Фотометрия
«Фотометрия» — книга Иоганна Генриха Ламберта об измерении света, опубликованная в 1760 году. [1] Он установил полную систему фотометрических величин и принципов; используя их для измерения оптических свойств материалов, количественной оценки аспектов зрения и расчета освещенности.
Содержание фотометрии
[ редактировать ]Название книги, написанное на латыни, представляет собой слово, придуманное Ламбертом из греческого языка : φῶς, φωτος (транслитерация phôs, фотографии) = свет и μετρια (транслитерация метрия) = мера. Слово Ламберта вошло в европейские языки как фотометрия, фотометрия и фотометрия. «Фотометрия» была первой работой, которая точно выявила большинство фундаментальных фотометрических понятий, собрала их в стройную систему фотометрических величин, определила эти величины с точностью, достаточной для математических формулировок, и построила на их основе систему фотометрических принципов. Эти концепции, количества и принципы используются до сих пор.
Ламберт начал с двух простых аксиом: свет распространяется прямолинейно в однородной среде, а пересекающиеся лучи не взаимодействуют. Как и до него Кеплер, он признавал, что «законы» фотометрии являются просто следствиями и следуют непосредственно из этих двух предположений. [2] Таким образом, «Фотометрия» продемонстрировала (а не предполагала), что
- Освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника света:
- Освещенность на поверхности изменяется как косинус угла падения, измеренный от перпендикуляра поверхности, и
- Свет экспоненциально затухает в поглощающей среде.
Кроме того, Ламберт постулировал поверхность, которая излучает свет (либо как источник, либо путем отражения) таким образом, что плотность излучаемого света (сила света) изменяется как косинус угла, измеренного от перпендикуляра к поверхности. В случае отражающей поверхности предполагается, что такая форма излучения имеет место независимо от направления падения света. Такие поверхности теперь называют «совершенно диффузными» или «ламбертовскими». См.: Ламбертовское отражение , Ламбертовский излучатель.
Ламберт продемонстрировал эти принципы единственным доступным в то время способом: изобретая часто изобретательные оптические устройства, которые могли заставить два непосредственно соседних световых поля казаться одинаково яркими (что можно было определить только визуальным наблюдением), когда две физические величины, создающие два поля, были неравны на какую-то конкретную величину (вещи, которые можно было непосредственно измерить, например, угол или расстояние). Таким образом, Ламберт количественно определял чисто визуальные свойства (такие как сила света, освещенность, прозрачность, отражательная способность), связывая их с физическими параметрами (такими как расстояние, угол, сила излучения и цвет). Сегодня это известно как «визуальная фотометрия». Ламберт был одним из первых, кто сопровождал экспериментальные измерения оценками неопределенностей, основанными на теории ошибок и том, что он экспериментально определил как пределы визуальной оценки. [3]
Хотя предыдущие работники [4] [5] имел ярко выраженные фотометрические законы 1 и 3, Ламберт установил второй и добавил понятие идеально диффузных поверхностей. Но что еще более важно, как отметил Андинг в своем немецком переводе « Фотометрии» , «У Ламберта были несравненно более ясные представления о фотометрии». [6] и вместе с ними установил полную систему фотометрических величин. Основываясь на трех законах фотометрии и предположении об идеально диффузных поверхностях, компания Photometria разработала и продемонстрировала следующее:
- 1. Просто заметные различия
- В первом разделе «Фотометрии» Ламберт установил и продемонстрировал законы фотометрии. Он сделал это с помощью визуальной фотометрии и, чтобы установить связанные с этим неопределенности, описал ее приблизительные пределы, определив, насколько мала разница в яркости, которую может определить зрительная система.
Пример визуальной фотометрии от Photometria . Вертикальный экран создает поле EFDC, освещенное одной свечой, и соседнее поле GFDB, освещенное двумя свечами. Расстояния свечей изменяются до тех пор, пока яркость по обе стороны от ФД не станет одинаковой. Относительную силу освещения можно затем определить по расстоянию между свечами.
- В первом разделе «Фотометрии» Ламберт установил и продемонстрировал законы фотометрии. Он сделал это с помощью визуальной фотометрии и, чтобы установить связанные с этим неопределенности, описал ее приблизительные пределы, определив, насколько мала разница в яркости, которую может определить зрительная система.
- 2. Отражение и пропускание стекла и других распространенных материалов.
- Используя визуальную фотометрию, Ламберт представил результаты многих экспериментальных определений зеркального и диффузного отражения, а также коэффициента пропускания оконных стекол и линз. Среди самых гениальных экспериментов, которые он провел, было определение отражательной способности внутренней поверхности оконного стекла.
- 3. Перенос светового излучения между поверхностями.
- Предположив диффузные поверхности и три закона фотометрии, Ламберт использовал исчисление, чтобы найти перенос света между поверхностями различных размеров, форм и ориентаций. Он создал концепцию передачи потока между поверхностями на единицу и в « Фотометрии» показал замкнутую форму для многих двойных, тройных и четверных интегралов, которые дали уравнения для многих различных геометрических расположений поверхностей. Сегодня эти фундаментальные величины называются факторами просмотра , факторами формы или факторами конфигурации и используются в радиационной теплопередаче и в компьютерной графике .
- 4. Яркость и размер зрачка
- Ламберт измерил диаметр своего зрачка, рассматривая его в зеркале. Он измерял изменение диаметра, рассматривая большую или меньшую часть пламени свечи. Это первая известная попытка количественной оценки зрачкового светового рефлекса .
- 5. Атмосферная рефракция и поглощение.
- Используя законы фотометрии и большую часть геометрии, Ламберт рассчитал время и глубину сумерек.
- 6. Астрономическая фотометрия
- Предположив, что планеты имеют диффузно отражающую поверхность, Ламберт попытался определить степень их отражательной способности, учитывая их относительную яркость и известное расстояние от Солнца. Столетие спустя Цёльнер изучил фотометрию и продолжил с того места, на котором остановился Ламберт, и положил начало области астрофизики. [7]
- 7. Демонстрация аддитивного смешения цветов и колориметрии.
- Ламберт был первым, кто зафиксировал результаты аддитивного смешения цветов . [8] Путем одновременного пропускания и отражения от оконного стекла он наложил изображения двух кусочков бумаги разного цвета и отметил полученный аддитивный цвет.
- 8. Расчеты естественного освещения
- Предположив, что небо представляет собой светящийся купол, Ламберт рассчитал освещенность световым люком через окно, а также свет, заслоняемый и переотражаемый стенами и перегородками.
Природа фотометрии
[ редактировать ]Книга Ламберта по своей сути экспериментальна. Сорок экспериментов, описанных в «Фотометрии», были проведены Ламбертом между 1755 и 1760 годами, после того как он решил написать трактат об измерении света. Его интерес к получению экспериментальных данных охватывал несколько областей: оптику, термометрию, пирометрию, гидрометрию и магнетизм. Этот интерес к экспериментальным данным и их анализу, столь очевидный в «Фотометрии» , также присутствует в других статьях и книгах, написанных Ламбертом. [9] Для его работы по оптике хватало крайне ограниченного оборудования: нескольких оконных стекол, выпуклых и вогнутых линз, зеркал, призм, бумаги и картона, пигментов, свечей и средств для измерения расстояний и углов.
Книга Ламберта также является математической. Хотя он знал, что физическая природа света была неизвестна (прошло 150 лет, прежде чем был установлен корпускулярно-волновой дуализм), он был уверен, что взаимодействие света с материалами и его влияние на зрение можно измерить количественно. Математика была для Ламберта не только необходимой для этой количественной оценки, но и бесспорным признаком строгости. Он широко использовал линейную алгебру и исчисление с уверенностью в реальности, что было редкостью в оптических работах того времени. [10] В этом отношении «Фотометрия» определенно нехарактерна для произведений середины XVIII века.
Написание и публикация Photometria
[ редактировать ]Ламберт начал проводить фотометрические эксперименты в 1755 году и к августу 1757 года собрал достаточно материала, чтобы начать писать. [11] Из ссылок в «Фотометрии» и каталога его библиотеки, выставленного на аукционе после его смерти, ясно, что Ламберт консультировался с оптическими работами Исаака Ньютона , Пьера Бугера , Леонарда Эйлера , Христиана Гюйгенса , Роберта Смита и Авраама Готтельфа Кестнера . [12] Он закончил «Фотометрию» в Аугсбурге в феврале 1760 года, и к июню 1760 года книга была доступна в типографии.
Мария Якобина Клетт (1709–1795) была владелицей Eberhard Klett Verlag, одного из самых важных аугсбургских «протестантских издателей». Ламберта Она опубликовала множество технических книг, в том числе «Фотометрию» и 10 других его работ. Клетт использовал Кристофа Питера Детлеффсена (1731–1774) для печати «Фотометрии» . Его первый и единственный тираж был небольшим, и в течение 10 лет экземпляры было трудно достать. В Джозефа Пристли обзоре оптики 1772 года «Фотометрия Ламберта» фигурирует в списке еще не приобретенных книг. Пристли конкретно ссылается на фотометрию ; что это важная книга, но ее нельзя достать. [13]
Сокращенный немецкий перевод «Фотометрии» появился в 1892 году. [6] французский перевод в 1997 году, [14] и английский перевод в 2000 году. [15]
Позднее влияние
[ редактировать ]Фотометрия представила значительные достижения, и, возможно, именно поэтому ее появление было встречено всеобщим равнодушием. Центральным оптическим вопросом середины XVIII века был: какова природа света? Работа Ламберта вообще не имела отношения к этой проблеме, поэтому «Фотометрия» не получила немедленной систематической оценки и не была включена в основное русло оптической науки. Первая оценка фотометрии появилась в 1776 году в Георга Симона Клюгеля обзора оптики Пристли 1772 года. немецком переводе [16] Тщательная переработка и аннотации появились в 1777 году. [17]
Фотометрия не подвергалась серьезной оценке и не использовалась до тех пор, пока почти столетие после ее публикации не потребовалось фотометрии для астрономической науки и торговли газовым освещением . [18] Пятьдесят лет спустя компания Illuminating Engineering взяла результаты Ламберта за основу для расчетов освещения, которые сопровождали огромное распространение освещения в начале 20 века. [19] Пятьдесят лет спустя компьютерная графика взяла результаты Ламберта за основу для расчетов излучательности, необходимых для создания архитектурных визуализаций. «Фотометрия» оказала значительное, хотя и запоздалое влияние на технологию и торговлю, когда промышленная революция уже была в самом разгаре, и это причина того, что она была одной из книг, перечисленных в книге «Печать и разум человека» .
См. также
[ редактировать ]- Закон Бера–Ламберта (закон Ламберта–Бера, закон Бера–Ламберта–Бугера)
- Ламберт (единица измерения)
- Косинусный закон Ламберта
- Ламбертовское отражение
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ламберт, Иоганн Генрих, Фотометрия, или об измерении и степени света, цвета и тени , Аугсбург: Эберхард Клетт, 1760.
- ^ Мах, Э., Принципы физической оптики: историческое и философское рассмотрение , пер. Дж. С. Андерсон и А. Ф. Янг, Даттон, Нью-Йорк, 1926 год.
- ^ Шейнин, О. Б., «Работа Дж. Х. Ламберта о вероятности», Архив истории точных наук, том. 7, 1971, стр. 244–256.
- ^ Гал О. и Чен-Моррис Р., «Археология закона обратных квадратов», History Science , Том 43, декабрь 2005 г., стр. 391–414.
- ^ Ариотти, П.Е. и Марколонго, Ф.Дж., «Закон освещения до Бугера (1720 г.)», Annals of Science , Vol. 33, № 4, стр. 331–340.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Андинг Э. Фотометрия Ламберта . 31, 32, 33 классики точных наук Оствальда , Энгельман, Лейпциг, 1892.
- ^ Цёлльнер, JCF, Фотометрические исследования с особым учетом физического состояния небесных тел, Лейпциг, 1865.
- ^ Руд О.Н., Современная хроматика , Эпплтон, Нью-Йорк, 1879, стр. 109–139.
- ^ Ламберт, Дж. Х., Пирометрия или по мере огня и тепла , Берлин, 1779 г.
- ^ Бухвальд, Дж. З., Расцвет волновой теории света , Чикаго, 1989, стр. 3
- ^ Бопп, К., «Ежемесячная книга Иоганна Генриха Ламберта», Трактаты Королевской Баварской академии наук, Математико-физический класс, XXVII. Том 6. Мюнхен, 1916 год.
- ^ Список книг и инструментов покойного Роял. Обер-Баурат и профессор г-н Генрих Ламберт остались позади, и их предстоит продать тому, кто предложит самую высокую цену. Берлин, 1778 год .
- ^ Пристли, Дж., История и современное состояние открытий, касающихся видения, света и цветов , Лондон, 1772 г.
- ^ Бой, Дж., Дж. Кути и М. Сайяр, Фотометрия или измерение и градация света, цвета и тени , L'Harmattan, Париж, 1997.
- ^ ДиЛаура, Д.Л. , Фотометрия, или О мере и градациях света, цвета и тени , Перевод с латыни Дэвида Л. ДиЛауры. Нью-Йорк, Общество светотехники, 2001.
- ^ Клюгель, Г.С., История и современное состояние оптики под редакцией английского Priestelys , Лейпциг, 1776, стр. 312–327.
- ^ Карстен, WJG, концепция преподавания всей математики; Часть восьмая, Фотометрия, Грайфсвальд, 1777 г.
- ^ ДиЛаура, Д.Л., «Мера света: история промышленной фотометрии до 1909 года», LEUKOS , январь 2005 г., том 1, № 3, стр. 75–149.
- ^ Ямаути, З., «Дальнейшее исследование геометрического расчета освещенности, обусловленной светом от светящихся поверхностных источников простой формы», Исследования электротехнической лаборатории , № 194, Токио, 1927, н. 1, с. 3.
Внешние ссылки
[ редактировать ]