Ответ на вопрос
Фотометрия
Фотометри́я (др.-греч. φῶς, родительный падеж φωτός — свет и μετρέω — 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 [1][2].
На практике положения теории светового поля реализуются инженерной дисциплиной — светотехникой.[3]
История
Первый из законов фотометрии — закон обратных квадратов — был сформулирован Иоганном Кеплером в 1604 году.
,
где:
- E — освещённость
- —расстояние от источника до объекта
- —сила света точечного источника
- —угол падения лучей относительно нормали к поверхности.
Фотометрия как наука началась в 1760-х с работ Ламберта, открывшего 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:
dw = dE / dV = ε x | E |(2)
где dV — элемент объема в заданной точке пространства, а dE есть энергия поля, заключенного в данном объеме в рассматриваемый момент времени[4]
При этом ε — диэлектрическая постоянная 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.[5]
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 [6].
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 чем говорит»[7][8]
Теория светового поля
Исходной энергетической характеристикой поля излучения является «спектральная плотность энергетической яркости»:
B(λ)= d(E) / [d(λ) x d(t) x dS x d(ω)],
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 еще 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
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 интегрирующего фотометра. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами. В фотографии и кинематографе световые величины измеряются фотоэкспонометром. Визуальную фотометрию иногда называют гетерохромной фотометрией.