4.2 Схеми вимірювання спектрів випромінювання, поглинання та відбивання

Випромінювання за допомогою диспергуючого пристрою, наприклад призми або дифракційних решіток, розкладають у спектр (рис. 4.1). За допомогою щілинної діафрагми з нього виділяють вузький пучок світла – інтервал . Його направляють на приймач, що реагує, або на потужність (фотоелемент, термостолбик), або на енергію пучка (фотографічний матеріал). Реакцію приймача вимірюють. Знаючи характер залежності між реакцією та потужністю (енергією), знаходять необхідну спектральну величину цього інтервалу або цієї довжини хвилі (середину інтервалу). Після цього будують графік залежності, наприклад світлового потоку від довжини хвилі, що характеризує спектральний склад випромінювання (спектр випускання джерела).

При вимірюванні спектру поглинання перед приймачем поміщають шар речовини, поглинання якого вимірюється. За потужністю "монохроматичного" випромінювання до і після проходження його через шар знаходять міру поглинання, виражаючи її коефіцієнтом поглинання, оптичною щільністю або питомим показником поглинання. В цьому випадку результат вимірювання описується графіком залежності дослідженої величини від довжини хвилі – спектром поглинання.

Спектр віддзеркалення отримують шляхом порівняння монохроматичних характеристик випромінювання, відбитого цією та білою еталонною поверхнею. Найчастіше це – монохроматичний коефіцієнт віддзеркалення.

Рис. 4.1. Схеми вимірювання спектрів випромінювання (а), пропускання (б) і віддзеркалення (в)

Основними характеристиками об'єкта, що обумовлюють його колір, є:

– спектральний коефіцієнт поглинання в прозорих предметах;

– спектральний апертурний коефіцієнт відбивання в не прозорих предметах.

Спектральний коефіцієнт поглинання () – відношення пропущеного променистого потоку _d до падаючого потоку _0d у вузькому спектральному інтервалі d:

(4.1)

де  – центральна довжина хвилі інтервалу d.

Визначення спектрального апертурного коефіцієнта відбивання () більш складно через необхідність враховувати істотну залежність властивостей відбиття непрозорих об'єктів від умов висвітлення та спостереження. Усі матеріали і вироби, що дифузно відбивають світло, не є ідеально матовими; їм властивий глянець. Частина падаючих на поверхню променистого потоку проникає через поверхню та після поглинання, розсіювання та багаторазових відображень у поверхневому шарі матеріалу повторно випромінюється майже дифузно.

Спектральний апертурний коефіцієнт відбивання () об'єкта являє собою відношення спектрального променистого потоку, відбитого в напрямках, обмежених даним конусом з вершиною в даній точці поверхні об'єкта, до спектрального променистого потоку, відбитому в тих же напрямках ідентично освітленим розсіювачем, що відбиває.

Спектральний променистий потік, що падає на розсіювач, що відбиває, і позначений _0d, у всіх співвідношеннях ідентичний спектральному потоку, що падає на досліджуваний об'єкт. Відбитий від розсіювача, що відбиває, або від досліджуваного об'єкта спектральний променистий потік (_Dd або _d, відповідно) проходить через апертуру A визначеної форми і розміру. Спектральний апертурний коефіцієнт відбивання досліджуваного об'єкта визначається у вигляді:

(4.2)

Величина в значній мірі залежить від кута висвітлення , кута спостереження ₁ і тілесного кута  конуса, обумовленого розміром і подовженням апертури А, особливо якщо об'єкт має глянсову поверхню. Так, якщо кути ₁ і  рівні, а тілесний кут  малий, спектральний апертурний коефіцієнт відбивання () є значно більше одиниці, оскільки в конус може потрапити дзеркальне зображення джерела світла.

Залежно від величини тілесного кута  конуса, що обмежує відбитий спектральний променистий потік, спектральний апертурний коефіцієнт відбивання може мати два граничних значення. Якщо тілесний кут  конуса приблизно складає нуль, спектральний апертурний коефіцієнт відбивання є спрямованим спектральним коефіцієнтом яскравості.

Якщо тілесний кут  досягає 2 (тобто до півсфери над досліджуваним об'єктом), спектральний апертурний коефіцієнт відбивання називається спектральним коефіцієнтом відбивання та позначається (). За визначенням розсіювач, що відбиває, відбиває весь падаючий променистий потік _0d у всіх напрямах рівномірно та без утрат. Тобто, спектральний коефіцієнт відбивання () досліджуваного об'єкта являє собою співвідношення спектрального променистого потоку _d, відбитого в півсфері над досліджуваним об'єктом, до падаючого потоку _0d, тобто:

(4.3)