WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

«1 Радиометрия. Фотометрия. ДФО 1.1 Свет: дуальность. Свет 1) в узком смысле то же, что и видимое излучение, т. е. электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим ...»

1 Радиометрия. Фотометрия. ДФО

1.1 Свет: дуальность.

Свет

1) в узком смысле то же, что и видимое излучение, т. е. электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5·1014 4,3·1014 гц, что соответствует длинам волн в вакууме от

400 до 700 нм). С. очень высокой интенсивности глаз воспринимает в

несколько более широком диапазоне частот. Зависимость чувствительности среднего человеческого глаза к С. от частоты С. (спектральная

чувствительность глаза) характеризуется функцией спектральной световой эффективности (т. н. кривой видности глаза). Эта функция лежит в основе всех светотехнических расчётов. Различие в частоте (или совокупности частот) световых волн в общем но не в каждом отдельном случае воспринимается человеком как различие в цвете....

2) С. в широком смысле синоним оптического излучения, включающего, кроме видимого, излучение ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра (диапазон частот приблизительно 3·1011 3·1017 гц, длин волн в вакууме от 1 мм до 1 нм). В этом т. н. оптическом диапазоне физические свойства излучения и методы его исследования характеризуются значительной степенью общности (см. Оптика). В частности, именно в оптическом диапазоне начинают отчётливо проявляться одновременно и волновые и корпускулярные свойства электромагнитного излучения.

...

Большая советская энциклопедия Как и всем излучениям, свету свойственем корпускулярно-волновой дуализм. Это значит, что свет, согласно классической теории имеющий волновую природу, ведет себя подобно потоку частиц. При этом некоторые эффекты невозможно объяснить на основе корпускулярной теории. Таким образом, возможно рассмотрение света с точки зрения двух теорий: корпускулярной теории (этим занимается геометрическая оптика) и волновой теории (этим занимается волновая оптика) Явление фотоэлектрического эффекта является одним из обоснований фотонной теории (теории частиц).



1 Радиометрия. Фотометрия. ДФО

1.2 Геометрическая оптика Раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах.

В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света.

В основе геометрической оптики лежат несколько простых законов:

• Закон прямолинейного распространения света

• Закон независимого распространения лучей

• Закон отражения света

• Закон преломления света (Закон Снелла)

• Закон обратимости светового луча. Согласно нему луч света, распространившейся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

Мы будем в основном рассматривать свет как поток частиц (это проще для алгоритмов), поэтому необходимо сразу понять, чего мы лишаемся, т.е. какие волновые эффекты не будут моделироваться в рамках наших представлений.

Геометрическая оптика предполагает, что направление потока энергии (луча) не зависит от поперечных размеров пучка. Однако в силу волновой природы света имеет место эффекты дифракции и интерференции. Также оптика не учитывает поперечного характера световой волны, поэтому в рамках геометрической теории недоступны эффекты поляризации. Кроме этого в других разделах науки рассматриваются квантовые эффекты распространения света (квантовая оптика) и эффекты, возникающии при взаимодействии световых полей с веществом (нелинейная оптика).

Основные волновые эффекты: дифракция, интерференция, поляризация будут рассмотрены далее.

1.2.1 Дифракция Дифракция - явление отклонения от законов геометрической оптики, возникающии при сравнимых размерах длины волны и размеров неоднородности среды. При размерах неоднородностей существенно превышающих длину волны (на 3-4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь.

1.2.2 Интерференция TODO 1.2.3 Поляризация TODO

–  –  –

1.2.4 Фотоэлектрический эффект TODO 1.2.5 Флюоресценция TODO 1.2.6 Фосфоресценция TODO

1.3 Радиометрия Радиометрия наука об измерении электромагнитного излучения, включая видимый свет. Нам необходимы основные термины, понятия и законы радиометрии для расчета количества света, передающегося по сцене и попадающего на сенсор виртуальной камеры.

Радиометрия не учитывает особенностей человеческого восприятие цвета и интенсивности (см. фотометрия, колориметрия).

1.3.1 Предположения

Радиометрия основана на принципах геометрической оптики. Основные предположения:

Линейность Суммарный эффект двух входных сигналов всегда равен сумме эффектов каждого сигнала по отдельности Сохранение энергии Рассеиваемый свет не может выдавать больше энергии, чем было изначально Отсутствие поляризации Единственное свойство света – распределение по длинам волн (частоте) Отсутствие флюоресценции и фосфоресценции Поведение света на одной частоте не зависит от поведения на другой Устойчивость состояния Распределение световой энергии не зависит от времени 1.3.2 Недостатки Недостатки радиометрии следуют из геометрической оптики нельзя измерить эффект от физических явлений, связанных с взаимодействием пучков света (дифракция, интерференция), учесть поперечных характер световой полны (поляризация), учесть квантовые эффекты.

–  –  –

Таким образом, в рамках классической радиометрии невозможно измерить результат эффектов дифракции, интерференции, поляризации, флюоресценции, фосфоресценции. Впрочем, последние три эффекта можно сравнительно легко добавить в общую теорию.

–  –  –

1.3.4 Основные термины и их свойства Воздействие света на глаз или другой регистрирующий аппарат определяется прежде всего энергией, переносимой световой волной. Поэтому необходимо рассмотреть понятия и единицы, позволяющие количественно оперировать с такого рода воздействиями.

Фотометрия оперирует четырьмя основными понятиями, которые перечислены ниже вместе с их типичными обозначениями и размерностью.

–  –  –

• Освещенность E, Вт · м2 (п. 1.3.4.3).

• Яркость L, Вт · Ст1 · м2 ) (п. 1.3.4.4).

Набор различных понятий необходим для измерений, т.к. разные приборы реагируют на разные световые величины. Например, свет звезды можно оценить через силу излучения, отклик сенсора цифровой камеры пропорционален его освещенности, а человеческий глаз реагирует на уровень яркости источника.

Обратите внимание, что термин свет не используется в рамках этой главы, т.к.

он относится исключительно к видимой части электромагнитного спектра (380нм – 780нм).

1.3.4.1 Поток лучистой энергии (Radiant ux) Энергия (radiant energy) характеризует энергию некоторого объекта и измерятся в джоулях (Дж). Обычно имеет обозначение Q.

Сама по себе энергия нас не интересует в рамках радиометрии рассматривается перенос энергии и способы его измерения. Мы рассматриваем энергию в тот момент, когда она по каким-то причинам (например, при нагреве) начинает излучаться некоторым телом и создает поток лучистой энергии.

Поток лучистой энергии наиболее интегральная, обобщающая характеристика излучения энергии телом (или, что эквивалентно получения энергии телом).

Он задается как количество энергии Q, излучаемой (или приходящей) за заданное время t, проходящей через заданную поверхность A (описывает скорость излучения):

<

–  –  –

Спектральный поток Поток задает суммарную характеристику излучения по всем длинам волн. Часто необходимо рассматривать спектральный поток, т.е. поток на заданной длине волны.

Математически его можно определить следующим образом:

–  –  –

Полный поток Очень часто применяется понятие полного потока (total radiant ux) источника, который можно вычислить как поток через сферу (или любой другое тело), описывающую объект. Таким образом, полный поток характеризует весь объем энергии, излучаемый телом за промежуток времени. Величина полного светового потока характеризует излучающий источник и ее нельзя увеличить никакими оптическими системами (только перераспределить, сконцентрировать).

Поток позволяет охарактеризовать источник в общем, с точки зрения скорости излучения. При измерении потока не учитывается ни направление потока, ни площадь излучения.





Для некоторых измерений, однако, требуются более детальные величины, позволяющие оценить степень сконцентрированности излучения энергии в интересующем направлении или на конкретном участке поверхности.

1.3.4.2 Сила излучения (Radiant Intensity) Для определения концентрации потока энергии в заданном направлении используется понятие силы излучения. Она равна величине плотности потока через заданный телесный угол (определение телесного угла см. п. ??):

d I= (1.4) d Измеряется в ваттах на стерадиан (Вт·Cт1 ) и имеет типичное обозначение I.

Сила излучения используется для измерения потока по заданному направлению для точечного источника. При рассмотрении силы излучения игнорируется площадь поверхности светящегося объекта и рассматривается только суммарный поток, посылаемый в телесный угол со всей поверхности объекта. Таким образом, понятие силы излучения применимо либо к объектам, которые можно считать бесконечно малыми (удаленные точечные источника, звезды и т.п.), либо к объектам, формой которых мы пренебрегаем и рассматриваем только полное излучение со всей поверхности (в этом смысле применяется редко). Для большинства реальных источников сила излучения сильно меняется для разных направлений. На практике сила излучения крайне редко используется для чего либо, кроме описания излучения точечных источников света.

Спектральная сила излучения. Спектральна сила излучения I задается как поток через малый телесный угол на заданном диапазоне длин волн:

–  –  –

Если сила света неравномерна по направлениям, то такое значение определяет среднюю силу света. Средняя сила света может использоваться как характеристика концентрирующей функции оптических систем чем больше отношение силы света источника в заданном направлении к средней силе света, тем эффективнее оптическая система.

–  –  –

Освещенность параллельным пучком света Горизонтальный прямоугольник размерам WxH освещается параллельным потоком излучения 0 под углом к нормали. Какой будет освещенность прямоугольника в зависимости от угла ?

Пусть 0 = E0 A0, где E0 - освещенность площадки, расположенной перпендикулярно потоку, а A0 ее площадь. Тот же самый поток будет падать и на площадку A = W H, создавая освещенность E = 0. Поток через обе площадки будет одиA наковый. Следовательно, получаем: EA = E0 A0. Из геометрических соображений A0 = Acos, поэтому E = E0 A0 = E0 cos.

A По этой причине отклик идеального детектора освещенности будет пропорционален косинусу угла падения параллельного пучка.

Связь силы света и освещенности Рассмотрим освещенность площадки площадью A, расположенную на расстоянии R от точечного источника силы света I:

–  –  –

1.3.4.4 Яркость (Radiance) Рассмотрим некоторый источник видимой площади, который нельзя считать точечным, но точная форма которого нам не важна. Для описания его свойств мы можем использовать следующие единицы (из ранее введенных):

–  –  –

• Поток будет характеризовать излучаемую энергию для этого источника. Это никак не характеризует ни плотность излучения с единицы поверхности, ни распределение направлений излучения, но позволит охарактеризовать полную мощность излучения для данного источника.

• Сила света I для этого источника по заданному направлению позволит вычислить распределение излучения энергии по углам, однако никак не характеризует яркость каждой точки поверхности (например, если при данной силе света поверхность наблюдается под углом, то такой источник для регистрирующих устройств будет ярче, чем обладающий аналогичной силой света в перпендикулярном направлении, за счет повышения плотности потока в данном направлении, т.к. аналогичный поток будет излучаться с меньшей видимой площади)

• Светимость M для данного источника задает полную исходящую энергию с единицы поверхности, однако не учитывает распределение излучения по углам.

Таким образом, для источников, которые нельзя считать точечными, имеет смысл определения понятия поверхностной яркости, или просто яркости. Яркость это поток, посылаемый в заданный телесный угол с единичной площади источника. Посылаемый в телесный угол поток с участка поверхности пропорционален видимой площади поверхности A и величине телесного угла.

Коэффициент пропорциональности и называется яркостью источника:

d2 d2 L= = (1.12) dA d cosdAd В приведенном определении (и везде далее) угол отсчитывается от нормали к поверхности. Яркость это функция как поверхности и точки на ней, так и направления. Например, можно говорить о яркости точки на земле в направлении объектива фотоаппарата и т.п.

Из приведенного определения (1.12) видно, что в общем случае яркость зависит от угла наблюдения поверхности. Существуют, однако, источники, для которых поверхностная яркость константна для всех направлений. Такие источники называются ламбертовыми и их свойства подробно рассмотрены в п.1.3.5.

Спектральная яркость задается как яркость на единицу длины волны, аналогично другим величинам:

d3 dL L = = (1.13) d cosdAdd Закон сохранения яркости Понятие яркости источника очень важно в силу закона сохранения яркости, который говорит о том, что при передаче энергии между двумя дифференциальными площадками) исходящая яркость Ls точками (более точно равна приходящей яркости Ld в случае отсутствия эффекта поглощения энергии средой передачи.

–  –  –

Таблица 1.2: Некоторые значения радиометрических величин Если при передаче поток не теряется (т.

е. не происходит поглощения, рассеивания в среде), то d = s. Следовательно, Ls = Ld. Зная это, можно рассчитывать освещенность поверхностей, представляя входящий поток через набор параллельных потоков под разными углами и вычисляя яркость источников по соответствующему направлению. На этом принципе, в частности, построены многие алгоритмы синтеза фотореалистичных изображений.

Яркость и человеческий глаз Как и многие другие детекторы, глаз реагирует на плотность потока через чувствительные элементы сетчатки, т.к. фактически на d освещенность. E = dA = Lcosd. Особенности строения глаза позволяют предположить, что свет падает на элементы сетчатки под нулевым углом (cos = 1), а для достаточно удаленных источников, на которых глаз сфокусирован, угловым размером можно пренебречь. В этом случае E = L.

Некоторые значения радиометрических величин приведены в таблице 1.2, взятой из [?].

1.3.4.5 Связь яркости с другими фотометрическими величинами Большое количество понятий, связанное с переносимой светом энергией, обусловлено законом прямолинейного распространения света, в силу которого световая энергия может переноситься по-разному в разных точках поверхности и в различных направлениях. Наиболее дифференцированной характеристикой светового поля служит яркость, определяющая мощность, распрострающуюся в заданном направлении вблизи заданной точки пространства. Сила света описывает мощность, также распространяющуюся в заданном направлении, но от всей поверхности протяженного источника. Освещенность и светимость характеризуют мощность, которая распространяется вблизи какой-либо точки поверхности во всех направлениях. Наконец,

–  –  –

наиболее интегральной характеристикой является поток - мощность, переносимая через всю поверхность во всех направлениях.

Соотношения между яркостью и другими величинами (см. также Табл. 1.3) :

–  –  –

При наблюдении, например, звезд, глаз реагирует на свет, испущенный в направлении наблюдателя всей поверхностью звезды, поэтому уместно говорить о силе света звезды (обратите внимание, что для точечных источников, как звезды, L = I). В фотографических приборах неважно, откуда пришел свет на пленку или чувствительный элемент матрицы, т.е. осуществляется интегрирование по направлениям, а значит здесь регистрируется освещенность 1.3.5 Свойства ламбертовых источников Ламбертов источник - это источник константной поверхностной яркости, для которого поверхностная яркость одинакова для всех направлений (L = const, ).

Ламбертовыми они называется потому, что их сила света прямо пропорциональная косинусу угла между нормалью к поверхности и направлением на наблюдателя (I = I0 cos). Такая зависимость называется законом излучения Ламберта. В этом случае L = dI0 cos = dIo = const.

cosdA dA Строго говоря, в природе таких источников не существует. Однако матированное тело или мутная среда, каждая точкой которой рассеивает свет одинакого во все стороны, является достаточно хорошей аппроксимацией ламбертового источника.

Такие среды или материалы можно называть идеально рассевающими (или диффузными, diuse), если они подчиняются закону Ламберта.

–  –  –

Яркость светящейся полусферы и диска Рассмотрим светящийся плоский диск S и светящуюся полусферу S’. Предположим, что обе поверхности подчиняются закону Ламберта. В этом случае для наблюдателя диск S будет неотличим от полусферы S’, т.к. видимые площади их будут одинаковы, а яркости не зависят от угла с поверхностью. В частности поэтому сферические источники типа Солнца и Луны воспринимаются как плоские диски.

1.4 Фотометрия TODO

–  –  –



Похожие работы:

«Бюллетень № 29 (416) 25 августа 2014 г НОВОСТИ КОМПАНИИ увеличил производство золота Polyus в янв-июн получил $253 млн прибыли против убытка годом ранее Казахстанская Goldbridges – А.Галочкина из Нафта Москва планирует увеличить добычу сменила А.Колончину в СД Kazakhmys в I полугодии получил Освоение Дегдекан...»

«Актуальная тема В начале февраля 2007 г. в Подмосковье прошла традиционная встреча руководства Банка России с руководителями коммерческих банков, организованная Ассоциацией региональных банков России, на которой были рассмотрены многосторонние аспекты банковской деятельности и наиболее актуальные проблемы. Участники встр...»

«НАУЧНЫЙ ЭКСПЕРТ Научный электронный журнал ВЫПУСК Центр проблемного анализа и государственно-управленческого проектирования Научный эксперт Ежемесячный научный электронный журнал Мы представляем вашему вниманию...»

«ВВЕДЕНИЕ. В нaшeм oбщecтвe в пocлeднee вpeмя нa cлyxy тaкиe cлoвa,кaк блaгoтвopитeльнocть и cпoнcopcтвo. В нaши дни мнoгo людeй нaчaли yвлeкaтьcя этoй дeятeльнocтью, для кoгo-тo этo xoбби, пoмoгaть людям, кoтopым нyжнa пoмoщь, тo-тo из этoгo извлeкaeт в...»

«1 Обратный отсчёт Практическая эзотерика XXI век 2О12 ББК 53.59 О23 О23 Обратный отсчёт. Практическая эзотерика. XXI век. / Сборник СПб.: Издательство «Вектор» — 2012. — 160 с. ISBN 978 5 9684 1995 8 Будущее — многовариантно. Жизнь в её проявлениях так или иначе...»

«Літературна Кіровоградщина Літературний альманах Кіровоградської обласної організації Конгресу літераторів України Кіровоград «Імекс-ЛТД» ББК 84(4УКР)6я44 УДК 82 Л 64 Літературна Кіровоградщина [Текст] : альманах / Кіровогр. обл. організація Конгресу лі...»

«ВЕСЕЛЫЕ ПОХОРОНЫ Людмила УЛИЦКАЯ Жара стояла страшная, влажность стопроцентная. Казалось, весь громадный город, с его нечеловеческими домами, чудесными парками, разноцветными людьми и собаками, подошел к границе фа...»

«КОММЕНТАРИИ АКТОВ ВЫСШИХ СУДЕБНЫХ ОРГАНОВ Защита права собственности и других вещных прав: вопросы практики АННОТАЦИЯ ANNOTATION Комментируются некоторые положения ПостаSome of points of the Statement joi...»

«Л. Троцкий. Терроризм и коммунизм Лев Давидович Троцкий Книга Л.Троцкого «Терроризм и коммунизм» представляется одним из наиболее ярких выступлений в защиту практики заложничества. В работе Л.Троцкого ясно просл...»










 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.