Фотометрия: раздел оптики¶

Фотометрия — раздел физической оптики, занимающийся измерением энергетических и световых характеристик оптического излучения, а также исследованием процессов его распространения, поглощения и отражения. В узком смысле фотометрия — это наука об измерении видимого света в единицах, учитывающих чувствительность человеческого глаза, что отличает её от радиометрии, где измерения проводятся в чисто физических (энергетических) величинах.

¶Предмет и задачи

Фотометрия решает две основные группы задач. Первая — измерение характеристик источников света: силы света, светового потока, яркости и светимости. Вторая — определение параметров светового поля в пространстве и взаимодействия света с веществами: освещённости поверхностей, коэффициентов пропускания, отражения и поглощения сред. Методы фотометрии применяются в астрофизике для оценки светимости звёзд, в светотехнике для расчёта осветительных установок, в оптической промышленности при контроле качества приборов и в биологии при изучении фотосинтеза.

¶Физические и фотометрические величины

Фундаментальное отличие фотометрии от радиометрии заключается в использовании спектральной чувствительности среднего человеческого глаза. Для перехода от энергетических величин к световым используется функция относительной спектральной световой эффективности V(λ), стандартизированная Международной комиссией по освещению (МКО). Максимум этой функции приходится на длину волны 555 нм (зелёная область спектра).

Основные фотометрические величины:

• Световой поток (F) — мощность видимого излучения, оцениваемая по его действию на глаз. Единица измерения — люмен (лм).
• Сила света (I) — пространственная плотность светового потока, определяемая как отношение потока к телесному углу, в котором он распространяется. Единица — кандела (кд), являющаяся одной из семи основных единиц СИ.
• Освещённость (E) — отношение светового потока, падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента. Единица — люкс (лк), равный одному люмену на квадратный метр.
• Яркость (L) — единственная фотометрическая величина, непосредственно воспринимаемая глазом. Определяется как отношение силы света, излучаемой в данном направлении, к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Единица — кандела на квадратный метр (кд/м²).
• Светимость (R) — отношение светового потока, испускаемого элементом поверхности, к площади этого элемента. Единица — люмен на квадратный метр (лм/м²).

¶Методы и приборы

Исторически фотометрия делилась на визуальную (субъективную) и физическую (объективную). Визуальные методы, основанные на сравнении яркости двух полей зрения, использовались в фотометрах XIX века. Современная фотометрия базируется на физических приёмниках излучения: фотоэлементах, фотоумножителях, фотодиодах и ПЗС-матрицах.

Основным прибором для измерения световых величин является фотометр. Для измерения освещённости применяются люксметры, для оценки яркости — яркомеры. Спектрофотометры позволяют измерять распределение энергии излучения по длинам волн, что необходимо для точного расчёта световых величин с учётом функции V(λ). В астрономической фотометрии используются специальные фотометрические системы, наиболее известной из которых является система UBV, введённая в 1950-х годах американскими астрономами Харолдом Джонсоном и Уильямом Морганом.

¶Законы фотометрии

Распространение света в однородной среде подчиняется нескольким фундаментальным законам:

• Закон обратных квадратов: освещённость поверхности, создаваемая точечным источником, обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. Применим для источников, размеры которых значительно меньше расстояния до точки измерения.
• Закон косинусов (закон Ламберта): освещённость площадки пропорциональна косинусу угла падения лучей. Для идеально рассеивающей поверхности яркость не зависит от направления наблюдения.
• Закон аддитивности: освещённость от нескольких источников равна сумме освещённостей, создаваемых каждым источником в отдельности.

Для протяжённых источников и неточечных излучателей применяются интегральные методы расчёта, включая использование фотометрических тел — графических представлений распределения силы света в пространстве.

¶Применение

Фотометрические методы широко используются в различных областях науки и техники. В светотехнике они лежат в основе проектирования осветительных приборов и расчёта систем освещения помещений. В астрофизике фотометрия позволяет определять температуры, размеры и расстояния до звёзд, а также обнаруживать экзопланеты по изменению блеска родительской звезды. В промышленности фотометрический контроль применяется для оценки качества оптических материалов и покрытий. В медицине фотометрия используется при диагностике заболеваний глаз и в физиотерапевтических процедурах, где важно точно дозировать световое облучение.

¶История развития

Основы фотометрии были заложены в XVIII веке. В 1760 году немецкий математик Иоганн Ламберт сформулировал закон, связывающий освещённость с углом падения света. В 1729 году французский физик Пьер Бугер создал первый фотометр и установил закон поглощения света в веществе. В XIX веке английский астроном Джон Гершель предложил использовать фотометрические методы для сравнения блеска звёзд. Важным этапом стало принятие в 1948 году на IX Генеральной конференции по мерам и весам канделы в качестве основной единицы СИ, что унифицировало фотометрические измерения во всём мире. Современное развитие фотометрии связано с внедрением цифровых приёмников излучения и автоматизацией измерительных процессов.