Световой поток: Полное руководство

Радиантный поток — это термин, описывающий количество радиантной энергии, испускаемой, отражаемой, передаваемой или получаемой объектом за единицу времени. Радиантная энергия — это энергия, переносимая электромагнитными волнами, такими как свет, радиоволны, микроволны, инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Радиантный поток также известен как радиантная мощность или оптическая мощность (в случае света).

Радиантный поток является важным понятием в радиометрии, науке, изучающей измерение и анализ электромагнитного излучения. Радиантный поток может использоваться для характеристики производительности источников света, детекторов, оптических компонентов и систем. Он также может использоваться для расчета других радиометрических величин, таких как радиантная интенсивность, сила света, освещенность, радиантная выходная мощность и радиозность.

В этой статье мы объясним, что такое радиантный поток, как он измеряется и рассчитывается, как он связан с другими радиометрическими и фотометрическими величинами, а также какие у него есть приложения и примеры.

Что такое радиантный поток?

Радиантный поток определяется как скорость изменения радиантной энергии по времени. Математически его можно выразить следующим образом:

Где:

• Φe — радиантный поток в ваттах (Вт)

• Qe — радиантная энергия в джоулях (Дж)

• t — время в секундах (с)

Радиантная энергия — это общее количество энергии, передаваемое электромагнитными волнами через поверхность или внутри объема. Она может быть испущена источником (например, лампой), отражена поверхностью (например, зеркалом), передана через среду (например, воздух или стекло) или поглощена объектом (например, солнечной панелью).

Радиантный поток может быть положительным или отрицательным в зависимости от направления передачи энергии. Например, если источник света излучает 10 Вт радиантного потока, это означает, что он теряет 10 Дж энергии в секунду. С другой стороны, если детектор принимает 10 Вт радиантного потока, это означает, что он получает 10 Дж энергии в секунду.

Радиантный поток зависит от длины волны или частоты электромагнитного излучения. Разные длины волн имеют разную энергию и взаимодействуют с веществом по-разному. Например, видимый свет имеет большую энергию, чем инфракрасное излучение, и может быть виден человеческим глазом. Ультрафиолетовое излучение имеет еще большую энергию, чем видимый свет, и может вызывать солнечные ожоги и рак кожи.

Радиантный поток на единицу длины волны или частоты называется спектральным потоком или спектральной мощностью. Его можно обозначить как Φe(λ) для длины волны или Φe(ν) для частоты. Общий радиантный поток в диапазоне длин волн или частот можно получить, интегрируя спектральный поток:

Где:

• λ — длина волны в метрах (м)

• ν — частота в герцах (Гц)

• λ1 и λ2 — нижний и верхний пределы диапазона длины волны

• ν1 и ν2 — нижний и верхний пределы диапазона частоты

Как измеряется радиантный поток?

Радиантный поток можно измерять с помощью различных типов приборов, называемых радиометрами. Радиометр состоит из детектора, который преобразует электромагнитное излучение в электрический сигнал, и устройства отображения, которое показывает или записывает этот сигнал.

Детектор может основываться на разных принципах, таких как тепловые эффекты (например, термопара), фотоэлектрические эффекты (например, фотодиод) или квантовые эффекты (например, фотомножитель). Детектор также может иметь разные характеристики, такие как чувствительность, ответ, линейность, динамический диапазон, уровень шума, спектральная, угловая реакция и калибровка.

Устройство отображения может быть аналоговым или цифровым и может показывать различные единицы измерения, такие как ватты, вольты, амперы или счетчики. Устройство отображения также может иметь разные функции, такие как разрешение дисплея, точность, точность, стабильность, частота дискретизации и хранение данных.

Некоторые примеры радиометров:

• Пиранометр: измеряет глобальную солнечную радиацию (радиантный поток на единицу площади от солнца и неба) на горизонтальной поверхности

• Пиргелиометр: измеряет прямую солнечную радиацию (радиантный поток на единицу площади только от солнца) на поверхности, нормальной к солнцу

• Пиргеометр: измеряет длинноволновую радиацию (радиантный поток на единицу площади от инфракрасного излучения) на горизонтальной поверхности

• Радиометр: измеряет радиантный поток от любого источника или направления

• Спектрорадиометр: измеряет спектральный поток (радиантный поток на единицу длины волны или частоты) от любого источника или направления

• Фотометр: измеряет световой поток (радиантный поток, взвешенный по чувствительности человеческого глаза) от любого источника или направления.

Как рассчитывается радиантный поток?

Радиантный поток можно рассчитать, используя различные формулы и модели, в зависимости от типа и геометрии источника, среды и приемника. Некоторые из распространенных формул и моделей:

• Закон Планка: рассчитывает спектральный поток черного тела (идеализированного объекта, который поглощает и излучает все длины волн излучения) при заданной температуре

• Закон Стефана-Больцмана: рассчитывает общий радиантный поток черного тела при заданной температуре

• Закон Ламберта: рассчитывает силу света (радиантный поток на единицу твердого угла) ламбертовского источника (идеализированного объекта, который излучает или отражает излучение равномерно во всех направлениях) при заданном угле

• Закон обратных квадратов: рассчитывает освещенность (радиантный поток на единицу площади) точечного источника (идеализированного объекта, который излучает излучение из одной точки) на заданном расстоянии

• Закон Бугера-Ламберта: рассчитывает ослабление (уменьшение) радиантного потока при прохождении через поглощающую среду

• Уравнения Френеля: рассчитывают отражение и пропускание радиантного потока при встрече с границей между двумя средами с разными показателями преломления

• Закон Снелла: рассчитывает преломление (изгиб) радиантного потока при переходе из одной среды в другую с разными показателями преломления

• Рассеяние Рэлея: рассчитывает рассеяние (перенаправление) радиантного потока частицами, меньшими, чем длина волны излучения

• Рассеяние Ми: рассчитывает рассеяние радиантного потока частицами, сравнимыми или большими, чем длина волны излучения

Как радиантный поток связан с другими радиометрическими и фотометрическими величинами?

Радиантный поток является одним из основных радиометрических величин, которые можно использовать для вывода других радиометрических и фотометрических величин. Некоторые из этих величин:

• Радиантная интенсивность: радиантный поток на единицу твердого угла, испускаемый точечным источником в данном направлении. Единица измерения — ватт на стерадиан (Вт/ср).

• Сила света: радиантный поток на единицу твердого угла на единицу проекционной площади, испускаемый поверхностью или объемом в данном направлении. Единица измерения — ватт на стерадиан на квадратный метр (Вт/ср/м²).

• Освещенность или экспозиция: радиантный поток на единицу площади, падающий на поверхность или внутри объема. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м²) или джоуль на квадратный метр (Дж/м²).

• Радиантная выходная мощность или эмиссия: радиантный поток на единицу площади, испускаемый поверхностью или внутри объема. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м²).

• Радиозность: радиантная выходная мощность плюс отраженная освещенность поверхности. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Фотометрические величины похожи на радиометрические, но они взвешены по чувствительности человеческого глаза к различным длинам волн света. Функция взвешивания называется функцией светового потока, и она имеет максимальное значение 683 лм/Вт при 555 нм. Некоторые из фотометрических величин:

• Световой поток: радиантный поток, взвешенный по функции светового потока. Единица измерения — люмен (лм).

• Сила света: световой поток на единицу твердого угла, испускаемый точечным источником в данном направлении. Единица измерения — кандела (кд).

• Яркость: световой поток на единицу твердого угла на единицу проекционной площади, испускаемый поверхностью или объемом в данном направлении. Единица измерения — кандела на квадратный метр (кд/м²).

• Освещенность или экспозиция: световой поток на единицу площади, падающий на поверхность или внутри объема. Единица измерения — люкс (лк) или люмен-секунда на квадратный метр (лм·с/м²).

• Световая выходная мощность или световая эмиссия: световой поток на единицу площади, испускаемый поверхностью или внутри объема. Единица измерения — люкс (лк).

• Светимость: световая выходная мощность плюс отраженная освещенность поверхности. Единица измерения — люкс (лк).

Какие приложения и примеры использования радиантного потока?

Радиантный поток является полезной величиной для многих приложений и примеров, связанных с электромагнитным излучением. Некоторые из них:

• Освещение: радиантный поток можно использовать для измерения и сравнения выходной мощности и эффективности различных типов источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные