3.12. Полупроводниковые фотоприборы
Электронные приборы, предназначенные для преобразования светового излучения в электрический ток, называют фотоэлектрическими. Их классифицируют по виду рабочей среды и по функциональному назначению. По виду рабочей среды фотоэлектрические приборы подразделяют на электровакуумные (электронные и ионные фотоэлементы, фотоумножители ) и полупроводниковые
с однородными структурами — фоторезисторы; с p-n переходами (фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры).
По функциональному назначению фотоэлектрические приборы подразделяют на три группы:
— фотоприёмники — преобразователи светового сигнала в электрический, применяемые в аппаратуре связи, устройствах считывания информации, в вычислительной технике и ряде других областей;
— фотодатчики— преобразователиизмеряемыхвеличинвэлектрическийсигнал: датчикиосвещенности, координат, деформации, используемые в автоматических устройствах железнодорожного транспорта;
— фотоэлектрическиепреобразователисветовойэнергиивэлектрическую в источниках аппаратуры.
Индикаторные ( излучающие ) приборы— электронные приборы, непосредственно преобразующие электрическую энергию в световое излучение, — относятсякодномуизклассовэлектросветовыхприборов.
По виду рабочей среды индикаторы подразделяют на электровакуумные, газоразрядные, полупроводниковые ижидкокристаллические.
По форме представления сигнала различают индикаторы: светосигнальные, отображающиесигналсвечениеминдикатора; цветосигнальные, отображающиекаждыйсигнализгруппыбук-
вой, цифрой или другим определённым символом; экранные, представляющие принятую за определённый интер-
вал времени совокупность сигналов в виде черно-белого или цветного изображения;
шкальные, которые отображают поступивший сигнал местоположением светового пятна или границы светящейся линии.
На базе современных фотоприёмников и излучающих приборов развивается оптоэлектроника — научно-техническое направление, использующеедляпередачи, обработкиихраненияинформациикак электрические, так и оптические средства и методы.
Полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в широких пределах в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока, называют фоторезистором (ФР).
ментом ФР служит слой полу-
проводникового материала 1 ,
напылённогонаподложку 2 из
стекла, слюды или керамики,
см.рис. 3.52, а . По краям полу-
соединённые с внешними вы-
водами. Для защиты от вне-
шних воздействий элемент по-
крывают лаком и помещают в
пластмассовый или металли-
Рис. 3.52. Фоторезистор:
а — структура; б — графическое
тового сигнала. Применяют
лами для ФР служат полупроводниковые соединения кадмия. Мо-
гут быть и ФР на основе германия и кремния с примесями золота,
цинка и других элементов. Иногда ФР имеют три вывода. Такие
ФР используют в качестве дифференциальных элементов.
Обозначают ФР буквами ФС или СФ, за которым следуют бук-
ва и цифра, характеризующие материал полупроводника и конст-
руктивное оформление. На рис. 3.52, б условное графическое обо-
Вольт-амперная характеристика I φ ( U ) при Ф = const у фоторе-
зистора линейна (рис. 3.53, а ). Полярность напряжения на характе-
Рис. 3.53. Характеристики фоторезистора: а — вольт-амперные; б — световые
ристикуневлияет. При Ф = 0 наклон вольт-амперной характеристики зависит от темнового сопротивления R т . С увеличением светового потока крутизна вольт-амперной характеристики растёт, а сопротивление уменьшается в 10 5 —10 6 раз.
Световая характеристика I φ (Ф) при U = const (рис. 3.53, б ) линейна лишь в области небольших значений потока Ф. С увеличением Ф возрастает концентрация свободных носителей и вероятность их рекомбинации, подвижность носителей снижается и поэтому рост тока уменьшается.
I φ = k Φ 1/ 2 + I т ,
где k — коэффициент; I т — темновой ток, обусловленный наличием в полупроводнике при световом потоке Ф = 0 свободных носителей заряда.
Нелинейность зависимости I φ (Ф) — существенный недостаток ФР, ограничивающий их использование.
Сернисто-кадмиевыеФРимеютмаксимальнуючувствительность ввидимойчастиспектра, селенисто-кадмиевые— вкраснойиинфракрасной; сернисто-свинцовые— тольковинфракрасной. Сизменением температуры спектральная характеристика, в зависимости от видаполупроводникового материала, смещаетсявлевоиливправо.
Свойства ФР, как и любого другого полупроводникового фотоприёмника, характеризуют параметры чувствительности, а также электрическиеивременныепараметры. Основнойпараметрчувствительности фотоприёмника — интегральный коэффициент чувствительности мА/лм:
Однако ток ФР зависит от приложенного напряжения U , поэтому свойство ФР оценивают удельной интегральной чувствительностью, отнесённой к 1 В, мА/ (В . лм):
K инт.уд = I φ / ( Φ U ) = K φ / U .
Значение K инт.уд составляет десятые доли миллиампер на вольт на люмен.
Основные электрические параметры ФР:
рабочее напряжение U р , которое составляет от нескольких десятков до нескольких сотен вольт;
— темновой ток I т ,
— фототок I φ , протекающий через ФР при указанном напряжении и обусловленный только воздействием потока излучения заданного спектра;
I общ = I φ + I т ;
— темновое сопротивление R т ≈ 10 5 10 7 Ом.
Основной параметр временных характеристик ФР — граничная частота f гр синусоидальногосигнала, модулирующегосветовойпоток, при которой чувствительность прибора падает до значения1/ 2 посравнениюсчувствительностьюпринемодулированномизлучении f гр мало и составляет 10 2 —10 4 Гц. Это обусловлено значительным временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводник. Наиболее инерционны сернисто-кадмиевые ФР. С увеличением температуры и освещённости инерционность уменьшается.
К максимально допустимым параметрам ФР относят:
— U max — максимальное рабочее напряжение ФР, при котором отклонение его параметров не превышает указанных пределов,
— максимальную мощность рассеяния P max . С ростом температуры окружающей среды P max снижается.
ФРсвойственно старение — постепенное уменьшение сопротивления, изменение фототока и чувствительности в течение нескольких сотен часов эксплуатации.
— понижение напряжения питания,
— значительно большая интегральная чувствительность,
— большие допустимые фототоки,
— большая стабильность характеристик,
— меньшие габаритные размеры и масса,
— устойчивость к механическим воздействиям,
— большой срок службы.
— значительная зависимость характеристик и параметров от температуры,
— нелинейность энергетической характеристики при больших
Несмотря на указанные недостатки, ФР применяют в схемах
автоматики и вычислительной техники, в том числе на железно-
Двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n пе-
реходом, вольт-амперная характеристика которого зависит от воз-
действующего на него светового потока, называют фотодиодом
(ФД). Он представляет собой пластину полупроводникового мате-
риала (германия или кремния) с областями электронной и дыроч-
ной проводимости, разделёнными p-n переходом. Пластина поме-
щена в герметичный корпус, имеющий окно из прозрачного мате-
риала для проникновения к ней света. Иногда в этом окне
располагают собирательную стеклянную линзу. В зависимости от
конструкции ФД световой поток направлен параллельно и перпен-
дикулярно плоскости p-n перехода. ФД включают в обратном на-
правлении (рис. 3.54, а ). Если нет освещения (Ф = 0), ФД аналоги-
щении прибора (Ф > 0) в его p и n
областях начинается разрыв кова-
лентных связей и образование пар
носителей заряда — электронов и
дырок. Наиболее интенсивен про-
ФД возрастает число как основ-
ных, так и неосновных носителей.
трации основных носителей неве-
ки неизменной. Относительный
Рис. 3.54. Фотодиод:
а — структура и включение; б —
Рис. 3.55. Характеристики фотодиода:
а — вольт-амперные; б — световые
больше. Это ведёт к существенному увеличению обратного тока.
Чем сильнее световой поток, тем выше концентрации неосновных
носителей вблизи перехода и тем больше ток.
а ) при Ф > 0 похож на выходные характеристики биполярного тран-
принимают направление обратного тока перехода.
Световая характеристика I (Ф) при U = const линейна в доста-
точно широком интервале светового потока (рис. 3.55, б ). Это вы-
годно отличает ФД от фоторезистора. В случае увеличения обрат-
ного напряжения расширяется p-n переход и уменьшаются объёмы
p-n областей, меньшая часть неосновных носителей успевает в них
рекомбинировать, в результате этого фототок ФД возрастает.
Излучающий полупроводниковый прибор, имеющий один p-n
переход и предназначенный для непосредственного преобразова-
ния электрической энергии в энергию светового излучения, назы-
вается светодиодом (СД).
ция p-n перехода, включенного в прямом направлении. Излучение
света p-n переходомприпрохождениичерезнегопрямоготокабыло
впервые обнаружено О.В. Лосевым в 1923 г. При прямом включе-
нии перехода происходит инжекция носителей через пониженный
потенциальный барьер и их рекомбинация. В процессе рекомбина-
ции электроны переходят с высоких энергетических уровней в зоне
проводимости на более низкие в валентной зоне.
Рассмотрим, при каких условиях p-n переход может быть излуча-
тельным. Длина волны видимой части светового спектра λ составляет
0,4—0,7 мкм, что соответствует энергиям 1,3—1,8 эВ. Следовательно,
ширина запрещённой зоны ∆ W исходного полупроводникового мате-
риалавизлучательномприборедолжнабытьнеболее 1,3—1,8 эВ.
От используемого полупроводникового материала зависти цвет
сечения, определяемый длиной волны
где h — постоянная Планка; с — скорость света; ∆ W — ширина
запрещённой зоны полупроводника.
В СД должен быть беспрепятственный вывод светового пучка из
ружающее пространство. Базовая область
часто имеет форму полусферы (рис. 3.56).
Кристалл располагают в металлическом, ке-
пусе. Верхняя часть корпуса имеет стеклян-
ную линзу — выходное окно для концентра-
ции излучения в узкий конус.
сенид галлия (для источников инфракрас-
ного излучения), фосфид галлия с примеся-
Рис. 3.56. Устройствосве-
ми цинка и кислорода (красное свечение),
фосфид галлия, легированный азотом (зе-
лёное свечение) и карбид кремния
На основе фосфида галлия с раз-
ными примесями разработан цвето-
сигнальный индикатор с плавно из-
меняющимся цветом свечения.
СД аналогична характеристике ди-
ода (рис. 3.57). Постоянное прямое
Рис. 3.57. Вольт-амперная ха-
Допустимое обратное напряжение
СД невелико (3—7В). Он не рассчи-
ление и подача на СД обратного на-
пряжения с амплитудой более 2—4 В
Яркость зависит от конструкции
СД и составляет 10—50 кд/м 2 . Чем
Рис. 3.58. Схема включения
больше допустимый ток, тем выше
яркость и мощность излучения. Све-
ционны, время их переключения со-
ставляет 10 –8 —10 –9 с. Характеристики СД имеют значительный
разброс параметров и зависят от температуры.
С ростом температуры яркость уменьшается, сокращается и срок
службыСД. Так, при25 °Сонсоставляет10 5 ч, апри100 °Ссокраща-
ется до 1000 ч. Так же сокращается срок службы СД при увеличении
его тока. На рис. 3.58 представлена схема включения светодиода.
СД широко применяют в качестве световых индикаторов мини-
калькуляторов и электронных часов, они служат основными эле-
использования в устройствах железнодорожного транспорта в ка-
честве четырёхпозиционных сигнализаторов (красный — жёлтый
— зелёный — выключено), а также в качестве оптических индика-
торов скорости. На рис. 3.59 структура двухцветного СД, а на рис.
3.60 эквивалентная схема двухцветного СД.
Рис. 3.59. Структура двухцветного
Рис. 3.60. Эквивалентная схема
Оптрон (ОП) — это прибор, в котором светоизлучатель и фотоприёмникоптическииконструктивносвязаныдругсдругомипредставляют собой единое конструктивное целое.
В ОП поступающий электрический сигнал преобразуется источником излучения в световой, передаётся по оптическому каналу от светоизлучателя к фотоприёмнику, где он вновь преобразуется в электрический. При этом цепи входа и выхода полностью отделяются друг от друга, что необходимо для многих схем железнодорожной автоматики и телемеханики.
Источником излучения в ОП служит светодиод; в качестве фотоприёмников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторыифототиристоры. ЕслиОПимеетодинизлучательиодинприёмникизлучения, тоегоназывают оптопарой или элементарным ОП.
НаиболеераспространённыеэлементыОП— арсенидогаллиевые светодиоды и фотоприёмники из кремния. Их спектральные характеристики хорошо согласуются между собой. Согласование спектральных характеристик — одно из основных условий, обеспечивающих оптимальную передачу сигнала с входа ОП на его выход.
Наименьшее напряжение изоляции между входом и выходом имеют ОП с тонким слоем стекла или лака (100—1000 В). В ОП с воздушнымпромежуткомоносоставляет1—5 кВиограниченоэлектрической прочностью корпуса. В ОП с волоконными световодами напряжение изоляции может достигать 50—150 кВ.
Оптронную пару — излучатель и фотоприёмник — или несколько оптронных пар помещают в корпус и герметизируют, обычно используют корпуса интегральных микросхем.
Масса ОП составляет 0,8—1,5 г.
ОПпредставляетсобойчетырехполюсник, свойствакоторогоопределяются входной, передаточной и выходной характеристиками. Характеристику обратной связи ОП не рассматривают из-за чрезвычайно высокой изоляции входа от выхода. Входной характеристикой ОП служит вольт-амперная характеристика его светодиода, выходной — соответствующая характеристика его фотоприёмника при заданном токе на входе оптрона. ОП характеризуют следующие основные параметры:
коэффициент передачи тока K i = I 2 / I 1 , представляющий собой отношение фототока приёмника I 2 к току излучателя I 1 ;
Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света
Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.
Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.
К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рисунке. 1.7.1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики. Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т.е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.
Рисунок 1.7.1 Схема включения фоторезистора (а), световая характеристика (б)
вольт-амперная характеристика (в)
Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.
Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рисунке 1.7.2, а, б показаны эти схемы включения.
Рисунок 1.7.2 Схемы включения фотодиода в режиме фотогенератора (а), фотопреобразователя (б), световая характеристика (в), вольтамперная характеристика (г)
При освещении фотодиода в режиме фотогенератора на его выводах появляется фото-ЭДС с полярностью слева «+», справа «–». При подключении сопротивления нагрузки под действием ЭДС по нему идет фототок. Именно в таком режиме работают солнечные батареи.
В режиме фотопреобразователя через p-n переход протекает обратный ток, зависящий от светового потока, определяющего число неосновных носителей. Световая характеристика в режиме фотопреобразователя (рисунке 1.7.2, в) линейна и выражается уравнением
Рисунок 1.7.3 Включения фототранзистора
Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.
В качестве полупроводниковых излучателей света используются светоизлучающие диоды (светодиоды). Принцип действия светодиодов основан на излучении квантов света при прямом токе вследствие рекомбинации носителей заряда. Цвет излучения определяется материалом, из которого сделан фотодиод. Светодиоды работают при напряжении 2. 5В и токе до 40мА на один диод. Они имеют весьма низкий КПД.
Основное применение светодиодов – устройства индикации.
На рисунок 1.7.4 приведена схема включения светодиода и его яркостная характеристика – зависимость яркости B от тока I.
Источники света
Источник света – это тело, которое излучает энергию в световом диапазоне.
Различные типы источников света
Классификация источников света проводится в зависимости от разных характеристик. Таким образом, в физике определяющим является разделение источников света на 2 вида:
- Точечные;
- Непрерывные (модели источников света).
Встречается подразделение на и на такие виды источников света как:
- Естественные (солнце, звёзды, атмосферные электрические разряды и т.п.);
- Искусственные (пламя, разнообразные лампы, светодиоды, лазерные приспособления).
Искусственные источники света подразделяют в зависимости от вида энергии, переходящей в излучение, на:
- Тепловые источники (свет в них возникает в результате нагревания до высоких температур);
- Люминесцентные источники (световое излучение в них появляется благодаря превращению разных видов энергии, но не тепловой).
Также искусственные источники света выделяются по конструктивным особенностям.
Основные характеристики источников света
Сила света
Точечный источник света – это такой световой источник, размеры которого можно не принимать во внимание, по сравнению с расстоянием от источника до места наблюдения. В оптически однородной и изотропной среде волны, излучаемые точечным источником, являются сферическими.
Для характеристики точечного источника используют понятие силы света ( I ) , которая определяется как:
где d Ф – это световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла d Ω . При рассмотрении сферической системы координат можно сказать, что в общем-то сила света зависит от полярного ( ν ) и азимутального φ углов I = I ν , φ .
Источник света называется изотропным, если на его силу света не оказывает влияние направление. Для изотропного источника света запишем:
где Ф – это суммарный световой поток, излучаемый источником во всех направлениях. Величина силы источника, которая вычисляется как ( 2 ) , также называется средней сферической силой света источника.
Если источник света не является точечным (протяженный источник), тогда применяют понятие силы света элемента его поверхности ( d S ) . В данном случае в формуле ( 1 ) величина d Ф – это световой поток, излучаемый элементом поверхности источника ( d S ) в пределах телесного угла ( d Ω ) .
Основная единица измерения силы света в системе измерения – кандела ( к д ) (старое название – свеча ( с в ) ). 1 к д излучает световой эталон как абсолютно черное тело при температуре T = 2046 , 6 K (температура, при которой затвердевает чистая платина) и давлении 101325 П а .
Световой поток
Основной единицей измерения светового потока является люмен ( л м ) , который равняется световому потоку, испускаемому источником в 1 к д внутрь телесного угла 1 стерадиан.
Освещенность
Величина ( E ) , равная E = d Φ p a d d S ( 5 ) , называется освещенностью. В выражении ( 5 ) d Φ p a d – это величина светового потока, падающего на элемент поверхности d S . Освещенность измеряется с системе измерения в люксах ( л к ) 1 л к = 1 л м 1 м 2 ( 6 ) , при равномерном распределении потока по поверхности.
Светимость
Протяженный источник света характеризуют светимостью ( R ) его участков. Она описывает излучение (отражение) света выделенным элементом поверхности во всех направлениях.
Светимость проявляется из-за отражения поверхностью падающего на нее светового потока. Тогда под d Φ i s p понимают в выражении ( 8 ) поток, отражаемый элементарной поверхностью d S во всех направлениях.
Светимость измеряется в люксах.
Яркость
Яркость ( B ) используют для описания излучения (отражения) света в заданном направлении. Направление причем задается полярным углом ν , который откладывают от внешней нормали n → к излучающей площадке и азимутальным углом φ .
Ламбертовскими источниками света (или косинусные, подчиняющиеся закону Ламберта), называются источники, яркость которых не меняется в зависимости от направления. Для ламбертовских светильников d I элементарной площадки пропорциональна cos ν .
Единица яркости кандела на квадратный метр к д м 2 .
Необходимо найти световой поток, излучаемый элементарной поверхностью d S внутрь конуса, ось которого расположена перпендикулярно выделенному элементу. Угол конуса равен ν 0 . Будем считать, что светящаяся поверхность подчинена закону Ламберта и ее яркость равняется В .
Решение
Для решения задачи используем определение яркости и из него выделим элемент светового потока:
B = d Φ d Ω d S cos ν → d Φ = B d Ω d S cos ν ( 1 . 1 ) .
Элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:
d Ω = sin ν d ν d φ ( 1 . 2 ) .
Подставим выражение для телесного угла в выражение ( 1 . 1 ) , получаем:
d Φ = B sin ν d ν d φ d S cos ν ( 1 . 3 ) .
Определим полный световой поток интегрированием выражения ( 1 . 3 ) :
Φ = B d S ∫ 0 v 0 sin ν cos ν d ν ∫ 0 2 π d φ = π B d S sin 2 ν 0 .
Ответ: Φ = π B d S sin 2 ν 0 .
Яркость однородного светящегося диска радиуса r меняется по закону B = B 0 cos ν , B 0 = c o n s t , ν – это угол с нормалью к поверхности. Необходимо найти световой поток ( Ф ) , испускаемый диском.
Решение
Выразим элемент светового потока с помощью уравнения из условий задачи для ярости как:
d Φ = B d Ω d S cos ν = B 0 cos ν 2 d Ω d S ( 2 . 1 ) ,
где элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:
d Ω = sin ν d ν d φ ( 2 . 2 ) .
Световой поток вычислим как интеграл от выражения ( 2 . 1 ) при использовании ( 2 . 2 ) :
Φ = B 0 d S ∫ 0 π 2 sin ν cos 2 ν d ν ∫ 0 π 2 d φ = 2 π B 0 d S ∫ 0 π 2 d ( — cos ν ) cos 2 ν = 2 3 πB 0 dS = = 2 3 B 0 π 2 r 2 .
Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света
Энергетические величины являются исчерпывающими с энергетической точки зрения, но они не позволяют количественно оценить визуальное восприятие излучения. Восприятие глазом излучения видимого диапазона определяется не только мощностью воспринимаемого излучения, но также зависит от его спектрального состава (так как глаз – селективный приемник излучения). Световые характеристики описывают, как энергию излучения воспринимает зрительная система глаза с учетом спектрального состава света.
2.2.1. Световые величины
Световые величины обозначаются аналогично энергетическим величинам, но без индекса.
|
У световых величин нет никакой спектральной плотности, так как глаз не может провести спектральный анализ.
Если в энергетических величинах исходная единица – это поток, то в световых величинах исходная единица – это сила света (так сложилось исторически). Сила света определяется аналогично энергетической силе света:
– сила излучения эталона (эталонный излучатель или черное тело) при температуре затвердевания платины () площадью .
Абсолютно черное тело – это тело, которое полностью поглощает падающую на него энергию. Модель абсолютно черного тела представляет собой полое тело, внутренняя поверхность которого выкрашена в черный цвет. Через небольшое отверстие поток излучения поступает внутрь тела, где в результате многократного отражения полностью поглощается (рис.2.2.1).
Рис.2.2.1. Абсолютно черное тело.
– это поток, который излучается источником с силой света в телесном угле :
.
– освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает поток в .
За единицу светимости принимают светимость такой поверхности, которая излучает с световой поток, равный .
За единицу яркости принята яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света с .
2.2.2. Связь световых и энергетических величин
Связь световых и энергетических величин связь устанавливается через зрительное восприятие, которое хорошо изучено экспериментально. Функция видности – это относительная спектральная кривая эффективности монохроматического излучения. Она показывает, как глаз воспринимает излучение различного спектрального состава. – величина, обратно пропорциональная монохроматическим мощностям, дающим одинаковое зрительное ощущение, причем воздействие потока излучения с длиной волны условно принимается за единицу. Функция видности глаза максимальна в области желто-зеленого цвета (550–570 нм) и спадает до нуля для красных и фиолетовых лучей (рис.2.2.2).
2.2.2. Функция видности глаза.
Определить некую световую величину (поток, сила света, яркость, и т.д.), по спектральной плотности соответствующей ей энергетической величины можно по общей формуле:
где – функция видности глаза, 680 – экспериментально установленный коэффициент (поток излучения мощностью с длиной волны соответствует светового потока).
Например, сила света:
(2.2.5)
яркость:
(2.2.6)
Другие единицы измерения световых величин:
| сила света |
| яркость |
| освещенность |
Сопоставление энергетических и световых единиц:
| Энергетические | Световые | ||
| Наименование и обозначение | Единицы измерения | Наименование и обозначение | Единицы измерения |
| поток излучения | световой поток | ||
| энергетическая сила света | сила света | ||
| энергетическая освещенность | освещенность | ||
| энергетическая светимость | светимость | ||
| энергетическая яркость | яркость | ||
2.2.3. Практические световые величины и их примеры
Световая экспозиция
Световая экспозиция – это величина энергии, приходящейся на единицу площади за некоторое время (освещенность, накопленная за время от до ):
| (2.2.7) |
Если освещенность постоянна, то экспозиция определяется выражением:
Блеск
Для протяженного источника характеристика, воспринимаемая глазом – яркость. Для точечного источника характеристика, воспринимаемая глазом – блеск (чем больше блеск, тем больше кажется яркость). Блеск – это величина, применяемая при визуальном наблюдении точечного источника света.
Блеск – это освещенность, создаваемая точечным источником в плоскости зрачка наблюдателя, .
Видимый блеск небесных тел оценивается в звездных величинах . Шкала звездных величин устанавливается следующим экспериментальным соотношением:
Чем меньше звездная величина, тем больше блеск. Например:
– блеск, создаваемый звездой первой величины,
– блеск, создаваемый звездой второй величины.
Яркость некоторых источников , :
– поверхность солнца,
– поверхность луны,
– ясное небо,
– нить лампы накаливания,
– ясное безлунное ночное небо,
– наименьшая различимая глазом яркость.
Освещенность, :
– освещенность, создаваемая солнцем на поверхности Земли (летом, днем, при безоблачном небе),
– освещенность рабочего места,
– освещенность от полной луны,
– порог блеска (примерно 8-ая звездная величина).
Решение задач на определение световых величин рассматривается в практическом занятии «Энергетика световых волн», пункт «1.2. Расчет световых величин».