Оптичні параметри й характеристики тіл

Розділ 2. Основні фотометричні величини й одиниці.

Області застосування і класифікація ВОЛЗ

На даний час склалася наступна класифікація ВОЛЗ:

1) монтажно-експлуатаційні лінії

довжиною до 10-30 м, які призначені для з’єднання вузлів у приладах і приладів у систему. В таких лініях використовуються, як правило, світловоди з полімерів або багатомодові скляні світловоди з досить великим затуханням (~ 50 дБ/км) і малопотужні короткохвильові світлодіоди. Наприклад: з’єднання периферійних пристроїв ЕОМ з центральним процесором, бортова апаратура в авіаційній і військовій техніці, інше.

2) об’єктові лінії

довжиною до 100 м призначені для з’єднання (системного) в межах підприємства, підрозділу (локальні мережі зв’язку). Використовуються багатомодові світловоди ступінчатого профілю з затуханням ~ 30 дБ/км та широкосмуговістю до 20 МГц; світлодіоди середньої потужності (короткохвильові). Модова і хроматична дисперсія світловодів може бути досить великою.

3) міські лінії

довжиною 50-100км призначені для АТС, кабельного телебачення, з’єднання обчислювальних центрів, банків тощо. Використовують переважно багатомодові ступінчасті та градієнтні світловоди із затуханням ~ 2-5 дБ/км для λ=0.85 мкм і 1-2 дБ/км для λ=1.3÷1.5мкм. Джерелами відповідно служать світлодіоди або лазерні багатомодові світлодіоди.

4) магістральні лінії

довжиною сотні і тисячі кілометрів; використовують одномодові світловоди із затуханням < 1 дБ/км і одномодові лазерні світлодіоди великої потужності. Довжина хвилі – 1.3÷1.6мкм. Інформація передається тільки в цифровій формі.

Як відомо, матеріальні тіла характеризують системою фізичних величин (енергія, імпульс, маса, густина, потужність і таке інше).

Подібно до цього введено систему фізичних величин, які характеризують електромагнітне випромінювання. Вони носять назву фотометричних величин.

Розглянемо ці величини й одиниці їх вимірювання.

2.1. Променистий потік (енергетичний світловий потік)

Кількісною мірою однієї з форм існування матерії – електромагнітного випромінювання – служить промениста енергія.

В системі енергетичних величин її вимірюють в Дж.

Променистий потік Ф характеризує потужність випромінювання.

(2.1)

Фізичний зміст потоку: він чисельно дорівнює енергії випромінювання, що переноситься за одиницю часу через уявну поверхню в просторі.

Як відомо, випромінювання є дискретним процесом. Тому постає питання про інтервал dt, відносно якого ми збираємося визначати потік Ф. У фотометрії (розділ оптики, в якому вивчаються методи вимірювання фотометричних величин) приймають, що диференціал часу dt повинен бути значно більшим за період коливань електромагнітної хвилі. Тому у фотометрії розповсюдження випромінювання розглядають як неперервний в часі процес.

Розглянемо наскільки правомірним є таке припущення.

Нехай необхідно нагріти 1 см³ води на 1º потоком фотонів з 1000 штук на секунду. Розрахунок показує, що для випадку видимого діапазону спектра (λ = 380÷760 нм) для цього необхідно ~ 370 000 років. Тобто енергія одного кванта настільки мала, що для описання навіть малих променистих потоків необхідна дуже велика кількість квантів.

2.2. Сила випромінювання (енергетична сила світла)

Силою випромінювання називається фотометрична величина, що визначає просторову густину енергетичного потоку.

, , (2.2)

По своїй суті вона відповідає питомій густині , яку використовують для описання речовини.

Фізичний зміст сили випромінювання: вона чисельно дорівнює потоку випромінювання, який розповсюджується в одиничному тілесному куті.

, , (2.3)

Формула (2.2) справедлива для точкового джерела випромінювання. Джерело можна вважати точковим, коли його розміри у 10 разів менше віддалі до поверхні, для якої визначають дію від джерела.

Усі джерела мають різну силу випромінювання в різних напрямках. Якщо силу світла визначити вектором і з’єднати кінці всіх векторів, то отримаємо об’ємну фігуру, яку називають фотометричним тілом . Для симетричних випромінювачів достатньо задати функцію сили випромінювання тільки в певній площині. Цю криву називають кривою сили світла . Якщо її пронормувати по одному зі значень I (як правило I_max), то отримаємо індикатрису сили світла (рис.2.1).

Рис.2.1. Індикатриса сили світла

, (2.4)

Іноді джерела характеризують деяким середнім значенням I – середньо- арифметичною силою випромінювання.

, (2.5)

2.3. Опроміненість (енергетична, промениста освітленість)

Опроміненістю називають фотометричну величину, що визначає поверхневу густину променистої енергії на поверхні, яка опромінюється (на поверхні приймача випромінювання).

, , (2.6)

Фізичний зміст Е: опроміненість чисельно дорівнює променистому потоку, що падає на поверхню приймача одиничної площі.

Розглянемо яким чином опроміненість пов‘язана з іншими характеристиками джерела випромінювання (рис.2.2)

Рис.2.2

,

,

, (2.7)

Останній вираз є справедливим тільки для точкових джерел і об’єднує два закони:

1) закон квадратів відстаней (Е ~1/R²);

2) закон нахилу (Е ~ cosa).

2.4. Випромінюваність (промениста, енергетична світимість)

Цю величину уведено спеціально для описання джерел із достатньо великим тілом випромінювання, або для таких тіл, які випромінюють за рахунок відбивання світла (поверхня Місяця, стіни кімнати тощо).

Випромінюваність характеризує променеву густину потоку на випромінюючій поверхні (повершні джерела).

, . (2.8)

Фізичний зміст R: променистість чисельно дорівнює потоку з одиничної площі джерела випромінювання.

Цю фотометричну величину використовують тільки у випадку джерел, які випромінюють однаково у всіх напрямках (так звані ламбертівські джерела).

2.5. Променистість (промениста, енергетична яскравість)

Променистість використовують для описання джерел, які випромінюють неоднаково в різних напрямках.

Променистістю називають фотометричну величину, яка визначається силою випромінювання з одиничної площі поверхні джерела, яку видно в даному напрямку α (рис.2.3)

Рис.2.3

. (2.9)

Ця величина поєднує поняття сили випромінювання I і випромінюваності R:

, . (2.10)

Якщо в тілесному куті dω розповсюджується потік dФ, то опроміненість ділянки dS_П, нормальної до вісі пучка буде

. (2.11)

Величину Е_Н називають нормальною опроміненістю.

Якщо прийняти , то

. (2.12)

Фізичний зміст В_a: променистість чисельно дорівнює нормальній опроміненості, що приходиться на одиницю тілесного кута.

Співвідношення (2.12) як би пов‘язує джерело й приймач випромінювання: величина В_a характеризує джерело випромінювання, а величина Е_Н – приймач випромінювання.

2.6. Кількість опромінення (промениста, енергетична експозиція)

Ту чи іншу фотометричну величину вимірюють на практиці опосередковано – через міру реакції приймача випромінювання. Наприклад, реакція ока пропорційна яскравості випромінювання, реакція фотоелектричних приймачів – енергетичному потоку. Реакція деяких приймачів (фотоматеріали) виявляється пропорційною часу дії випромінювання. Для цього введено ще одну фотометричну величину – кількість опромінення.

Кількістю опромінення називається фотометрична величина, яка дорівнює добутку опроміненості Е на час t, протягом якого вона діє

, (2.13)

або

, (2.14)

де Е' – миттєве значення опроміненості.

Фізичний зміст Н можна з’ясувати з наступних міркувань:

, (2.15)

тобто Н чисельно дорівнює кількості променистої енергії, яка потрапляє на одиницю площі за весь час дії випромінювання.

Дата добавления: 2014-01-11