F-Pn-P069-Fotometrie
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
1. Motivace
Chceme změřit:
Problém:
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
2. Radiometrické a fotometrické veličiny
Používají se dvě sady jednotek:
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
3. Spektrální citlivost lidského oka
Lidské oko nevnímá elektromagnetické záření různých vlnových délek se stejnou účinností.
�Jednak je jeho citlivost omezena na velmi úzký interval vlnových délek 400–700 nm, a ani tyto vlnové délky nejsou okem vnímány všechny stejně.
Závislost citlivosti lidského oka na vlnové délce světla vystihuje tzv. poměrná světelná účinnost monochromatického záření V(λ).
V(λ)
λ/nm
1
400
555
700
Tyčinky
Čípky
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
3. Spektrální citlivost lidského oka
Čípky se podílejí na vzniku zrakového vjemu při vyšších ozářeních sítnice lidského oka (tzv. denní vidění ),
tyčinky jsou citlivější a přebírají jejich úlohu při nízkých hodnotách ozáření
(noční vidění).
V(λ)
λ/nm
1
400
555
700
Tyčinky
Čípky
POZN:
Vlnová délka pro maximum čípkové citlivosti je takřka totožná s vlnovou délkou dominantní monochromatické složky ve slunečním záření. Což lze považovat za důsledek evoluce lidského oka.
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
3. Spektrální citlivost lidského oka
V(λ)
λ/nm
1
400
555
700
Tyčinky
Čípky
POZN:
Za šera, kdy tyčinky přebírají světločivou funkci od čípků, je k dispozici (pomineme-li umělá svítidla) především sluneční světlo rozptýlené v zemské atmosféře. Je však dobře známo, že se právě světlo kratších vlnových délek rozptyluje nejvíce�(viz např. modrá barva oblohy za dne). Proto můžeme na modrý posuv spektrální citlivosti tyčinek nahlížet též jako na zákonitou evoluční adaptaci.
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4. „Konečně“ fotometrické veličiny
Pro bodový zdroj zavádíme následující fotometrické veličiny:
Na straně zdroje
Na straně ozařovaného tělesa
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.1 SVĚTELNÝ TOK
Kolik energie se vyzáří celkem (do všech směrů kam svítíme)?
Je-li ΔES světelná energie, která projde danou plochou v okolí zdroje za dobu Δτ, světelný tok Φ definujeme vztahem:
[Φ] = lm
Jednotkou není Watt, jak by se předpokládalo, ale tzv. lumen
POZN:
V lumenech se vyjadřuje např. výkon projektorů (typická velikost 2200 lumenů)
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.2 SVÍTIVOST ZDROJE
Kolik z vyzářeného připadá na prostorový úhel?
(vyzáření určitého množství energie do úzkého paprsku má jiné důsledky než když stejnou energii vyzáříme do celého prostoru)
Vyzařuje-li bodový všesměrový zdroj světelný tok ΔΦ do prostorového úhlu o velikosti ΔΩ, pak veličina
se nazývá svítivost zdroje.
[I] = cd
Jednotkou svítivost je tzv. kandela
ΔΩ
ΔΦ
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.2 SVÍTIVOST ZDROJE
Svítivost je v soustavě SI základní fyzikální veličinou.
Její jednotkou je kandela (cd), která je v soustavě SI jednotkou základní.
Kandela je definována jako:
svítivost zdroje monochromatického záření o kmitočtu 540.1012 Hz (vlnové délce 555,2 nm) a zářivosti 1/683 W na steradián.
A od 20. 5. 2019 bude definována:
fixováním číselné hodnoty světelné účinnosti monochromatického záření o frekvenci 540 THz rovné 683, je-li vyjádřena v jednotkách lm·W–1, což se rovná cd·sr·W–1 nebo cd·sr·kg–1·m–2·s3 (kde kilogram, metr a sekunda jsou definovány ve smyslu h, c, a ΔνCs).
POZN:
Svítivost jedné kandely si můžeme představit jako svítivost jedné svíčky.�(odtud i název jednotky)
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.3 OSVĚTLENÍ
Kolik z vyzářeného připadá na plochu?
(paprsek světla se se vzdalováním od zdroje rozšiřuje a plocha ve větší vzdálenosti je méně osvětlená než plocha přímo u zdroje)
Dopadá-li světelný tok na těleso, je jeho povrch osvětlen. Tuto vlastnost tělesa charakterizuje veličina osvětlení E0 definována vztahem
kde ΔΦ je světelný tok světla dopadajícího rovnoměrně na plochu osvětleného tělesa obsahu ΔS této plochy.
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.3 OSVĚTLENÍ
[E0] = lx
Jednotkou osvětlení je lux.
Plocha má osvětlení jednoho luxu, dopadá-li na ni rovnoměrně světelný tok 1 lm na 1 m2 plochy.
Osvětlení za některých situací:
● hranice tmy: 2 nlx (začátek reakce tyčinek)
● osvětlení chodeb: 20-30 lx
● doporučená hodnota pro čtení: 100-200 lx
● doporučená hodnota pro jemné mechanické operace: 500-1000 lx
● přímé sluneční osvětlení v poledne v zimě: 0,01 Mlx
● přímé sluneční osvětlení v poledne v létě: 0,1 Mlx
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.3 OSVĚTLENÍ
Osvětlení E0 dané plochy závisí na svítivosti zdroje I, na její vzdálenosti r od světelného zdroje a na úhlu α dopadu světla na tuto plochu:
α
I
r
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.4 ILUSTRACE PRO POUŽITÍ
Příklad:
100 W žárovka vytváří světelný tok 1300 lm. Urči její svítivost. Jaké osvětlení vyváří na stole vzdáleném 1,7 m?
Řešení:
ΔΦ = 1300 lm
r = 1,7 m
I = ?
E0 = ?
Žárovka svítí do celého prostoru –> ΔΩ = 4π
FOTOMETRICKÉ VELIČINY
4.4 ILUSTRACE PRO POUŽITÍ
Příklad:
100 W žárovka vytváří světelný tok 1300 lm. Urči její svítivost. Jaké osvětlení vyváří na stole vzdáleném 1,7 m?
Řešení:
ΔΦ = 1300 lm
r = 1,7 m
I = ?
E0 = ?
b) Určení osvětlení
Žárovka svítí do celého prostoru –> ΔS = 4π.r 2 (povrch koule o poloměru r )
Zdroje a použitá literatura:
[1] Photometry (optics). In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-11-11]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Photometry_(optics)
[2] REICHL, Jaroslav. Fotometrické veličiny. In: Encyklopedie fyziky [online]. 2012 [cit. 2012-11-11]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/535-fotometricke-veliciny
[3] KRYNICKÝ, Martin. Radiometrické a fotometrické veličiny. In: Fyzika SŠ.realisticky.cz: když (se) chcete naučit... [online]. 2010 [cit. 2012-11-12]. Dostupné z: http://www.realisticky.cz/ucebnice/02%20Fyzika%20SŠ/05%20Optika/04%20Elektromagnetické%20záření/06%20Radiometrické%20a%20fotometrické%20veličiny.pdf