Фотоника. Световые волны презентация

Энергетические единицы и соотношения между ними
В оптике энергия излучения регистрируется за время много большее, чем период колебаний электромагнитных волн
Согласно геометрической модели, свет – это поток лучистой энергии, распространяющийся вдоль лучей
Электромагнитное поле в однородных изотропных средах переносит энергию E в направлении, которое указывается оптическим лучевым вектором q
измеряется в джоулях:

Поток излучения
Поток излучения (лучистый поток) – это величина энергии, переносимой полем в единицу времени через данную площадку:
измеряется в ваттах:

Спектральная плотность потока излучения
Спектральная плотность потока излучения – это функция, показывающая распределение энергии по спектру излучения:

Поверхностная плотность
потока энергии
Поверхностная плотность потока энергии – это величина потока, приходящегося на единицу площади:

Спектральная плотность Солнечного излучения

Телесный угол
Телесный угол данного конуса равен отношению площади поверхности, вырезанной на сфере конусом, к квадрату радиуса сферы:
измеряется в стерадианах
в сфере

Сила излучения
Сила излучения (энергетическая сила света) – это поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого он распространяется:
за единицу энергетической силы света приняты сила излучения такого точечного источника, у которого в пределах 1 стерадиана равномерно распределяется поток излучения в 1 ватт
за направление силы света принимают
ось телесного угла, в пределах которого
распространяется поток излучения

Сила излучения
Поток называется равномерным, если в одинаковые телесные углы, выделенные по какому-либо направлению, излучается одинаковый поток

Энергетическая яркость
Энергетическая яркость – это величина потока, излучаемого единицей площади в единицу телесного угла в данном направлении
Если излучающая площадка перпендикулярна направлению излучения:
за единицу энергетической яркости принимают яркость плоской поверхности в 1 м2, которая в перпендикулярном направлении имеет энергетическую силу света в 1 Вт/ср

Энергетическая яркость
Энергетическая яркость в общем случае:
где – угол между направлением излучения и нормалью к площадке

Инвариант яркости вдоль луча
Яркость постоянна (инвариантна) вдоль луча при отсутствии потерь энергии:
Следствия инварианта яркости:
яркость является основной характеристикой передачи световой энергии оптической системой
оптическая система не может увеличивать яркость проходящего через нее излучения

Поглощение света средой
Энергетический коэффициент пропускания – это отношение энергетического светового потока, пропущенного данным телом, к энергетическому потоку, упавшему на него:

Поглощение света средой
Спектральная плотность пропускания показывает распределение коэффициента пропускания по спектру:

Световые величины
Световые величины описывают визуальное восприятие энергии излучения с учетом спектрального состава света
Ф – световой поток
I – сила света
E – освещенность
M – светимость
L – яркость

Сила света
Сила света:
1 кандела – сила излучения эталона при температуре затвердевания платины ( ) площадью 1/60 см2

Поток излучения и яркость
Поток излучения:
1 люмен – это поток, который излучается источником с силой света 1 кд в телесном угле 1 ср:

Освещенность и светимость
Освещенность:
1 люкс – освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает поток в 1 лм

Функция видности глаза
Функция видности – это относительная спектральная кривая эффективности монохроматического излучения
– величина, обратно пропорциональная монохроматическим мощностям, дающим одинаковое зрительное ощущение (воздействие потока излучения с длиной волны принимается за единицу)

Спектральная чувствительность глаза
Диапазон спектральной чувствительности глаза 380-760 нм
эффект Пуркинье
(1819 год)

Спектральная чувствительность некоторых приемников излучения
ПЗС-матрица

Спектральная чувствительность некоторых приемников излучения
Рентгеновская
пленка

Спектральная чувствительность некоторых приемников излучения
фотодиоды

Связь световых и энергетических величин
Определить любую световую величину по спектральной плотности соответствующей энергетической величины можно по общей формуле:
где – спектральная плотность соответствующей энергетической величины, – функция видности глаза, 680 – экспериментально установленный коэффициент (поток излучения мощностью 1 Вт с длиной волны 555 нм соответствует 680 лм светового потока)

Другие единицы измерения световых величин

Сопоставление энергетических и световых единиц

Световая экспозиция
Световая экспозиция – это величина энергии, приходящейся на единицу площади за некоторое время:

Блеск
Блеск – это освещенность, создаваемая точечным источником в плоскости зрачка наблюдателя:
применяется при визуальном наблюдении точечного источника света

Примеры значений
световых величин
Яркость некоторых источников, кд/м2:
– поверхность солнца
– поверхность луны
– ясное небо
– нить лампы накаливания
– ясное безлунное ночное небо
– наименьшая различимая глазом яркость

Модели источников излучения
Источник излучения – это некоторая поверхность, излучающая энергию

Модели источников излучения
Полная модель источника определяется спектральной плотностью энергетической яркости:
где – линейный вектор,
– угловой вектор
Ламбертовский излучатель – это такой излучатель, у которого яркость постоянна и не зависит от направления
примеры ламбертовских излучателей: белая матовая бумага, поверхность только что выпавшего снега

Плоский ламбертовский излучатель
Плоский ламбертовский излучатель – бесконечно тонкий плоский диск

Закон Ламберта (закон косинусов)
Плоская поверхность, имеющая одинаковую яркость по всем направлениям, излучает свет, сила которого изменяется по закону косинуса:

Сферический ламбертовский излучатель
Сила света от сферического ламбертовского источника постоянна во всех направлениях:

Телесный угол в полярных координатах
Телесный угол:

Поток от излучателей
различной формы
Поток, проходящий через площадку:

Сферический ламбертовский излучатель
Сила света постоянна во всех направлениях:

Сферический ламбертовский излучатель
Телесный угол, получаемый вращением плоского угла 2σ:

Плоский ламбертовский излучатель
Cила света не постоянна:
при малых углах выражения для потока излучения сферического и плоского источников дают одинаковый результат

Яркость рассеивающей поверхности
Ламбертовское рассеяние – рассеяние света плоской поверхностью происходит по всем направлениям, и не зависит от телесного угла, в пределах которого падает световой поток
яркость поверхности постоянна по всем направлениям и не зависит от направления падающего света
пример: белая бумага или молочное стекло

Яркость рассеивающей поверхности
Часть падающего потока поглощается поверхностью, и рассеивается поток:

Яркость рассеивающей поверхности
Поток, упавший на рассеиватель:

Освещенность, создаваемая точечным источником
Точечный источник – это источник, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до него, и который излучает поток, равномерный по всем направлениям
I

Закон обратных квадратов
Освещенность, создаваемая точечным источником обратно пропорциональна расстоянию от источника до поверхности и прямо пропорциональна косинусу угла, между направлением светового потока и нормалью к освещаемой поверхности:
где I – сила света источника в направлении освещаемой точки
для соблюдения закона обратных квадратов отношение размера источника к расстоянию до него должно быть меньше 0.1

Освещенность от протяженного ламбертовского источника
Освещенность от элементарной площадки источника:
r
q
E
x
y
z
L=const
dS
N