1 Основні поняття світлотехніки (1)

1. Основні поняття світлотехніки

Лекція №1
Основні поняття
світлотехніки

2. Світлотехніка

Предметом вивчення світлотехніки
є:
оптичне випромінювання і його
характеристики;
джерела оптичного
випромінювання;
розподіл остичного
випромінювання в просторі;
Перетворення оптичного
випромінювання за допомогою
світлових пристроїв.

3. Світло

Світло – це потік елементарних частинок,
або корпускул. Що називаються
фотонами, які розповсюджуються в
просторі і підпорядковуються хвильовим
законам електромагнітних коливань.
Світло – вид електромагнітного
випромінювання, який викликає зорове
відчуття.
Світлом називають видимий діапазон
оптичного випромінювання.

4.

Природа оптичного
випромінювання
Електромагнітне випромінювання – одна з
форм переносу енергії в просторі
електромагнітного поля.
Для пояснення фізичних процесів, що
відбуваються при вимірюванні, у фізиці
використовується корпускулярнохвильова теорія випромінювання.
Згідно з корпускулярною теорією
електромагнітне випромінювання являє
собою потік особливих частинок –
фотонів, кожна з яких має певну енергію,
масу і кількість руху (імпульс).

5. Електромагнітна природа випромінювання

Згідно теорії електромагнітного поля,
розробленого англійським фізиком
Максвеллом(1831-1879), випромінювання
поширюються у просторі у вигляді
електромагнітної хвилі, що представляє собою
періодичні коливання напруженостей
електричного і магнітного полів.
Е – напруженість електричного поля;
Н – напруженість магнітного поля.

6. Хвильові властивості випромінювання

З точки зору хвильової теорії світла,
засновником якої є вчений Х.Гюйгенс,
випромінювання представляє собою
хвильовий рух.
Світло розглядалося ним як пружні хвилі, що
розповсюджуються в особливо пружному
середовищі, що заповнює всі матеріальні
тіла, проміжки між ними і міжпланетний
простір.
Хвильова теорія допомагає пояснювати закони
розповсюдження випромінювання (відбивання,
заломлення, інтерференцію, дифракцію та ін.)

7. Хвильові властивості випромінювання

Електромагнітна хвиля являє собою
збурення електричного поля, що
поширюється у просторі і відповідає
електомагнітним коливанням різних
частот.
Електромагнітне поле володіє енергією,
відповідно хвиля переносить певну
енергію у напрямку свого поширення.
У вакуумі електромагнітна хвиля
поширюється зі швидкістю світла
с=300000 км/с

8. Квантові властивості випромінювання

Квантова теорія світла виникла на початку ХХ
ст. її засновниками були німецькі вчені М.Планк
і А.Енштейн.
Згідно їх теорії світлове випромінювання
випромінюється і поглинається частинками
речовини не неперервно, а певними порціями.
Мінімальна порція енергії монохроматичного
випромінювання називається КВАНТОМ енергії
(W).
Це поняття було введено німецьким фізиком
Максом Планком у 1900 р.
W=h·γ
W – енергія кванта, Дж(Джоулі),
γ – частота випромінювання

9. Фотонна теорія випромінювання

У 1905 році А. Енштейн, опираючись на
теоретичні дані М.Планка, сформулював
фотонну теорію випромінювання. Згідно
цієї теорії випромінювання поширюється
як потік частинок, названих А.
Енштейном фотонами.
Корпускулярна теорія добре пояснює закони
взаємодії між випромінюванням і речовиною
(випромінювання і поглинання
випромінювання атомами, поглинання і
розсіювання випромінювання електронами та
ін.).

10. Фотонна теорія випромінювання

Фотон – елементарна частинка матерії, що
існує у вигляді електромагнітного поля,
а саме у вигляді випромінювання.
W=h·γ
енергія фотона рівна одному кванту
Швидкістю світла фотонів є швиждкість
світла.
Фотон завжди рухається зі швидкістю
світла, маса спокою фотона дорівнює
нулю.

11. Спектр електромагнітного випромінювання

12. Оптичний діапазон спектра електромагнітних коливань

Ультрафіолетове випромінювання має
умовні межі в довжинах хвиль від 1 до
380 нм
ІЧ – від 780 нм до 1 мм (106 нм)
видимий діапазон випромінювання
лежить в інтервалі 380 … 780 нм.
За межами оптичного випромінювання
знаходяться рентгенівське і γвипроміню-вання (у бік менших довжин
хвиль) і радіохвильове випромінювання
(у бік більших довжин хвиль)

13. Видимий діапазон випромінювання

Під видимим випромінюванням
розуміємо ту частину оптичного
діапазону випромінювання, що,
потрапляючи на сітківку ока,
викликає зорове відчуття.

14. Світлові величини

Вплив світла на око або якийсь
інший приймальний апарат
складається з передачі цьому
апарату енергії, яку переносять
пучком.
Слід розрізняти загальні
енергетичні величини, що
характеризують електромагнітне
випромінювання, і спеціальні
фотометричні або світлові
величини.

15. Світловий потік

Світловий потік - променевий
потік, що оцінюється за його дією
на око, відносна спектральна
чутливість якого визначається
усередненою кривою
спектральної ефективності,
затвердженої Міжнародною
комісією по освітленню ( МКО).
Світловий потік можна
Спектральна чутливість
вважати основною мірою
ока:
світла.
1 для денних умов зору;
Світловий потік (Ф) - це
2 для нічних умов зору
потужність світлового
випромінювання, що оцінюється
Позначається
світловий потік літерою Ф або
по світловому відчуттю.
Фv. Одиницею світлового потоку є люмен (лм).

16. Потужність випромінювання та світловий потік

У більшості випадків потрібно знати не енергію випромінювання, а
потужність випромінювання, що визначається кількістю енергії, що
випромінюється за одиницю часу. Це поняття носить назву потік
випромінювання , або променевий потік, що позначається Фе:
(1.1)
dQe ,
Ф
е
де dt – елемент часу.
dt
Одиницею потоку випромінювання є ват (Вт).
Для опису розподілу потоку випромінювання за спектром
користуються поняттям спектральної щільності потоку
випромінювання
dФе (λ, dλ)
Фe
,
dλ
(1.2)
де dФе( λ, dλ) – потік випромінювання вузької ділянки спектра
шириною dλ.
Приведення потоку випромінювання до світлового здійснюється за
допомогою функції відносної спектральної світлової ефективності
V(λ).
Ф(λ) – однорідний світловий потік з довжиною хвилі λ можна
представити так:
Ф(λ) = 683 ∙ Фе (λ) ∙ V(λ).
(1.3)

17. Люмен

Люмен - це 1/683 вата світлового
монохроматичного, тобто строго
одноколірного, випромінювання з
довжиною хвилі λ=555 нм, що
відповідає максимуму кривої
спектральної чутливості ока.
1/683 - історично сформована
величина відповідна
випромінюванню однієї свічки
(узаконена повсюдно)

18. Тілесний кут

Тілесний кут (ω) -це відношення площі
(S), що вирізується цим кутом на сфері
довільного радіуса (R), до квадрату
цього радіусу.
ω = S / R²
Тілесний кут вимірюється в стерадіанах
(ср).

19. Сила світла

СИЛА СВІТЛА (I) - це просторова густина світлового
потоку.
Сила світла вимірюється в канделах (кд).
Слово Кандела переводиться як свічка. Одна кандела –
сила світла однієї свічки.

20. Сила світла

Сила Світла (I) - визначається
відношенням світлового потоку,
до тілесного кута, в межах
якого він поширюється
I = Ф / ω
Зв’язок люмена з канделою
такий: 1 люмен дорівнює
світловому потоку, що
випромінюється точковим
джерелом світла з силою в 1
кд в середину тілесного
Сила випромікута, рівного 1ср, тобто 1 лм нювання точкового джерела світла у напрямку α
= 1кд ∙1ср.

21. Освітленість

ОСВІТЛЕНІСТЬ (Е) - це
величина світлового потоку,
що припадає на одиницю
площі поверхні, що
освітлюється.
Якщо світловий потік (Ф)
падає на якусь площу (S), то
середня освітленість (Е)
Один люкс (лк) -це
дорівнює:
освітленість, при якій
Е=Ф/S
світловий потік 1 лм
падає на площу в 1
Освітленість вимірюється в
метр квадратний.
люксах (лк).
1 лк = 1 лм / 1 м²

22. Закон квадрату відстаней

dФ
Idω
I
Значення нормального освітлення
En
2
2
dA r dω r
де r – відстань від точкового джерела світла до
перпендикулярно розміщеної опромінювальної
поверхні.
Якщо промені від джерела світла падають на
dA
поверхню під кутом α до нормалі,
то світловий
потік розподіляється по площі
cos α .
E
I
cos α
2
r
- закон квадратів відстаней.
Промені джерела світла S:
а падіння по нормалі до поверхні; б падіння під кутом до нормалі

23. Яскравість

Енергетична яскравість ділянки поверхні – це
відношення сили випромінювання цієї ділянки у
даному напрямку до площі його проекції на площину,
перпендикулярну даному напрямку
dI α
L
dA cos α
де dIα – сила світла, що випромінюється ділянкою
поверхні dА.
Одиниця виміру яскравості – кандела на
квадратний метр (кд/м2).

24. Взаємодія випромінювання з речовиною

Поширення потоку випромінювання у будь-якому
середвищі супроводжується такими явищами,
як поглинання випромінювання речовиною і
його часткове розсіяння у різних напрямках.
Оптичні властивості тіла характеризуються
спектральними коефіцієнтами: відбивання ρ(λ),
поглинання α(λ) та пропускання τ(λ), кожний з
яких визначається відношенням:
ρ( λ )
Феρλ
Феλ
;
Феαλ
α( λ )
;
Феλ
Феτ λ
τ( λ )
Феλ
ρ(λ) + α(λ) + τ(λ) = 1

25. Відбивання випромінювання на межі двох середовищ

Дзеркальна та блискуча
поверхня (направленорозсіяне)
Дифузне відбивання
Повне внутрішнє відбивання

26. ВИМІРЮВАЛЬНА АПАРАТУРА У ФОТОМЕТРІЇ

Фотометрична куля (інші
назви –
світловимірювальна куля,
кулевий фотометр)
дозволяє виміряти
загальний світловий потік,
який випромінюється
джерелом світла або ж
світловим приладом
невеликого розміру.
Вимірювання світлового
потоку світлового приладу і
окремо джерела світла
цього ж приладу дає
можливість знайти ККД
світлового приладу.
Первинна освітленість Е1, яка
створюється
E1 Фв / Sпотоком
випромінюваним
Фв, буде дорівнювати
де S – площа поверхні кулі.

27. Люксметр

Люксметр – переносний пристрій для
вимірювання оствіленості, один із видів
фотометрів.
Найпростіший люксметр складається
з селенового фотоелемента, який перетворює
світлову енергію в енергію електричного
струму, і вимірює цей фотострум стрілочного
мікроамперметра зі шкалами,
проградуйованими в люксах. Різні шкали
відповідають різним діапазонам вимірюваної
освітленості, перехід від одного діапазону до
іншого здійснюють за допомогою перемикача,
що змінює опір електричного кола.

28. Види люксметрів

Люксметр Ю116
Люксметр цифровий

29. Дякую за увагу!