Photometrie -Photometria

Photometria ist ein1760 erschienenesBuch über die Lichtmessung von Johann Heinrich Lambert . mit ihnen die optischen Eigenschaften von Materialien zu messen, Aspekte des Sehens zu quantifizieren und die Beleuchtung zu berechnen.

Titelseite von Lamberts Photometria

Inhalt der Photometrie

Der lateinische Titel des Buches ist ein aus dem Griechischen abgeleitetes Wort Lamberts: φῶς, φωτος (transliterierte phôs, Fotos) = Licht und μετρια (transliterierte Metria) = Maß. Lamberts Wort hat als Photometrie, Photometrie, Photometria Eingang in die europäischen Sprachen gefunden. Photometria war die erste Arbeit, die die grundlegendsten photometrischen Konzepte genau identifizierte, sie zu einem kohärenten System photometrischer Größen zusammenfügte, diese Größen mit einer für mathematische Aussagen ausreichenden Genauigkeit definierte und daraus ein System photometrischer Prinzipien baute. Diese Konzepte, Mengen und Prinzipien werden auch heute noch verwendet.

Lambert begann mit zwei einfachen Axiomen: Licht breitet sich in einem einheitlichen Medium geradlinig aus und Strahlen, die sich kreuzen, interagieren nicht. Wie Kepler vor ihm erkannte er, dass "Gesetze" der Photometrie einfach Konsequenzen sind und sich direkt aus diesen beiden Annahmen ergeben. Auf diese Weise hat Photometria (anstatt angenommen) gezeigt, dass

  1. Die Beleuchtungsstärke ändert sich umgekehrt zum Quadrat der Entfernung von einer Punktlichtquelle,
  2. Die Beleuchtungsstärke auf einer Oberfläche variiert als Kosinus des Einfallswinkels gemessen von der Oberflächensenkrechten und
  3. Licht zerfällt exponentiell in einem absorbierenden Medium.

Darüber hinaus postulierte Lambert eine Oberfläche, die Licht (entweder als Quelle oder durch Reflexion) so emittiert, dass die Dichte des emittierten Lichts (Lichtstärke) als Kosinus des Winkels gemessen von der Oberflächensenkrechten variiert. Bei einer reflektierenden Oberfläche wird diese Abstrahlungsform unabhängig von der Einfallsrichtung des Lichts angenommen. Solche Oberflächen werden heute als "Perfectly Diffuse" oder "Lambertian" bezeichnet. Siehe: Lambertsche Reflexion , Lambertsche Emitter

Lambert demonstrierte diese Prinzipien auf die damals einzig verfügbare Weise: Durch oft ausgeklügelte optische Anordnungen, die zwei unmittelbar benachbarte Leuchtfelder gleich hell erscheinen ließen (was nur durch visuelle Beobachtung festgestellt werden konnte), wenn zwei physikalische Größen, die die beiden erzeugten, Felder waren um einen bestimmten Betrag ungleich (Dinge, die direkt gemessen werden konnten, wie Winkel oder Entfernung). Auf diese Weise quantifizierte Lambert rein visuelle Eigenschaften (wie Lichtleistung, Beleuchtung, Transparenz, Reflektivität) in Bezug auf physikalische Parameter (wie Entfernung, Winkel, Strahlungsleistung und Farbe). Heute ist dies als "visuelle Photometrie" bekannt. Lambert war einer der ersten, der experimentelle Messungen mit Schätzungen von Unsicherheiten auf der Grundlage einer Fehlertheorie und den von ihm experimentell ermittelten Grenzen der visuellen Beurteilung begleitete.

Obwohl frühere Arbeiter die photometrischen Gesetze 1 und 3 ausgesprochen hatten, etablierte Lambert das zweite und fügte das Konzept der perfekt diffusen Oberflächen hinzu. Aber noch wichtiger, wie Anding in seiner deutschen Übersetzung von Photometria betonte , "hatte Lambert unvergleichlich klarere Vorstellungen von der Photometrie" und etablierte damit ein vollständiges System photometrischer Größen. Basierend auf den drei Gesetzen der Photometrie und der Annahme perfekt diffuser Oberflächen entwickelte und demonstrierte Photometria Folgendes:

1. Nur spürbare Unterschiede
Im ersten Abschnitt von Photometria hat Lambert die Gesetze der Photometrie aufgestellt und demonstriert. Er tat dies mit visueller Photometrie und um die damit verbundenen Unsicherheiten zu ermitteln, beschrieb er deren ungefähre Grenzen, indem er feststellte, wie klein ein Helligkeitsunterschied das visuelle System bestimmen konnte.
Ein Beispiel für visuelle Photometrie von Photometria . Der vertikale Bildschirm erzeugt ein Feld EFDC, das von der einzelnen Kerze beleuchtet wird, und ein benachbartes Feld GFDB, das von zwei Kerzen beleuchtet wird. Die Kerzenabstände werden geändert, bis die Helligkeit auf beiden Seiten von FD gleich ist. Aus den Kerzenabständen kann dann die relative Leuchtkraft bestimmt werden.
2. Reflexion und Transmission von Glas und anderen gängigen Materialien and
Mit Hilfe der visuellen Photometrie präsentierte Lambert die Ergebnisse vieler experimenteller Bestimmungen der spiegelnden und diffusen Reflexion sowie der Transmission von Glasscheiben und Linsen. Zu den genialsten Experimenten, die er durchführte, gehörte die Bestimmung des Reflexionsvermögens der Innenfläche einer Glasscheibe.
3. Lichtstrahlenübertragung zwischen Oberflächen
Unter der Annahme von diffusen Oberflächen und den drei Gesetzen der Photometrie verwendete Lambert die Infinitesimalrechnung, um die Übertragung von Licht zwischen Oberflächen unterschiedlicher Größe, Form und Ausrichtung zu finden. Er entwickelte das Konzept des Flusstransfers pro Einheit zwischen Oberflächen und zeigte in der Photometrie die geschlossene Form für viele Doppel-, Dreifach- und Vierfachintegrale, die die Gleichungen für viele verschiedene geometrische Anordnungen von Oberflächen ergaben. Heute werden diese fundamentalen Größen View Factors , Shape Factors oder Configuration Factors genannt und werden in der Strahlungswärmeübertragung und in der Computergrafik verwendet .
4. Helligkeit und Pupillengröße
Lambert maß seinen eigenen Pupillendurchmesser, indem er ihn in einem Spiegel betrachtete. Er maß die Durchmesseränderung, während er einen größeren oder kleineren Teil einer Kerzenflamme betrachtete. Dies ist der erste bekannte Versuch, den Pupillenlichtreflex zu quantifizieren .
5. Atmosphärische Brechung und Absorption
Mit den Gesetzen der Photometrie und viel Geometrie berechnete Lambert die Zeiten und Tiefen der Dämmerung.
6. Astronomische Photometrie
Unter der Annahme, dass die Planeten diffus reflektierende Oberflächen hätten, versuchte Lambert, den Betrag ihres Reflexionsvermögens unter Berücksichtigung ihrer relativen Helligkeit und der bekannten Entfernung von der Sonne zu bestimmen. Ein Jahrhundert später studierte Zöllner Photometrie und machte dort weiter, wo Lambert aufgehört hatte, und begründete die Astrophysik.
7. Demonstration der additiven Farbmischung und Farbmetrik
Lambert hat als erster die Ergebnisse der additiven Farbmischung erfasst . Durch gleichzeitige Transmission und Reflexion an einer Glasscheibe überlagerte er die Bilder zweier verschiedenfarbiger Papierfelder und notierte die resultierende additive Farbe.
8. Tageslichtberechnungen
Angenommen, der Himmel sei eine leuchtende Kuppel, berechnete Lambert die Beleuchtung durch Oberlicht durch ein Fenster und das von Wänden und Trennwänden verdeckte und reflektierte Licht.

Art der Photometrie

Lamberts Buch ist grundsätzlich experimentell. Die vierzig in Photometria beschriebenen Experimente wurden von Lambert zwischen 1755 und 1760 durchgeführt, nachdem er beschlossen hatte, eine Abhandlung über die Lichtmessung zu schreiben. Sein Interesse an der Gewinnung experimenteller Daten erstreckte sich über mehrere Bereiche: Optik, Thermometrie, Pyrometrie, Hydrometrie und Magnetik. Dieses Interesse an experimentellen Daten und deren Analyse, das in Photometria so offensichtlich ist , findet sich auch in anderen Artikeln und Büchern, die Lambert herausgab. Für seine optische Arbeit genügte eine äußerst begrenzte Ausrüstung: wenige Glasscheiben, konvexe und konkave Linsen, Spiegel, Prismen, Papier und Pappe, Pigmente, Kerzen und Mittel zur Entfernungs- und Winkelmessung.

Auch Lamberts Buch ist mathematisch. Obwohl er wusste, dass die physikalische Natur des Lichts unbekannt war (es würde 150 Jahre dauern, bis die Welle-Teilchen-Dualität etabliert wurde), war er sich sicher, dass die Wechselwirkung von Licht mit Materialien und seine Wirkung auf das Sehvermögen quantifiziert werden konnten. Die Mathematik war für Lambert nicht nur für diese Quantifizierung unverzichtbar, sondern auch das unbestreitbare Zeichen der Strenge. Er benutzte die lineare Algebra und die Infinitesimalrechnung ausgiebig mit einer Selbstsicherheit, die in optischen Werken dieser Zeit ungewöhnlich war. Auf dieser Grundlage ist Photometria sicherlich untypisch für Werke aus der Mitte des 18. Jahrhunderts.

Schreiben und Veröffentlichen von Photometria

Lambert begann 1755 mit der Durchführung photometrischer Experimente und hatte im August 1757 genug Material, um mit dem Schreiben zu beginnen. Aus den Referenzen in Photometria und dem nach seinem Tod versteigerten Katalog seiner Bibliothek geht hervor, dass Lambert die optischen Werke von Newton, Bouguer, Euler, Huygens, Smith und Kästner zu Rate gezogen hat. Er beendete Photometria in Augsburg im Februar 1760 und der Drucker hatte das Buch bis Juni 1760 verfügbar.

Maria Jakobina Klett (1709–1795) war Inhaberin des Eberhard Klett Verlags, einem der bedeutendsten Augsburger „evangelischen Verlage“. Sie veröffentlichte viele Fachbücher, darunter Lamberts Photometria und 10 seiner anderen Werke. Klett verwendete Christoph Peter Detleffsen (1731–1774), um Photometria zu drucken . Sein erster und einziger Druck war offensichtlich klein, und innerhalb von 10 Jahren waren Kopien schwer zu bekommen. In Joseph Priestleys Übersicht über die Optik von 1772 taucht „Lambert's Photometrie“ in der Liste der noch nicht beschafften Bücher auf. Priestley bezieht sich speziell auf Photometria ; dass es ein wichtiges Buch war, aber nicht zu beschaffen.

Eine gekürzte deutsche Übersetzung von Photometria erschien 1892, eine französische Übersetzung 1997 und eine englische Übersetzung im Jahr 2000.

Späterer Einfluss

Photometria hat bedeutende Fortschritte gemacht, und vielleicht wurde ihr Erscheinen gerade deshalb mit allgemeiner Gleichgültigkeit aufgenommen. Die zentrale optische Frage in der Mitte des 18. Jahrhunderts lautete: Was ist das Wesen des Lichts? Lamberts Arbeit war mit diesem Thema überhaupt nicht verbunden und so erhielt Photometria keine sofortige systematische Bewertung und wurde nicht in den Mainstream der optischen Wissenschaft aufgenommen. Die erste Bewertung der Photometria erschien 1776 in Georg Klügels deutscher Übersetzung von Priestleys 1772er Übersicht über die Optik. Eine aufwendige Überarbeitung und Anmerkung erschien 1777. Die Photometrie wurde erst fast ein Jahrhundert nach ihrer Veröffentlichung ernsthaft untersucht und verwendet, als die Wissenschaft der Astronomie und der Handel mit Gasbeleuchtung Photometrie benötigten. Fünfzig Jahre später greift die Lichttechnik die Ergebnisse Lamberts als Grundlage für Lichtberechnungen auf, die die große Ausdehnung der Beleuchtung zu Beginn des 20. Jahrhunderts begleiten. Fünfzig Jahre später nahm die Computergrafik Lamberts Ergebnisse als Grundlage für Radiosity-Berechnungen auf, die zur Erstellung von Architektur-Renderings erforderlich waren. Photometria hatte einen bedeutenden, wenn auch lange verzögerten Einfluss auf Technologie und Handel, als die industrielle Revolution in vollem Gange war, und ist der Grund dafür, dass sie eines der Bücher war, die in Printing and the Mind of Man aufgeführt sind .

Siehe auch

Verweise

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Externe Links