Fotometria

Photometria to książka o pomiarach światła autorstwa Johanna Heinricha Lamberta, opublikowana w 1760 r. Ustanowiła kompletny system wielkości i zasad fotometrycznych; używając ich do pomiaru właściwości optycznych materiałów, ilościowego określania aspektów widzenia i obliczania oświetlenia.

Fotometrii Lamberta

Zawartość Fotometrii

Napisany po łacinie tytuł książki to słowo Lambert wymyślone z greckiego: φῶς, φωτος (transliteracja phôs, zdjęcia) = światło, a μετρια (transliteracja metria) = miara. Słowo Lamberta trafiło do języków europejskich jako fotometria, fotometria i fotometria. Fotometria była pierwszą pracą, która dokładnie zidentyfikowała najbardziej podstawowe pojęcia fotometryczne, zebrała je w spójny system wielkości fotometrycznych, zdefiniowała te wielkości z precyzją wystarczającą do sformułowań matematycznych i zbudowała z nich system zasad fotometrycznych. Te koncepcje, ilości i zasady są nadal w użyciu.

Lambert zaczął od dwóch prostych aksjomatów: światło porusza się po linii prostej w jednolitym ośrodku, a przecinające się promienie nie oddziałują. Podobnie jak wcześniej Kepler, uznał, że „prawa” fotometrii są po prostu konsekwencjami i wynikają bezpośrednio z tych dwóch założeń. W ten sposób Photometria to wykazała (a nie zakładała).

  1. Natężenie oświetlenia zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od punktowego źródła światła,
  2. Natężenie oświetlenia na powierzchni zmienia się jako cosinus kąta padania mierzonego od powierzchni prostopadle i
  3. Światło rozpada się wykładniczo w ośrodku pochłaniającym.

Ponadto Lambert postulował powierzchnię, która emituje światło (jako źródło lub przez odbicie) w taki sposób, że gęstość emitowanego światła (natężenie światła) zmienia się wraz z cosinusem kąta mierzonego od powierzchni prostopadłej. W przypadku powierzchni odbijającej przyjmuje się, że taka forma emisji zachodzi niezależnie od kierunku padania światła. Takie powierzchnie są obecnie określane jako „idealnie rozproszone” lub „lambertowskie”. Zobacz: Odbicie Lamberta , Emiter Lamberta

Lambert zademonstrował te zasady w jedyny dostępny w tamtym czasie sposób: wymyślając często pomysłowe układy optyczne, które mogły sprawić, że dwa bezpośrednio sąsiadujące pola świetlne wydawały się równie jasne (coś, co można było określić tylko poprzez obserwację wzrokową), gdy dwie wielkości fizyczne, które wytworzyły dwa pola były nierówne o określoną wielkość (rzeczy, które można bezpośrednio zmierzyć, takie jak kąt lub odległość). W ten sposób Lambert określił ilościowo właściwości czysto wizualne (takie jak moc świetlna, oświetlenie, przezroczystość, współczynnik odbicia), odnosząc je do parametrów fizycznych (takich jak odległość, kąt, moc promieniowania i kolor). Dziś nazywa się to „fotometrią wizualną”. Lambert jako jeden z pierwszych dołączył do pomiarów eksperymentalnych oszacowania niepewności oparte na teorii błędów i tym, co eksperymentalnie określił jako granice oceny wizualnej.

Chociaż poprzedni pracownicy wymawiali prawa fotometryczne 1 i 3, Lambert ustanowił drugie i dodał koncepcję powierzchni doskonale rozproszonych. Ale co ważniejsze, jak zauważył Anding w swoim niemieckim tłumaczeniu Photometria , „Lambert miał nieporównywalnie jaśniejsze poglądy na temat fotometrii” i wraz z nimi ustanowił kompletny system wielkości fotometrycznych. Opierając się na trzech prawach fotometrii i założeniu doskonale rozproszonych powierzchni, Photometria opracowała i zademonstrowała, co następuje:

1. Tylko zauważalne różnice
W pierwszej części Fotometrii Lambert ustalił i zademonstrował prawa fotometrii. Zrobił to za pomocą fotometrii wizualnej i aby ustalić związane z tym niepewności, opisał jej przybliżone granice, określając, jak małą różnicę jasności może określić układ wzrokowy.
Przykład fotometrii wizualnej z Fotometrii . Pionowy ekran wytwarza pole EFDC oświetlone przez pojedynczą świecę i sąsiednie pole GFDB oświetlone przez dwie świece. Odległości świec są zmieniane, aż jasność po obu stronach FD będzie taka sama. Względną moc świetlną można następnie określić na podstawie odległości świec.
2. Współczynnik odbicia i transmitancja szkła i innych popularnych materiałów
Za pomocą fotometrii wizualnej Lambert przedstawił wyniki wielu eksperymentalnych oznaczeń współczynnika odbicia zwierciadlanego i rozproszonego, a także transmitancji tafli szkła i soczewek. Jednym z najbardziej pomysłowych eksperymentów, które przeprowadził, było określenie współczynnika odbicia wewnętrznej powierzchni tafli szkła.
3. Przenoszenie promieniowania świetlnego między powierzchniami
Zakładając rozproszone powierzchnie i trzy prawa fotometrii, Lambert użył rachunku różniczkowego, aby znaleźć transfer światła między powierzchniami o różnych rozmiarach, kształtach i orientacjach. Zapoczątkował koncepcję jednostkowego przenoszenia strumienia między powierzchniami, aw Fotometrii pokazał zamkniętą postać wielu całek podwójnych, potrójnych i poczwórnych, co dało równania dla wielu różnych geometrycznych układów powierzchni. Obecnie te podstawowe wielkości nazywane są Współczynnikami Widoku , Współczynnikami Kształtu lub Współczynnikami Konfiguracji i są wykorzystywane w radiacyjnej wymianie ciepła oraz w grafice komputerowej .
4. Jasność i rozmiar źrenicy
Lambert zmierzył średnicę własnej źrenicy, oglądając ją w lustrze. Zmierzył zmianę średnicy, obserwując większą lub mniejszą część płomienia świecy. Jest to pierwsza znana próba ilościowego określenia odruchu źrenicy na światło .
5. Refrakcja i absorpcja w atmosferze
Korzystając z praw fotometrii i dużej części geometrii, Lambert obliczył czas i głębokość zmierzchu.
6. Fotometria astronomiczna
Zakładając, że planety mają rozproszone powierzchnie odbijające, Lambert próbował określić wielkość ich współczynnika odbicia, biorąc pod uwagę ich względną jasność i znaną odległość od Słońca. Sto lat później Zöllner studiował fotometrię i podjął tam, gdzie przerwał Lambert, i zapoczątkował dziedzinę astrofizyki.
7. Demonstracja addytywnego mieszania kolorów i kolorymetrii
Lambert jako pierwszy zarejestrował wyniki addytywnego mieszania kolorów . Poprzez jednoczesną transmisję i odbicie od tafli szkła nałożył na siebie obrazy dwóch różnokolorowych plam papieru i zanotował wynikowy addytywny kolor.
8. Obliczenia światła dziennego
Zakładając, że niebo jest świetlistą kopułą, Lambert obliczył oświetlenie świetlikiem przez okno oraz światło przesłonięte i odbite przez ściany i ścianki działowe.

Natura fotometrii

Książka Lamberta jest zasadniczo eksperymentalna. Czterdzieści eksperymentów opisanych w Fotometrii przeprowadził Lambert w latach 1755-1760, po tym jak zdecydował się napisać traktat o pomiarze światła. Jego zainteresowanie pozyskiwaniem danych eksperymentalnych obejmowało kilka dziedzin: optykę, termometrię, pirometrię, hydrometrię i magnetykę. To zainteresowanie danymi eksperymentalnymi i ich analizą, tak widoczne w Photometrii , jest również obecny w innych artykułach i książkach wyprodukowanych przez Lamberta. Do pracy z optyką wystarczał mu bardzo ograniczony sprzęt: kilka tafli szkła, soczewki wypukłe i wklęsłe, lustra, pryzmaty, papier i tektura, pigmenty, świece, środki do pomiaru odległości i kątów.

Książka Lamberta jest również matematyczna. Chociaż wiedział, że fizyczna natura światła jest nieznana (minęło 150 lat, zanim ustalono dualność falowo-cząsteczkowa), był pewien, że oddziaływanie światła z materiałami i jego wpływ na widzenie można określić ilościowo. Matematyka była dla Lamberta nie tylko niezbędna do tego kwantyfikacji, ale także niekwestionowanym znakiem rygoru. Używał szeroko algebry liniowej i rachunku różniczkowego z rzeczową pewnością, co było rzadkością w ówczesnych pracach optycznych. Na tej podstawie Fotometria jest z pewnością nietypowa dla dzieł z połowy XVIII wieku.

Pisanie i publikowanie Photometria

Lambert zaczął przeprowadzać eksperymenty fotometryczne w 1755 roku i do sierpnia 1757 miał wystarczająco dużo materiału, aby rozpocząć pisanie. Z wzmianek w Photometrii i katalogu jego biblioteki wystawionych na aukcję po jego śmierci jasno wynika, że ​​Lambert konsultował się z dziełami optycznymi Newtona, Bouguera, Eulera, Huygensa, Smitha i Kästnera. Ukończył Fotometrię w Augsburgu w lutym 1760 r., a drukarz dysponował książką do czerwca 1760 r.

Maria Jakobina Klett (1709–1795) była właścicielką Eberhard Klett Verlag, jednego z najważniejszych augsburskich „wydawców protestanckich”. Opublikowała wiele książek technicznych, w tym Photometrię Lamberta i 10 innych jego prac. Klett wykorzystał Christopha Petera Detleffsena (1731–1774) do wydrukowania Photometrii . Jego pierwszy i jedyny druk był niewielki, aw ciągu 10 lat trudno było uzyskać egzemplarze. W przeglądzie optyki Josepha Priestleya z 1772 r. „Lambert's Photometrie” pojawia się na liście książek, które nie zostały jeszcze zakupione. Priestley czyni szczególne odniesienie do Photometrii ; że to ważna książka, ale nie do zdobycia.

Skrócone niemieckie tłumaczenie Photometrii ukazało się w 1892 r., Francuskie w 1997 r., A angielskie w 2000 r.

Późniejszy wpływ

Photometria dokonała znacznego postępu i być może właśnie z tego powodu jej pojawienie się zostało przyjęte z powszechną obojętnością. Głównym pytaniem optycznym w połowie XVIII wieku było: jaka jest natura światła? Praca Lamberta w ogóle nie była związana z tym zagadnieniem, dlatego Photometria nie otrzymała natychmiastowej systematycznej oceny i nie została włączona do głównego nurtu optyki. Pierwsza ocena Photometrii pojawiła się w 1776 roku w niemieckim tłumaczeniu Georga Klügela przeglądu optyki Priestleya z 1772 roku. Skomplikowane przeróbki i adnotacje pojawiły się w 1777 roku. Fotometria została poważnie oceniona i wykorzystana dopiero prawie sto lat po jej opublikowaniu, kiedy nauka astronomii i handel oświetleniem gazowym potrzebowały fotometrii. Pięćdziesiąt lat później Illuminating Engineering wykorzystało wyniki Lamberta jako podstawę do obliczeń oświetlenia, które towarzyszyły ogromnemu rozpowszechnieniu oświetlenia na początku XX wieku. Pięćdziesiąt lat później grafika komputerowa wykorzystała wyniki Lamberta jako podstawę do obliczeń radiosity wymaganych do stworzenia renderingów architektonicznych. Fotometria miał znaczący, choć długo opóźniony wpływ na technologię i handel, gdy rewolucja przemysłowa była już w toku, i jest powodem, dla którego była jedną z książek wymienionych w Printing and the Mind of Man .

Zobacz też

  1. ^ Lambert, Johann Heinrich, Photometria, sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae , Augsburg: Eberhard Klett, 1760.
  2. ^ Mach, E., Zasady optyki fizycznej: traktowanie historyczne i filozoficzne , przeł. JS Anderson i AFA Young, Dutton, Nowy Jork, 1926.
  3. ^ Sheynin, OB, „Praca JH Lamberta nad prawdopodobieństwem”, Archiwum Historii Nauk Ścisłych, tom. 7, 1971, s. 244–256.
  4. ^ Gal, O. i Chen-Morris, R., „The Archeology of the Inverse Square Law”, History Science , tom 43, grudzień 2005, s. 391–414.
  5. ^ Ariotti, PE i Marcolongo, FJ, „Prawo oświetlenia przed Bouguerem (1720)”, Annals of Science , tom. 33, nr 4, s. 331–340.
  6. ^ a b Anding, E., Photometrie Lamberta , nr 31, 32, 33 Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften , Engelmann, Leipzig, 1892.
  7. ^ Zöllner, JCF, Photometrische Untersuchungen mit Besonderer Rücksicht auf die Physische Beschaffenheit der Himmelskörper, Lipsk, 1865.
  8. ^ Rood ON, Modern Chromatics , Appleton, Nowy Jork, 1879, s. 109–139.
  9. ^ Lambert, JH, Pyrometrie oder vom Maaße des Feuers und der Wärme , Berlin, 1779.
  10. ^ Buchwald, JZ, The Rise of the Wave Theory of Light , Chicago, 1989, s. 3
  11. Bibliografia _ Zespół 6. Monachium, 1916.
  12. ^ Verzeichniß der Bücher und Instrumente, welche der verstorbene Königl. Ober-Baurath und Professor Herr Heinrich Lambert hinterlassen hat, und die den Meistbiethenden sollen verkauft werden. Berlin, 1778 .
  13. ^ Priestly, J., Historia i obecny stan odkryć związanych z wizją, światłem i kolorami , Londyn, 1772
  14. ^ Boye, J., J. Couty i M. Saillard, Photométrie ou de la Mesure et de la Gradation de la lumière, des couleurs et de l'Ombre , L'Harmattan, Paryż, 1997.
  15. ^ DiLaura, DL , Fotometria lub O mierze i gradacjach światła, kolorów i cienia , przetłumaczone z łaciny przez Davida L. DiLaurę. Nowy Jork, Illuminating Engineering Society, 2001.
  16. Bibliografia zewnętrzne _ Linki
  17. ^ Karsten, WJG, Lehrbegrif der gesamten Mathematic; Der Achte Theil, Die Photometrie, Greifswald, 1777.
  18. ^ DiLaura, DL, „Miara światła: historia fotometrii przemysłowej do 1909 r.”, LEUKOS , styczeń 2005, tom 1, nr 3, s. 75–149.
  19. Bibliografia _ _ _ 1, str. 3.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photometria&oldid=1100407137 ”