Фотометрия
Фотометрия (Шаблон:Lang-grc, родительный падеж Шаблон:Lang-grc2 — свет и Шаблон:Lang-grc2 — измеряю) — общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения.
В основе фотометрии как науки лежит разработанная А. Гершуном теория светового поля<ref name="Гершун">Гершун А. А. Теория светового поля: Избранные труды по фотометрии и светотехнике </ref><ref name="ИТМО"> ИТМО:Годы и люди: Часть первая/ сост. М. И. Потеев. — СПб.,2000. — 284 с. ISBN 5-7577-0054-8;ISBN 5-93793-001-0</ref>.
На практике положения теории светового поля реализуются инженерной дисциплиной — светотехникой<ref name="Мешков">Мешков В. В. Основы светотехники. — Москва ; Ленинград : Госэнергоиздат, 1957. — 2 т.; Ч. 1. — 1957. — 352 с.
Мешков В. В. Основы светотехники. — Ч. 2: Физиологическая оптика и колориметрия. Ч. 2. — 1961. — 416 с.</ref>.
История
Первый из законов фотометрии — закон обратных квадратов — был сформулирован Иоганном Кеплером в 1604 году.
<math>E={I \over r^2}\cos i</math>, где:
- <math>E</math> — освещённость
- <math>r</math> —расстояние от источника до объекта
- <math>I</math> —сила света точечного источника
- <math>i</math> —угол падения лучей относительно нормали к поверхности.
Фотометрия как наука началась в 1760-х с работ Ламберта, сформулировавшего закон диффузного отражения света (закон Ламберта) и Бугера, сформулировавших закон поглощения света (закон Бугера — Ламберта — Бера).
Использование термина «свет» применительно к описанию поля излучения в любой области спектрального диапазона оптического излучения, а не только в видимой его области, в настоящее время является общепризнанным («скорость света», «луч света»).
Указание на применение в каждом конкретном случае энергетических или световых единиц устраняет все поводы к добросовестным недоразумениям. Иными словами Фотометрия — раздел оптики, в котором исследуются энергетические характеристики света при его испускании, распространении и взаимодействии с телами. Оперирует фотометрическими величинами.
В физической оптике интенсивность поля электромагнитного излучения определяется квадратом модуля вектора напряженности электромагнитного поля E, (который является основной рассчитываемой величиной в физической оптике), и характеризуется плотностью поля (нем. Energiedichte) dw:
<math>dw = dE / dV = \epsilon \cdot | E |</math>
где dV — элемент объёма в заданной точке пространства, а dE есть энергия поля, заключенного в данном объёме в рассматриваемый момент времени<ref name="Pedrotti">Optik: eine Einführung/F- und L-Pedrotti; W.Bausch;H.Schmidt — 1 Aufl. München. 1996. ISBN 3-8272-9510-6 </ref>.
При этом ε — диэлектрическая проницаемость среды, в которой распространяется излучение.
В оптическом диапазоне спектра частоты электромагнитных колебаний настолько высоки, что непосредственное измерение модуля этого вектора (в отличие от радиотехники) невозможно. Современными техническими средствами обеспечивается лишь усреднённое значение этой величины в интервале времени, характеризующемся инерционностью приёмника излучения. Эффекты взаимодействия излучения с веществом, в том числе и с приемником излучения, лежащие в основе выработки несущего информацию сигнала, определяются именно поглощенной энергией излучения, а не напряженностью электромагнитного поля.
Переход на использование в теоретической оптике энергетических характеристик поля привёл бы к нелинейности уравнений, что лишило бы оснований использование принципа суперпозиции, как базового принципа, позволяющего объяснить многие оптические явления.
Кроме того, уравнения Максвелла, позволяющие вычислить значения Е не учитывают в явном виде ни геометрии поля излучения, ни его фотометрических характеристик, и потому современная теория оптических приборов не использует математического аппарата теории Максвелла во всей полноте<ref name="Чуриловский"> Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. — М.;Л.,1966. 564 с.</ref>.
Будучи ориентированной на практику, теория оптических приборов продолжает базироваться на использовании геометрической оптики и закона сохранения энергии.
Существует официально признанная совокупность терминов, описывающих энергетические характеристики поля излучения<ref name="ГОСТ">http://www.yondi.ru/inner_c_article_id_635.phtm Шаблон:Wayback ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин</ref>.
В связи с этим теоретик светового поля Гершун говорил:
Тот, кто при попытке описания светового поля пользуется термином «интенсивность», либо намеренно отказывается от возможности его количественного описания, либо не понимает того, о чём говорит<ref name=autogenerated1> Гершун А. А. Лекции по физической оптике, читавшиеся на Инженерно-физическом факультете ЛИТМО до конца 1951 года</ref><ref name="Гершун А.А.1">Избранные труды по фотометрии и светотехнике</ref>
Теория светового поля
Исходной энергетической характеристикой поля излучения является «спектральная плотность энергетической яркости».
<math>B(\lambda)= d(E) / [d(\lambda) \cdot d(t) \cdot dS \cdot d(\omega)]</math>,
обозначающая долю энергии излучения, лежащую в единичном интервале длин волн, проходящей за единицу времени через перпендикулярную распространению излучения площадку единичной площади и распространяющуюся в пределах единичного телесного угла. Если добавить к этому ещё и ориентацию плоскости поляризации, то совокупность значений спектральной плотности яркости исчерпывающим образом описывает поле излучения.
Спектральная плотность яркости есть скаляр, величина которого зависит от ориентации в пространстве нормали к площадке dS. Откладывая в желаемом масштабе значения B(λ) по разным направлениям нормали при различной ориентации площадки, получаем тело спектральной плотности яркости, как исходную характеристику поля неполяризованного излучения для данной точки поля излучения.
Фотометрические измерения
Шаблон:Main Фото́метр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других — одной или нескольких световых величин.
При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью. Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, альбедо — альбедометрами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами. В фотографии и кинематографе световые величины измеряются фотоэкспонометром.