Основы светотехники

1. Основы светотехники

Практические занятия
Осенний семестр 2017 г.

2.

Излучение – процесс переноса энергии от
излучающего тела к поглощающему

3.

Излучение – процесс переноса энергии от
излучающего тела к поглощающему
Энергия – количественная мера движения
материи

4.

Излучение – процесс переноса энергии от
излучающего тела к поглощающему
Энергия – количественная мера движения
материи
Материя излучения – материя особой
формы, отличающаяся от вещества тем,
что её масса покоя равна нулю

5. Пространство электромагнитных излучений

6. Пространство электромагнитных излучений

7. Пространство электромагнитных излучений

8. Излучения оптического диапазона

9. Видимое излучение (видимый свет)

Видимое излучение – оптическое излучение,
непосредственно вызывающее зрительное ощущение

10. Квантовые свойства излучения

Квант энергии (энергия фотона) – минимальная порция
энергии монохроматического излучения
Qeф = hn

11. Квантовые свойства излучения

Квант энергии (энергия фотона) – минимальная порция
энергии монохроматического излучения
Qeф = hn
Импульс фотона
pф = hn|
Масса фотона
mф = hn| 2
h = 6,626·10-34 Дж·с

12. Энергетические характеристики излучения

• Энергия излучения – его количественная мера
Qe [Дж]
Дополнительная единица измерения – электрон-вольт [эВ]
1 эВ = 1,60·10-19 Дж
1 Дж = 6,25·1018 эВ

13. Энергетические характеристики излучения

• Поток излучения (лучистый поток) –
мощность переноса энергии излучения (энергия,
переносимая излучением в единицу времени)
Фe [Вт]
T
t2
dQe
1
Фe,ср Фe (t )dt Qe Фe (t )dt
Фе
T 0
t
dt
1

14. Энергетические характеристики излучения

• Поток излучения (лучистый поток) –
мощность переноса энергии излучения (энергия,
переносимая излучением в единицу времени)
Фe [Вт]
T
t2
dQe
1
Фe,ср Фe (t )dt Qe Фe (t )dt
Фе
T 0
t
dt
1
Поток излучения характеризуется распределением:

15. Энергетические характеристики излучения

• Поток излучения (лучистый поток) –
мощность переноса энергии излучения (энергия,
переносимая излучением в единицу времени)
Фe [Вт]
T
t2
dQe
1
Фe,ср Фe (t )dt Qe Фe (t )dt
Фе
T 0
t
dt
1
Поток излучения характеризуется распределением:
• в пространстве

16. Энергетические характеристики излучения

• Поток излучения (лучистый поток) –
мощность переноса энергии излучения (энергия,
переносимая излучением в единицу времени)
Фe [Вт]
T
t2
dQe
1
Фe,ср Фe (t )dt Qe Фe (t )dt
Фе
T 0
t
dt
1
Поток излучения характеризуется распределением:
• в пространстве
• во времени

17. Энергетические характеристики излучения

• Поток излучения (лучистый поток) –
мощность переноса энергии излучения (энергия,
переносимая излучением в единицу времени)
Фe [Вт]
T
t2
dQe
1
Фe,ср Фe (t )dt Qe Фe (t )dt
Фе
T 0
t
dt
1
Поток излучения характеризуется распределением:
• в пространстве
• во времени
• по спектру

18. Энергетические характеристики излучения

• Сила излучения – пространственная плотность
потока излучения
Ie [Вт/ср]
dФe
Ie
d

19.

Телесный угол – часть пространства,
ограниченная конической поверхностью с вершиной в
данной точке
[ср]
Телесный угол определяется отношением
площади сферической поверхности,
заключённой внутри конуса с вершиной в
центре сферы, к квадрату радиуса этой
сферы
Aсф
r2

20.

Для произвольной (несферической) поверхности
cos
dA
2
l
( A)

21.

Расчёт телесного угла
d 2 sin d d
sin d d
( )( )
Полный телесный угол,
охватывающий всё
пространство, равен
4p стерадиан

22.

Зональный телесный угол – часть пространства, заключённая
между двумя круглыми коническими поверхностями с общей осью
2p
d
sin d d 2p sin d
0

23.

Точечный источник излучения –
излучатель, размеры которого намного меньше
расстояния от него до данной точки

24.

Распределение силы излучения в пространстве
Сила излучения реальных
источников зависит от
направления в пространстве,
задаваемого углами ,
I e
dФe
d
Фe I e ( , )d
4p
Фотометрическое тело – часть пространства, содержащая
вершины радиус-векторов силы излучения по различным
направлениям Ie( , )

25.

Кривая силы излучения
В полярных координатах
В декартовых координатах

26.

Круглосимметричный источник – излучатель, обладающий
одинаковыми значениями силы излучения Ie( ) для всех
направлений, равноудалённых от его оси

27. Энергетические характеристики излучения

• Энергетическая светимость –
поверхностная плотность потока излучения
Me [Вт/м2]
dФe
Me
dAи
M e,ср
Фe
Aи

28. Энергетические характеристики излучения

• Энергетическая яркость – сила
излучения с единицы площади проекции
поверхности излучателя на плоскость,
перпендикулярную направлению излучения
Le [Вт/м2·ср]
Le
dI e
cos dA
d 2Фe
cos dAd

29.

Равнояркие излучатели – источники излучения, яркость
которых не зависит от направления наблюдения
Le
I e
A
Сила излучения элементарного участка равнояркой поверхности
dIe Le cos dA Le cos dA
Поток, излучаемый элементарным участком равнояркой поверхности
p / 2
dФe 2pLe dA
sin cos d pL dA
e
0
Для равнояркой поверхности конечных размеров
Фe pLe A
Le
Me
p
Me pLe

30. Энергетические характеристики излучения

• Энергетическая освещённость
(облучённость) – плотность падающего
потока излучения по облучаемой поверхности
Ee
2
[Вт/м ]
dФe
Ee
dAo
E e,ср
Фe
Ao

31.

Закон квадрата расстояния
Ie
E e 2 cos
l
dФe dФe Ie
Ee
2
2 cos
dA
l d l

32. Энергетические характеристики излучения

• Энергетическая экспозиция – энергия
излучения, упавшая на единицу площади
облучаемой поверхности за определённое время
He [Дж/м2]
dQe
He
dAo
Если Ee(t)=const:
t2
H e E e (t )dt
t1
He Ee t

33. Стандартные равнояркие источники

• Односторонний диск/плоскость
I LA LA0 cos I 0 cos
Ф
к
I( )d 2p I ( ) sin d
( )
0
к
sin к
0
0
2pI 0 sin cos d 2pI 0
pI 0 sin 2 к
sin d (sin )

34. Стандартные равнояркие источники

• Односторонний диск/плоскость
I LA LA0 cos I 0 cos
Ф
к
I( )d 2p I ( ) sin d
( )
0
к
sin к
0
0
2pI 0 sin cos d 2pI 0
pI 0 sin 2 к
Ф2p pI 0
sin d (sin )

35. Стандартные равнояркие источники

• Полусфера (внешняя поверхность)
I LA LA180
1 cos
1 cos
I180
2
2
1
Ф pI180 [1 cos к sin2 к ]
2
Ф4p 2pI180

36. Стандартные равнояркие источники

• Полусфера (внешняя поверхность)
I LA LA180
1 cos
1 cos
I180
2
2
1
Ф pI180 [1 cos к sin2 к ]
2
Ф4p 2pI180
• Полушар (обе поверхности) = полусфера
(внешняя поверхность) + диск
Ф4p 3pI0 / 180

37. Стандартные равнояркие источники

• Цилиндр (боковая поверхность)
I LA LA90 sin I90 sin
Ф pI 90 [ к
Ф4p p I90
2
1
sin 2 к ]
2

38. Стандартные равнояркие источники

• Цилиндр (боковая поверхность)
I LA LA90 sin I90 sin
Ф pI 90 [ к
1
sin 2 к ]
2
Ф4p p I90
2
• Цилиндр (вся поверхность) = цилиндр
(боковая поверхность) + 2 диска
Ф4p p 2I90 2pI0

39. Стандартные равнояркие источники

• Шар
I LA LA0 I0 const
Ф
I d I
0
( )
Ф4p 4pI0