, излучаемого внутри телесного угла.

Телесный угол – часть пространства, ограниченная конической поверхностью. Численно телесный угол равен отношению площади поверхности s, вырезанной на сфере радиуса r, конусом с вершиной в центре сферы, к квадрату ее радиуса r. Стерадиан (ср) – телесный угол для которого s = r². Телесный угол, охватывающий все пространство вокруг точечного источника равен 4 p.

Кандела (кд, cd) (СИ 1979 г.) – сила света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение с n = 5,40 ×10¹⁴ Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/стерадиан.

Указанное определение имеет смысл на расстоянии, значительно превышающем размеры источника. Способ создания эталона силы света не оговаривается.

Рис.4.2. К определению связи между силой света и освещенностью.

Освещенность – световой поток, приходящийся на единицу освещаемой поверхности. Для точечного источника телесный угол равен

.

С учетом этого соотношения

.

Светимость R характеризует поверхностную плотность излучения и равна световому потоку, излучаемому с единицы излучающей поверхности R = F/S лм/м².

Яркость В, в отличие от светимости, характеризуют световым потоком, излучаемым с единицы поверхности в заданном направлении. Яркость В поверхности представляет собой отношение силы света к проекции излучающей площадки на плоскость, перпендикулярную направлению излучения.

Рис.4.3. К определению связи яркости поверхности и силы света.

B = I/(S cosq), т.е. яркость равна силе света, отнесенной к единице видимой поверхности источника излучения. Яркость измеряют в кд/м² или Вт/(ср м²).

Рис. 4.4. Распределение силы света у поверхности, подчиняющейся закону Ламберта.

Закон Ламберта. В частном случае, когда яркость излучающей поверхности во всех направлениях одинакова, можно написать:

B = I/(S cosa) = I_max/S = const; откуда сила света в любом направлении

I = I_maxcosa.

Закон Ламберта - плоская поверхность равнояркая во всех направлениях излучает энергию по закону косинуса. Закон Ламберта строго выполняется только для абсолютно черного тела или для идеально рассеивающей поверхности.

Для поверхности, подчиняющейся закону Ламберта, между освещенности поверхности и ее яркостью существует зависимость:

E = pB,

соответственно для энергетической светимости: R = p B.

Рассмотрим плоскую и сферическую поверхности, имеющие одинаковые яркости и подчиняющиеся закону Ламберта. Тогда, световые потоки, посылаемые соответствующими участками диска и сферы по любому направлению, будут одинаковы. Таким образом, светящаяся полусфера (Луна и Солнце) неотличима от светящегося диска, так как глаз человека реагирует на яркость источника.

Рис. 4.5. Плоский диск и полусфера, излучающие по закону Ламберта, для удаленного наблюдателя кажутся одинаково яркими. Поэтому светящийся диск Луны кажется плоским, хотя видимая поверхность Луны - полусфера.

Дата добавления: 2014-01-13