Valonlähde

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 1. huhtikuuta 2021 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Valonlähde - mikä tahansa esine, joka lähettää sähkömagneettista energiaa spektrin näkyvällä alueella [1] . Luonteeltaan ne jaetaan keinotekoisiin ja luonnollisiin .

Huygens-Fresnelin periaatteen mukaan aallon etenemismekanismin mukaan valonlähteet jaetaan primaarisiin (keinotekoiset ja luonnolliset) ja toissijaisiin (heijastettuihin).

Fysiikassa ne idealisoidaan piste- ja jatkuvien valonlähteiden mallien avulla.

Valon syntyminen

Tiedetään hyvin, että tiettyihin lämpötiloihin kuumennettaessa aineet alkavat säteillä valoa: olipa kyseessä sitten hehkulampun volframikarva tai taivaankappaleemme , jonka pintalämpötila on noin kuusituhatta celsiusastetta [2] .

Tutkijat ovat havainneet, että atomien energia on diskreetti ja muutokset tietyissä hyppyissä ovat ominaisia jokaiselle atomille. Näitä vakiintuneita mahdollisia atomien energioiden arvoja kutsutaan energia- tai kvanttitasoiksi . Elektronit, jotka ovat yhdellä korkeammista energiatasoista, siirtyvät spontaanisti alemmille noin 10–8 sekunnin kuluttua. Tässä tapauksessa spontaani siirtyminen alemmasta tilasta toiseen on mahdotonta. Tätä tasoa kutsutaan perustasoksi , kun taas loput kutsutaan jännittyneeksi . Normaaleissa olosuhteissa kaikki atomit ovat perusenergiatilassaan. Atomin virittämiseksi sille on annettava energiaa, ja jokaiselle atomille on tietty pienin osa energiaa, joka siirtyy perustilasta virittyneeseen (vedylle tämä arvo on 10,1 eV - tämä on etäisyys sen ensimmäisen ja toisen energiatason välillä ).

Siirtymisen aikana korkeammista tiloista alempiin, osa energiasta emittoituu - fotoni . Planckin kaavan mukaan säteilevä energia lasketaan seuraavasti:

E=h \nu_{nm}

missä h on Planckin vakio ja ν nm on fotonitaajuus siirtymisen aikana tasolta n tasolle m (n>m), joka voidaan laskea näiden tasojen energioina: $\nu_{nm}=\frac{E_n-E_m}{h}$

Kun kehon lämpötila nousee, säteilyä täydennetään yhä korkeammilla taajuuksilla. Siten useisiin tuhansiin asteisiin kuumennetun kehon säteily edustaa jatkuvaa spektriä : infrapunasta ultraviolettisäteilyyn .

Valon voimakkuus

Kaikille valonlähteille on ominaista sen intensiteetti - Poynting-vektorin aikakeskiarvo :

I=\langle |{\vec {S}}|\rangle =\langle |[{\vec {E}}\times {\vec {H}}]|\rangle

Siten intensiteetti on verrannollinen sähkömagneettisen kentän värähtelyjen amplitudin neliöön :

$I \sim E_0^2 \sim B_0^2$

Sähkökentän voimakkuuden arvon kautta se voidaan ilmaista seuraavasti:

I=\frac{\varepsilon_0 c \sqrt{\varepsilon \mu} E_0^2}{2}

missä on dielektrisyysvakio , on sähködynaaminen vakio ( valon nopeus tyhjiössä), on väliaineen taitekerroin , on aineen magneettinen läpäisevyys, on aineen dielektrisyysvakio . $\varepsilon_{0}$ $c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$ $\sqrt{\varepsilon \mu}$ $\mu$ $\varepsilon$

Poynting -vektorin aikakeskiarvoisen arvon käsitettä käyttäen ymmärretään yleensä, että keskiarvolaskenta suoritetaan joko äärettömän ajanjakson aikana tai ajanjaksolla, joka ylittää merkittävästi sähkökentän voimakkuuden ominaismuutosajan . Kuitenkin intensiteettiä tallennettaessa keskiarvostusaika määräytyy valotunnistimen integrointiajan ja signaalin kertymistilassa toimivien laitteiden (kamerat, filmit jne.) valotusajan mukaan. Siksi optisella alueella olevat säteilyvastaanottimet reagoivat energiavuon keskiarvoon vain tietyllä aikavälillä. Eli valotunnistimen signaali on verrannollinen:

${\frac {\mathrm {c} }{4\pi }}\langle E^{2}\rangle _{\tau }$

Koska useimmissa fysikaalisen optiikan tapauksissa esimerkiksi valon interferenssiin ja diffraktioon liittyvissä ongelmissa tutkitaan pääasiassa maksimien ja minimien avaruudellista sijaintia ja niiden suhteellista intensiteettiä, ei useinkaan tutkita vakiotekijöitä, jotka eivät riipu tilakoordinaateista. otettu huomioon. Tästä syystä usein oletetaan:

${\displaystyle \mathbf {} I=\langle E^{2}\rangle _{\tau ))$

Valonlähteiden simulointi virtuaalitiloissa

Reaaliaikaisissa tietokonegrafiikkasovelluksissa , kuten tietokonepeleissä , on kolme päätyyppiä valonlähteitä [3] :

Kohdevalolähteet
Äärettömän kaukana olevat (suuntaavat) valonlähteet
Valonheittimet

Ne kuvaavat vain karkeasti fyysisen maailman vastineitaan, mutta yhdessä korkealaatuisten varjostusmallien , kuten Phong-varjostuksen , kanssa ne mahdollistavat melko realististen kuvien luomisen.

Muistiinpanot

↑ Photokinotechnics, 1981 , s. 109.
↑ G.S. Landsberg. Fysiikan perusoppikirja. Volume 3. Värähtelyt ja aallot. Optiikka. Atomi- ja ydinfysiikka. - 12. painos - M .: Fizmatlit, 2001. - 656 s. — ISBN 5-9221-0138-2 .
↑ D. Rogers. Tietokonegrafiikan algoritmiset perusteet = Proseduurielementit tietokonegrafiikkaan. - per. englannista - M . : Mir, 1989. - ISBN 5-03-000476-9 , 0-07-053534-5 (englanniksi) .

Kirjallisuus