В радиометрии , сияние является поток излучения , испускаемый, отражение, передаваемый или принимаемый по заданной поверхности, на единицу телесного угла на единицу площади проекции. Спектральная яркость - это яркость поверхности на единицу частоты или длины волны , в зависимости от того , берется ли спектр как функция частоты или длины волны. Это направленные величины. Единица СИ сияния является ватт на стерадиан на квадратный метр ( Вт · ср -1 · м -2), в то время как спектральная яркость по частоте - это ватт на стерадиан на квадратный метр на герц ( Вт · ср −1 · м −2 · Гц −1 ), а спектральная яркость по длине волны - это ватт на стерадиан на квадратный метр на метр ( Вт · ср -1 · м -3 ) - обычно ватт на стерадиан на квадратный метр на нанометр ( Вт · ср -1 · м -2 · нм -1 ). Microflick также используются для измерения спектральной яркости излучения в некоторых областях. [1] [2] Сияние используется для характеристики диффузного излучения и отражения отэлектромагнитное излучение или для количественной оценки испускания нейтрино и других частиц. Исторически яркость называется «интенсивностью», а спектральная яркость - «удельной интенсивностью». Эта номенклатура до сих пор используется во многих областях. Особенно он преобладает в теплообмене , астрофизике и астрономии . «Интенсивность» имеет много других значений в физике , наиболее распространенным из которых является мощность на единицу площади .
Описание [ править ]
Сияние полезно, потому что оно показывает, какая часть мощности, излучаемой, отраженной, передаваемой или принимаемой поверхностью, будет принята оптической системой, смотрящей на эту поверхность под заданным углом обзора. В данном случае интересующим телесным углом является телесный угол, образованный входным зрачком оптической системы . Поскольку глаз представляет собой оптическую систему, его яркость и его родственная яркость являются хорошими индикаторами того, насколько ярким будет выглядеть объект. По этой причине яркость и яркость иногда называют «яркостью». Такое использование сейчас не рекомендуется ( обсуждение см. В статье « Яркость» ). Нестандартное использование термина «яркость» для «сияния» сохраняется в некоторых областях, особенно в лазерной физике .
Яркость, деленная на квадрат показателя преломления, инвариантна в геометрической оптике . Это означает, что для идеальной оптической системы в воздухе яркость на выходе такая же, как на входе. Иногда это называют сохранением сияния . Для реальных пассивных оптических систем выходная яркость не более чем равна входной, если только показатель преломления не изменится. Например, если вы формируете уменьшенное изображение с помощью линзы, оптическая сила концентрируется в меньшей области, поэтому освещенность на изображении выше. Однако свет в плоскости изображения заполняет больший телесный угол, поэтому яркость получается такой же, если на линзе нет потерь.
Спектральная яркость выражает яркость как функцию частоты или длины волны. Яркость - это интеграл спектральной яркости по всем частотам или длинам волн. Для излучения, испускаемого поверхностью идеального черного тела при данной температуре, спектральная яркость регулируется законом Планка , в то время как интеграл его яркости по полусфере, в которую излучает его поверхность, определяется законом Стефана – Больцмана . Его поверхность ламбертова , так что его яркость однородна относительно угла обзора и представляет собой просто интеграл Стефана – Больцмана, деленный на π. Этот коэффициент получается из телесного угла 2π стерадиана полусферы, уменьшенного интегрированием по косинусу зенитного угла .
Математические определения [ править ]
Сияние [ править ]
Излучение из поверхности , обозначается л е, Ω ( «е» для «энергичных», чтобы избежать путаницы с фотометрических величин, а «П» , чтобы указать , что это направленное количество), определяется как [3]
куда
- ∂ - символ частной производной ;
- Φ e - излучаемый, отраженный, переданный или принятый лучистый поток ;
- Ω - телесный угол ;
- Сов θ представляет собой проецируются площадь.
В общем, L e, Ω является функцией направления взгляда, зависящим от θ через cos θ и азимутального угла через ∂Φ e / ∂ Ω . Для специального случая ламбертовской поверхности , ∂ 2 Φ е / (∂ Ом ∂ ) пропорциональна соз θ , а л е, Ом изотропно (независимо от направления просмотра).
При вычислении яркости, излучаемой источником, A относится к площади на поверхности источника, а Ω - к телесному углу, в который излучается свет. При вычислении яркости, полученной детектором, A относится к площади на поверхности детектора, а Ω - к телесному углу, образуемому источником, если смотреть с этого детектора. Когда яркость сохраняется, как обсуждалось выше, яркость, излучаемая источником, такая же, как и получаемая детектором, наблюдающим за ним.
Спектральное сияние [ править ]
Спектральный яркости излучения в частоте о наличии поверхности , обозначается л е, Ω, ν , определяется как [3]
где ν - частота.
Спектральный яркости излучения в длине волны в виде поверхности , обозначается л е, Ω, λ , определяется как [3]
где λ - длина волны.
Сохранение основного сияния [ править ]
Сияние поверхности связано с étendue соотношением
куда
- n - показатель преломления, в который эта поверхность погружена;
- G - длина светового луча.
Поскольку свет проходит через идеальную оптическую систему, сохраняется как внешний поток, так и лучистый поток. Следовательно, базовое сияние, определяемое [4]
также сохраняется. В реальных системах интенсивность излучения может увеличиваться (например, из-за рассеяния) или лучистый поток может уменьшаться (например, из-за поглощения), и, следовательно, базовая яркость может уменьшаться. Однако étendue не может уменьшаться, и лучистый поток не может увеличиваться, и, следовательно, базовая яркость не может увеличиваться.
Единицы радиометрии СИ [ править ]
| Количество | Единица измерения | Измерение | Примечания | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Имя | Символ [nb 1] | Имя | Символ | Символ | ||||
| Энергия излучения | Q e [nb 2] | джоуль | J | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Энергия электромагнитного излучения. | |||
| Плотность лучистой энергии | ж е | джоуль на кубический метр | Дж / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | Лучистая энергия на единицу объема. | |||
| Сияющий поток | Φ e [nb 2] | ватт | W = Дж / с | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Излучаемая, отраженная, переданная или полученная энергия излучения в единицу времени. Иногда это также называют «сияющей силой». | |||
| Спектральный поток | Φ e, ν [nb 3] | ватт на герц | Вт / Гц | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Лучистый поток на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅нм -1 . | |||
| Φ e, λ [nb 4] | ватт на метр | Вт / м | M ⋅ L ⋅ T −3 | |||||
| Сияющая интенсивность | I e, Ω [nb 5] | ватт на стерадиан | Вт / ср | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поток излучения на единицу телесного угла. Это направленная величина. | |||
| Спектральная интенсивность | I e, Ω, ν [nb 3] | ватт на стерадиан на герц | W⋅sr −1 ⋅Hz −1 | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Интенсивность излучения на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅ср −1 нм −1 . Это направленная величина. | |||
| I e, Ω, λ [nb 4] | ватт на стерадиан на метр | W⋅sr −1 ⋅m −1 | M ⋅ L ⋅ T −3 | |||||
| Сияние | L e, Ω [nb 5] | ватт на стерадиан на квадратный метр | W⋅sr −1 ⋅m −2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток, излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поверхностью , на единицу телесного угла на единицу площади проекции. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральное сияние | L e, Ω, ν [nb 3] | ватт на стерадиан на квадратный метр на герц | W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Яркость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅sr −1 m −2 nm −1 . Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». | |||
| L e, Ω, λ [nb 4] | ватт на стерадиан на квадратный метр, на метр | W⋅sr −1 ⋅m −3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Энергия излучения Плотность потока | E e [nb 2] | ватт на квадратный метр | Вт / м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток , полученный с помощью поверхности на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральная освещенность Спектральная плотность потока | E e, ν [nb 3] | ватт на квадратный метр на герц | Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −2 | Освещенность поверхности на единицу частоты или длины волны. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». Единицы измерения спектральной плотности потока, не относящиеся к системе СИ, включают янский (1 Ян = 10 −26 Вт⋅м −2 Гц −1 ) и единицу солнечного потока (1 sfu = 10 −22 Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 = 10 4 Jy). | |||
| E e, λ [nb 4] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Лучистость | J e [nb 2] | ватт на квадратный метр | Вт / м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток покидает (испускается, отражается и проходит) поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральное излучение | J e, ν [nb 3] | ватт на квадратный метр на герц | Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −2 | Сияние поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м −2 нм −1 . Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». | |||
| J e, λ [nb 4] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Сияющая выходность | M e [nb 2] | ватт на квадратный метр | Вт / м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток , излучаемый на поверхности на единицу площади. Это излучаемый компонент излучения. «Излучение излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». | |||
| Спектральная выходность | M e, ν [nb 3] | ватт на квадратный метр на герц | Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −2 | Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м −2 нм −1 . «Спектральный коэффициент излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». | |||
| M e, λ [nb 4] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
| Сияющее воздействие | H e | джоуль на квадратный метр | Дж / м 2 | M ⋅ T −2 | Лучистая энергия, получаемая поверхностью на единицу площади, или, что эквивалентно, освещенность поверхности, интегрированная по времени облучения. Иногда это также называют «сияющим флюенсом». | |||
| Спектральная экспозиция | H e, ν [nb 3] | джоуль на квадратный метр на герц | Дж⋅м −2 ⋅Гц −1 | M ⋅ T −1 | Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Дж⋅м −2 нм −1 . Иногда это также называют «спектральной плотностью энергии». | |||
| H e, λ [nb 4] | джоуль на квадратный метр, на метр | Дж / м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | |||||
| Полусферический коэффициент излучения | ε | N / A | 1 | Излучение поверхности , деленное на выход черного тела при той же температуре, что и эта поверхность. | ||||
| Спектральная полусферическая излучательная способность | ε ν или ε λ | N / A | 1 | Спектральная светимость поверхности , деленная на светимость черного тела при той же температуре, что и эта поверхность. | ||||
| Направленная излучательная способность | ε Ω | N / A | 1 | Излучение , излучаемый на поверхности , разделенные , что излучаемый черного тела при той же температуре , как эта поверхность. | ||||
| Спектрально-направленная излучательная способность | ε Ω, ν или ε Ω, λ | N / A | 1 | Спектральное свечение , излучаемое на поверхность , деленное на том , что из черного тела при той же температуре , как эта поверхность. | ||||
| Полусферическое поглощение | А | N / A | 1 | Лучистый поток поглощается на поверхность , деленный на которые получены этой поверхность. Не следует путать с « поглощением ». | ||||
| Спектральное полусферическое поглощение | A ν или A λ | N / A | 1 | Спектральный поток поглощается на поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. Это не следует путать со « спектральным поглощением ». | ||||
| Направленное поглощение | А Ом | N / A | 1 | Излучение поглощается на поверхности , деленной на сияния падающего на эту поверхность. Не следует путать с « поглощением ». | ||||
| Спектральное направленное поглощение | A Ω, ν или A Ω, λ | N / A | 1 | Спектральный сияния поглощается на поверхности , деленной на спектральной энергетической яркости падающего на эту поверхность. Это не следует путать со « спектральным поглощением ». | ||||
| Полусферическое отражение | р | N / A | 1 | Лучистый поток, отраженный от поверхности , делится на поток , принимаемый этой поверхностью. | ||||
| Спектральная полусферическая отражательная способность | R ν или R λ | N / A | 1 | Спектральный поток отражается на поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Направленное отражение | R Ом | N / A | 1 | Излучение отражается на поверхности , деленной на том , что полученные с помощью этой поверхности. | ||||
| Спектральная отражательная способность | R Ω, ν или R Ω, λ | N / A | 1 | Спектральное сияние отражается на поверхность , деленный на которые получены этой поверхность. | ||||
| Полусферический коэффициент пропускания | Т | N / A | 1 | Лучевой поток передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Спектральное полусферическое пропускание | T ν или T λ | N / A | 1 | Спектральный поток передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Направленное пропускание | Т Ом | N / A | 1 | Излучение передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. | ||||
| Спектрально-направленное пропускание | T Ω, ν или T Ω, λ | N / A | 1 | Спектральное сияние передается по поверхности , деленный на которые получены этой поверхность. | ||||
| Полусферический коэффициент затухания | μ | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Поток излучения, поглощаемый и рассеиваемый на объем на единицу длины, деленный на полученный этим объемом. | |||
| Коэффициент спектрального полусферического ослабления | μ ν или μ λ | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Спектральный лучистого потока поглощается и рассеивается по объему на единицу длины, деленное на том , что полученные этим объемом. | |||
| Коэффициент направленного затухания | μ Ом | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Сияние поглощается и рассеивается на объем на единицу длины, деленный на полученное этим объемом. | |||
| Коэффициент направленного спектрального ослабления | μ Ω, ν или μ Ω, λ | обратный счетчик | м −1 | L −1 | Спектральная яркость поглощается и рассеивается на объем на единицу длины, деленный на полученное этим объемом. | |||
| См. Также: SI · Радиометрия · Фотометрия. | ||||||||
- ^ Организации по стандартизации рекомендуютобозначатьрадиометрические величины суффиксом «e» (от «энергетический»), чтобы избежать путаницы с фотометрическими или фотонными величинами.
- ^ a b c d e Иногда встречаются альтернативные символы: W или E для лучистой энергии, P или F для лучистого потока, I для энергетической освещенности, W для лучистой светимости.
- ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу частоты , обозначаются суффиксом « ν » (греческий) - не путать с суффиксом «v» (от «визуальный»), обозначающим фотометрическую величину.
- ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу длины волны , обозначаются суффиксом « λ » (греческий).
- ^ a b Направленные величины обозначаются суффиксом « Ω » (греческий).
См. Также [ править ]
- Étendue
- Световое поле
- Уравнение Сакума – Хаттори
- Закон смещения Вина
Ссылки [ править ]
- ^ Палмер, Джеймс М. "Система СИ и единицы СИ для радиометрии и фотометрии" (PDF) . Архивировано 2 августа 2012 года из оригинального (PDF) .
- ^ Роулетт, Расс. «Сколько? Словарь единиц измерения» . Проверено 10 августа 2012 года .
- ^ a b c «Теплоизоляция. Передача тепла излучением. Физические величины и определения» . ISO 9288: 1989 . Каталог ISO . 1989 . Проверено 15 марта 2015 .
- ^ Уильям Росс МакКлуни, Введение в радиометрию и фотометрию , Artech House, Бостон, Массачусетс, 1994 ISBN 978-0890066782
Внешние ссылки [ править ]
- Международный семинар по освещению в контролируемых средах
