Основы измерения оптического излучения

Что такое оптическое излучение?

 
Оптическое излучение охватывает диапазон длин волн от 100 нм до 1 мм спектра электромагнитного излучения.
Следует учитывать, что в отношении пределов спектрального диапазона, нет четкого разделения, которое обязательно только для определенных разделов прикладной оптики.
Измерение оптического излучения, например, может производиться в радиометрии, фотометрии, фотобиологии или физиологии растений, с соответствующими данным разделам измерительными величинами.

Определения фотометрических и радиометрических измерительных величин

Фотометрия
Ограничена диапазоном оптического спектра (свет), видимого человеческим глазом. Измеряемые фотометрические величины: световой поток, яркость и сила света. Основной функцией фотометрии является оценка восприятия яркости посредством функции спектральной световой чувствительности глаза — для фотопического (дневного) зрения или, в редких случаях, для скотопического (ночного) зрения (DIN 5031). Детекторы излучения для измерения фотометрических величин, должны обеспечивать одну из характеристик спектральной чувствительности.

Световой поток
Мощность светового потока источника света (лампы, светодиода и т.п.). Так как лампы обычно не испускают полностью параллельные световые лучи, измерение светового потока осуществляется с помощью измерительных геометрий (метод ≪интегрирующей сферы≫ или ≪сферы Ульбрихта≫), что позволяет точно определять световой поток, независимо от его геометрического распределения. В большинстве случаев, для измерения полного светового потока используются сферические фотометры Ульбрихта или гониометры.

Сила света
Часть светового потока, излучаемая в одном определенном направлении. Сила света является важной величиной для определения эффективности и качества светового оборудования. Измерение осуществляется детектором с ограниченной областью сектора обзора, который устанавливается на расстоянии, позволяющем рассматривать световой источник, как точечный источник света.

Яркость
Ощущение яркости, передаваемое освещенной или светящейся поверхностью глазу. Во многих случаях яркость обеспечивает значительно лучшую информацию относительно качества света, чем освещенность. Для измерения яркости используются измерительные головки (яркомеры) с определенным углом поля зрения.

Освещённость
Световой поток от одного или нескольких световых источников, падающий на определенную поверхность горизонтально или вертикально. В случае непараллельного падения светового потока к поверхности (что является типичным случаем в практической фотометрии), необходимо использование косинусного рассеивателя в качестве измерительной геометрии.

Радиометрия
Метрологическая оценка оптического излучения с использованием радиометрических величин: потока излучения, силы излучения, энергетической яркости и энергетической освещенности. Основной функцией радиометрии является исследование интенсивности облучения, независимо от длины волны. Это главное отличие между радиометрией и измерительными величинами, используемыми в фотометрии, фотобиологии, физиологии растений и т.д.

Сила излучения
Общая мощность, переносимая излучением.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, испускаемая источником света в определённом направлении, внутри малого телесного угла, к этому телесному углу. Интенсивность излучения используется для измерения геометрического распределения мощности излучения.

Энергетическая яркость
Отношение силы излучения, испускаемого с бесконечно малой площадки источника и распространяющегося в бесконечно малом телесном угле, к площади проекции этой площадки на плоскость, перпендикулярную направлению распространения и величине телесного угла. Энергетическая яркость используется для анализа и оценки свойств апертурных излучателей. Стерадианные или телескопические адаптеры могут использоваться как геометрии измерения.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, падающего на поверхность, к площади этого участка. Для измерения интенсивности излучения очень важно пространственное исследование падающего излучения (определение угла, который образует нормаль к поверхности с направлением на источник).

Сравнение фотометрических и радиометрических величин

Каждая фотометрическая величина соответствует радиометрической величине и содержит одни и те же взаимосвязи между ними. Величины можно разделить по их индексам: V (видимый) и E (энергетический) спектры.

Функция спектральной чувствительности человеческого глаза

Относительная спектральная чувствительность человеческого глаза определяется общим уровнем освещенности в момент наблюдения. Человеческий глаз реагирует на лучистую энергию, длина волны которой лежит в пределах приблизительно от 380 до 760 мкм. Эта реакция не остается постоянной. При высоких уровнях освещенности максимум чувствительности, так же как и вся кривая относительной спектральной чувствительности глаза, сдвигается в желто-зеленую область. При низких уровнях освещенности положение кривой изменяется и тогда ее максимум приходится на сине-зеленую область спектра. Глаз, адаптированный к свету, имеет функцию дневного (фотопического) зрения, а для глаз, адаптированный к темноте — ночного (скотопического) зрения. Подробная характеристика кривой спектральной чувствительности приводится в табличном формате, в стандарте DIN 5031.
Изменения спектральной чувствительности глаза происходят благодаря наличию в ретине двух типов светочувствительных элементов: палочек и колбочек. Колбочки работают главным образом при высоких уровнях освещенности, палочки — при низких уровнях освещенности. Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного/фотопического зрения (колбочки, > 10 кд/м2) описывается с помощью функции V(λ), которая является функцией, используемой в большинстве случаев. Световая эффективность для случая ночного/скотопического зрения (палочки, < 0.001 кд/м2) описывается с помощью функции V’(λ) и редко находит практическое использование.

Определение основных фотометрических коэффициентов

Методики метрологической оценки свойств отражения, передачи и поглощения электромагнитного излучения различными материалами, равно как и свойств рассеянного светового излучения объектов, основываются на рекомендациях, принятых на международном уровне. Эти рекомендации, в основном, включены в CIE 130-1998 «Практические методы для измерения коэффициента отражения и коэффициента пропускания», DIN 5036 Часть 3 «Радиометрические и фотометрические характеристики материалов», DIN 67507 «Методы определения общего коэффициента пропускания света при остеклении», DIN 58186 «Определение рассеянного светового излучения оптических систем формирования изображений».

Зачем измерять оптическое излучение?

Большая часть человеческого чувственного восприятия представляет собой оптическую природу. Свет является единственной видимой частью электромагнитного спектра. Человеческий глаз различает различные длины световых волн, как цвета. Характеристика спектральной чувствительности глаза, относительно различных цветов, зависит от длины волны. Более того, на оптическое восприятие человека также влияет ультрафиолетовое излучение в диапазоне коротких волн и инфракрасное излучение в диапазоне длинных волн электромагнитного спектра.

Освещение:
Люди привыкли к дневному освещению. В пасмурный зимний день оно составляет, приблизительно, 5000 лк, а в солнечный летний день достигает 100000 лк. При искусственном освещении мы можем достичь только 100…1000 лк. Однако, достаточный свет является существенным фактором для здоровья людей. Симптомы усталости, вызываемые недостаточным светом, обычно, влияют не на глаза, а на все тело.

Стандарт DIN 5035/2 содержит нормы освещенности для защиты здоровья на рабочих местах.

Эти параметры определены в нормативе ASR 7/3 и должны строго соблюдаться:

Суммарное (полное) излучение:
Суммарное излучение является измерительной величиной, которая особенно важна в практических исследованиях. Оно характеризует полное рассеяное и направленное солнечное излучение, которое попадает на поверхность земли. Спектральный диапазон охватывает длины волн от коротковолнового диапазона 300 нм (УФ-В) до диапазона длинных волн 5000 нм (ИК).

Ультрафиолетовое излучение A спектра (УФ-А излучение):
УФ-А излучение длинных волн (более 313 нм) достигает поверхности земли, почти не задерживаясь атмосферой, покрывает загаром кожу человека и укрепляет иммунную систему. В соляриях биологический эффект УФ-А спектра используется в сочетании с другими спектральными диапазонами, чтобы вызвать непосредственную пигментацию кожного покрова (приобретение эффекта бронзового загара). В больших дозах вызывает повреждение соединительных тканей и преждевременное старение кожи.

Ультрафиолетовое излучение В спектра (УФ-В излучение):
УФ-В излучение коротковолнового диапазона (менее 313 нм) может нанести необратимый вред здоровью человека. Все характеристики спектрального диапазона коротковолнового УФ излучения, оказывающие неблагоприятный эффект на кожу человека, описаны в рекомендации CIE. Эта рекомендация содержится в DIN 5050 и рассматривается как нормативный документ. Популярной характеристикой солнечной активности является индекс ультрафиолета (UVI) передаваемый в эфир Германской Метеорологической Службой, для загорающих на пляже. Результаты измерений УФ-В обеспечивают, прямо или в сравнении с другими спектральными диапазонами, важную информацию с медицинской или биологической точки зрения.