6. Методы измерения светового потока.

1п. Световой поток источников излучения чаще всего измеряется с помощью светомерного шара. Светомерный шар состоит из двух полусфер чаще всего, внутри покрытых белой матовой краской с высоким коэффициентом отражения ~ 0,96 (серно-кислый барий; двуокись титана; цинковые белила). Диаметр шара может быть от 0,5 – 5 м. В шаре имеется фотометрическое отверстие, через которое производится измерение.

На стеклах шара происходит многократное отражение светового потока источника излучения, помещенного в шар. Освещенность на стенках шара складывается из освещенности от прямых лучей (Е₁) и освещенности от многократных отражений, которая прямо пропорционально связана со световым потоком выражением , где ρ – коэффициент отражения; r – радиус шара; Ф – световой поток.

Если исключить величину Е₁ – освещенность от прямых лучей, то освещенность, измеренная в любой точке поверхности будет пропорциональна Ф. Для исключения Е₁ на пути лучей, идущих на фотометрическое отверстие, ставится экран (Э).

Самый распространенный способ измерения светового потока в шаре – это метод сравнения светового потока источника исследуемого с эталонным источником, у которого поток известен. Источники по очереди помещаются в центр шара, и измеряется освещенность или яркость фотометрического отверстия, перекрытого молочным стеклом (М), либо с помощью фотоэлемента (люксметра), либо с помощью фотометрической головки.

2 п.Зональный метод измерения светового потока

Световой поток является эффективным потоком в системе световых величин. Согласно ГОСТ 7637 он определяется как мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит.

Световой поток излучения со сплошным спектром определяется уравнением

, (1)

где V(λ) – относительная спектральная световая эффективность излучения;

Ф_еλ(λ) – спектральная плотность излучения источника с длиной волны λ;

683 – эквивалент 1 Вт лучистого потока однородного излучения с длиной волны λ = 0,555 мкм.

Величина светового потока в некоторой зоне пространства связана со значением силы света выражением

, (2)

где I_α – сила, света для направления α, кд;

dω – зональный телесный угол, стер., в пределах которого равномерно распределен световой поток dФ_α.

Для симметричных источников света

, (3)

где (4)

Если имеется продольная (меридиональная) кривая силы света симметричного источника в полярной системе координат, то полный световой поток определяется суммой зональных потоков.

(5)

Этот расчетный метод определения световых потоков по фотометрическому телу распределения силы света называется методом зональных телесных углов. Для симметричных источников с плавным изменением силы света I = φ(α) значения телесных углов (ω) принимаются в интервале через 10° .

7. Методы измерения силы света (использование закона квадратов расстояния).

Измерение силы света.

I – сила света, это пространственная плотность светового потока:

I_x

[кд]

Приближенно силу света можно измерить, используя люксметр.

; .

Для более точного определения силы света используется светомерная скамья – это жесткая конструкция, на которой удобно закреплять и перемещать источники, экраны, приемники. Длина их от 1,5 до 5 м., снабжена масштабной линейкой (цена деления 1 мм.)

Зрительные измерения силы света

1 способ – метод сличения. Наблюдаем визуально поля сравнения в фотометрической головке, освещаемые исследуемым источником (I_x) и светоизмерительной лампой (I_св), перемещаем головку между источниками, добиваясь фотометрического равновесия, когда L_x = L_св.

Если яркости полей сравнения равны, будут равны и освещенности E_x = E_св.

; ; тогда ;

2 – способ – схема замещения.

Исследуемый источник и светоизмерительная лампы поочередно сличаются с некоторым третьим источником – лампой сравнения, которая устанавливается с другой стороны и жестко соединяется с фотометрической головкой, перемещаясь вместе с ней.

; ;

; ; ; Отсюда: ;

3 – способ – физические измерения (постоянные фототоки). В качестве приемника излучения берется селеновый фотоэлемент, который поочередно освещается сравниваемыми источниками, фотоэлемент перемещается относительно источников таким образом, чтобы фототоки от них были равными.

I _св=I_x=const

Если фототоки равны, значит равны и освещенности.

E_св = E_x.;

;

Значит: ;

тогда ;

4 – способ – физические измерения (постоянные расстояния).

l_св=l_x=const, например, l = 1м.

; E_св ~ i_св;

; E_x ~ i_x; ;

Фотоэлемент должен быть защищен от постороннего света.

8. Основные методы и схемы измерения коэффициентов отражения, пропускания и поглощения.

Ф =Ф_ρ+Ф_α+Ф_τ:

;

; ρ+α+τ=1.

;

Виды отражения: правильное (от зеркальных, гладких поверхностей), рассеянное (свет отражается во все стороны без преобладания), полурассеянное (имеется преобладающее направление), смешанное.

Измерение коэффициента правильного отражения.

Лампа «В» освещает белую матовую испытательную пластинку «S». Ее яркость измеряется либо яркомером, либо фотоэлементом в произвольном направлении «abc» (А₁). Затем испытуемая поверхность «Д», коэффициент которой надо определить, ставится на пути луча «ab». Прибор «А₁» ставится в положение «А₂» по пути отраженного луча «bd» и теперь измеряется яркость изображения испытуемой пластинки «S₁».

Коэффициент отражения ρ = отношению яркостей изображения испытуемой пластинки S₁ к яркости самой испытательной пластинки.

При использовании фотоэлемента коэффициент отражения ρ равен отношению освещенностей изображения испытуемой пластинки к освещенности самой испытательной пластинки.

Измерение коэффициента рассеянного отражения (в шаре).

Ш ар в месте «А» имеет отверстие, которое может закрываться крышкой, выкрашенной так же, как и стенки шара. Она закрывается. На нее падают лучи от источника «В». В этом случае измеряется яркость L₁ стенки вместе «С», при этом место «С» освещается и прямыми лучами (щитка «К» нет). Затем на место крышки ставится измеряемая пластина и опять измеряется L ₂ яркость места «С», прикрытого щитком «К» от прямых лучей.

Виды пропускания: направленное (прозрачные среды),

рассеянное (мутные среды),

полурассеянное (полупрозрачные среды).

Измерение коэффициента пропускания для данного направления.

1. По освещенности или по силе света.

Измеряется освещенность Е₀ испытуемой пластинки светоизмерительного прибора «А». (Это можно делать на скамье) от прямых лучей источника «В». Затем лучи света преграждаются исследуемым образом «Д». Снова измеряют Е₁ освещенность испытуемой пластинки.

2. По яркости.

Измеряется яркость L ₀ испытуемой пластинки «S» яркометром «А». Затем на пути лучей от «S» к «А» ставится исследуемый образец «Д». В новь измеряется яркость пластинки «S» - L ₁ через «Д» или самого предмета, если он является мутным. τ можно измерить под разными углами.

Измерение коэффициента поглощения.

1. Исследуемый образец «Д» помещается в световом шаре. Проводятся два измерения. Один раз лучи света от источника «В» непосредственно падают на стенку шара в месте «А»; измеряется яркость L ₀ стенки шара в месте «С» сквозь окно «Н». Исследуемый образец «Д» в это время находится вблизи середины шара, но вне пучка прямых лучей от источника. Затем измеряется яркость L ₁ стенки шара в месте «С», когда исследуемый образец находится на пути лучей от источника вблизи середины шара; при этом щиток «К» преграждает лучи от испытуемого предмета «Д» к месту «С».

2. Если измерены коэффициенты ρ и τ, то α=1-ρ-τ

9. Методы измерения яркости. Методы и схемы измерения коэффициента яркости.

Яркость L _α элементарного участка светящейся поверхности в направлении α определяется отношением силы света dI_α излучающего элемента к площади его проекции dA · CosA на плоскость, перпендикулярную этому направлению:

Есть прямой и косвенный метод определения яркости. Прямой способ измерения яркости L состоит в непосредственном сличении измеряемой яркости с образцовым прибором нита, создающим переменную, но известную по величине яркость поля сравнения, называемого яркометром.

Яркость связана c другими световыми величинами, например, силой света, которая сама по себе определяется через освещенность, поэтому для измерения яркости можно использовать измерительные устройства – люксметры, для чего их надо проградуировать по эталону яркости. В качестве эталона яркости можно использовать пластинку, покрытую окисью магния MgO или серно-кислым барием BaSO₄ с известным коэффициентом яркости r. Освещая ее источником с известной силой света, меняя расстояние между эталоном и пластинкой можно определить освещенность. Для матовой диффузной поверхности яркость пластинки выражается

При зрительных измерениях можно использовать одностороннюю светомерную скамью, одно из полей сравнения светомерной головки освещается лампой сравнения, другое поле освещается измеряемой яркостью.

Для измерения яркостей нитей ламп накаливания используются приборы, устройство которых подобно оптическим пирометрам.

В – светоизмерительная лампа; А – лампа сравнения; С – линза: линза дает увеличенное изображение некоторой части нити лампы «В» в плоскости, где расположена нить лампы сравнения. Глаз видит их рядом. Изменяя напряжение у «А» выравнивают ее яркость с яркостью источника «В». Т.о. известно, какой яркости соответствует определенное напряжение.

Для уменьшения яркости полей используются нейтральные светофильтры J, G, и H.

Определение коэффициента яркости.

1^ый способ.

Измеряется яркость исследуемой пластинки L_α, освещенность ее должна быть известна, тогда коэффициент яркости . Это следует из выражения для матовых поверхностей.

2^ой способ.

При соответствующих условия освещения измеряется яркость исследуемой пластинки «Д». Затем, на ее место ставится измерительная пластинка, у которой коэффициент яркости β₀ известен для тех же условий освещения и наблюдения, как для испытуемой пластинки «Д».

.

10. Основные характеристики спектральных приборов (дисперсия, разрешающая способность, светосила).

Независимо от типа спектрального прибора они имеют общие характеристики: угловая и линейная дисперсия (Д).

А - преломляющий угол;

n – показатель преломления;

i₁ – угол падения на первую грань;

i₂ – угол падения на вторую грань;

i΄₁, i΄₂ – углы преломления.

Рис. Ход однородного луча в дисперсионной призме

Угол отклонения «α» является функцией трех величин, угла падения луча на призму, преломляющего угла и показателя преломления.

Дисперсионные свойства призмы выражаются угловой дисперсией.

Угловая дисперсия определяет величину углового расстояния dα между лучами двух длин волн, отделенных интервалом dλ ( - угловая дисперсия). Угловая дисперсия призмы зависит от показателя преломления вещества призмы, от дисперсии вещества и преломляющего угла.

Линейная дисперсия показывает, как быстро изменяется расстояние между спектральными линиями в фокальной плоскости в зависимости от длины волны. Она определяется числом «мм.» приходящихся на единичный интервал длин волн, обычно принятый в 1 . На практике используется обратная линейная дисперсия, это отношение . Обратная линейная дисперсия определяет интервал длин волн, измеряемый в , приходящийся на 1 мм длины спектра.

В приборах с дифракционными решетками линейная дисперсия мало меняется для различных участков спектра, это большое удобство при работе.

Линейная дисперсия связана с угловой дисперсией:

,

где f₂ – фокусное расстояние второго объектива спектрального прибора.

Разрешающая способность спектрального прибора представляет собой предельное значение спектрального интервала ∆λ, которое может быть получено при наименьшей возможной ширине входной щели.

Различают теоретическую и практическую (или реальную) разрешающую способность.

Теоретическая разрешающая способность «R» определяется дифракцией в действующем отверстии прибора и определяется:

,

где ∆λ – разность длин волн двух близких спектральных линий, которые прибор может дать раздельными при бесконечно узкой входной щели;

λ – средняя длина волны в интервале ∆λ..

Реальная разрешающая способность определяется шириной входной и выходной щели, разрешающей способностью приемника излучения (глаза, фотоэмульсии) и аберрациями фокусирующей и диспергирующей систем. Если «р» - наименьшее расстояние между линиями в спектре, раздельно различаемое приемником, то разрешаемый спектральный интервал «∆λ» определяется:

.

Тогда реальная разрешающая способность определяется:

, т.е. она связана с линейной дисперсией прибора.

Существует критерий Рэлея: две спектральные линии считаются прибором разрешенными если провал между максимумами линий составляет не менее 20 % от максимального значения I_max.

Светосила спектрального прибора связана с освещенностью, создаваемой в фокальной плоскости объектива камеры в случае фотографической регистрации спектра, или с освещенностью на сетчатке глаза при визуальном наблюдении.

Светосила спектрального прибора с фотоэлектрической регистрацией спектра определяется потоком излучения, проходящим через выходное отверстие прибора.

Е сли обозначить площадь и фокусное расстояние коллиматорного объектива через Q и f, то отношение Q/f² определяет светосилу прибора. Это есть телесный угол, определяющий величину используемого спектральным прибором потока излучения.

11. Виды призм, используемых в спектральных приборах. Принцип действия и оптические схемы призменных монохроматоров.

Cпектральной призмой называется многогранник, сделанный из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией показателя преломления dn/dλ.

Для изготовления хороших приборов должен использоваться материал с очень высокой прозрачностью, дисперсией, оптической однородностью и изотропностью. Удовлетворить всем этим требованиям трудно, поэтому для различных областей спектра используются разные материалы. Например, для ультрафиолетовой области спектра пригоден кристаллический или плавленый кварц, для видимой области спектра основным материалом является стекло, в ИК-области – ионные кристаллы и т.д.

Обычно в приборах используются сложные, составные призмы, позволяющие получать и высокое разрешение, и удобную форму фокальной поверхности.

Специальные виды призм (системы призм)

Простейшая призма треугольного сечения редко может удовлетворить требованиям построения удобного и качественного прибора. Поэтому обычно в СП используются комбинации призм, позволяющие получить нужный закон дисперсии, более удобную форму фокальной поверхности и т.д.

Диспергирующие системы, состоящие из нескольких склеенных призм, применяются обычно для получения большей угловой дисперсии и (или) для получения желаемого угла отклонения лучей. Склеиваемые призмы изготовляются из различных сортов оптического стекла (с разными n и ∂n/∂λ) и пригодны, как правило, лишь в видимой области спектра. В ультрафиолетовой и инфракрасной областях применение склеенных призм затруднительно, так как, во-первых, известные клеи здесь недостаточно прозрачны, а во-вторых, в этих областях обычно используются кристаллы с существенно различными коэффициентами теплового расширения. В этих случаях приходится применять последовательность призм, разделенных воздушным промежутком. Иногда применяются призмы с неплоскими поверхностями, комбинации призмы и зеркала и др.

Призма Резерфорда состоит из двух одинаковых призм с небольшим преломляющим углом.

Между ними находится третья призма, с большим преломляющим углом А и изготовленная из тяжелого флинта. Склеенная призма Резерфорда отличается от одиночной значительно большей дисперсией, а при заданной дисперсии – меньшими потерями на отражение. Крайние призмы имеют малый коэффициент преломления и хотя они несколько уменьшают суммарную дисперсию, но позволяют сделать А большим, так как уменьшают угол падения. Основной недостаток определяется тем, что при той же ширине падающего пучка длина хода лучей в склеенной призме больше, чем в одиночной. Поэтому применение призмы Резерфорда становится малоэффективным в фиолетовой части спектра, где поглощение тяжелых флинтов уже заметно.

Рис. 2.1.7. Некоторые типы практически используемых призм.

а) Призма Резерфорда,

б) Призма прямого зрения, призма Амичи,

в) Призма постоянного угла отклонения, призма Аббе.

Призма прямого зрения Амичи. В ней для некоторой длины волны угол отклонения лучей равен нулю, так что можно сделать СП в трубе –оптические оси коллиматорного и камерного объективов совпадают. Она, как и призма Резерфорда, состоит из трех склеенных призм, крон–флинт–крон. Преломляющий угол и показатель преломления средней призмы больше, чем у боковых. Призма Амичи не дает столь высокой дисперсии, как призма Резерфорда, и оптическая длина пути в ней больше, т.е. больше потери на поглощение. Поэтому она не нашла широкого распространения и применяется лишь в компактных спектрографах и спектроскопах.

Призма Аббе также состоит из трех склеенных призм – двух пря- моугольных полупризм с преломляющим углом 30^о и прямоугольной призмы полного внутреннего отражения, отклоняющей лучи на 90^о. Пространственное разложение спектра в этой системе происходит лишь на гранях полупризм.

Потери из-за поглощения в призме Аббе, конечно, больше, чем в одиночной призме ввиду большей длины хода лучей. Поэтому для увеличения пропускания в фиолетовой части спектра призма внутреннего отражения изготовляется из стекла с малым показателем преломления (из легкого крона), а диспергирующие полупризмы – из стекла с большой дисперсией (из тяжелого флинта). Постоянство угла отклонения удобно в монохроматорах, в которых сканирование спектра осуществляется просто поворотом призмы, а коллиматоры остаются неподвижны.

Рис. 2.1.8 Схема постоянного угла Рис. 2.1.9 Призма Литтрова (а)

отклонения, схема Водсворта. и призма Корню (б).

Призма Литтрова очень удобна и используется часто. Во многих промышленных приборах с двойной монохроматизацией применяется комбинация призменного и дифракционного монохроматоров. Второй обеспечивает высокое спектральное разрешение, а первый – предварительную монохроматизацию и одновременно исключает такую неприятность, как наложение порядков дифракции. От него не требуется высокого разрешения, но желательно высокое качество изображения. Призма Литтрова проста и этим требованиям соответствует.

.Призма Корню (рис. 2.1.9б) состоит из двух прямоугольных полупризм с преломляющим углом около 30^о, вырезанных так, чтобы луч, идущий параллельно основанию (в условиях минимума отклонения для совокупности обеих призм), распространялся вдоль оптической оси кристалла. Они сделаны одна из право-, а другая из левовращающего кварца, в результате чего вращения плоскости поляризации не происходит. Однако для лучей, распространяющихся под углом к оси, вращение плоскости поляризации не скомпенсировано и они испытывают двойное лучепреломление, что может сказаться на качестве спектра.

Призма Литтрова, изготовленная из кристаллического кварца – удачная модификация призмы Корню. Для центрального луча здесь автоматически компенсируется вращение плоскости поляризации.

Призменные монохроматоры основаны на использовании явления дисперсии. Дисперсия света (разложение) происходит при преломлении света на поверхности раздела двух сред и определяется зависимостью относительного показателя «n» преломления от длины волны «λ».

В спектральных приборах используется нормальная дисперсия, когда показатель преломления уменьшается с ростом длины волны λ.

Диспергирующим элементом призменных спектральных приборов является одна или несколько призм. В результате преломления света на гранях призмы происходит отклонение луча света на некоторый угол θ от первоначального направления. Угол отклонения зависит от показателя преломления вещества призмы и поэтому является функцией длины волны, т.е.

Источник излучения «J» через осветительную систему «Л» освещает узкую входную щель прибора «S» Фокусирующая оптика, состоящая из двух объективов «О₁»(коллиматорный объектив) и «О₂»(камерный объектив) с параллельным ходом лучей между ними в фокальной плоскости «Р» дает изображение щели «S». Разные направления лучей для различных длин волн осуществляются диспергирующей системой «Д». Совместно с диспергирующей системой фокусирующая система дает прерывную или непрерывную последовательность монохроматических изображений входной щели, называемую спектром. Характер спектра зависит от типа источника излучения.

Монохроматоры служат для выделения одной спектральной линии, или участка сплошного излучения. Область спектра, для которой предназначены монохроматоры, определяет выбор материала для оптики.

Для видимой области спектра наибольшее распространение получил универсальный монохроматор УМ–2 со стеклянной оптикой.

1. – источник света

2 – осветительная система

3 – входная щель

4, 6 – объективы

5 – призма постоянного угла

отклонения

7 – окулярная насадка или

выходная щель

Для улучшения чистоты выделенного участка спектра производится повторное пропускание одноволнового света с примесью рассеянного света – сквозь второй монохроматор, образуется так называемый двойной монохроматор. В них используются в основном те же оптические схемы, что и в обычных. Существуют двойные монохроматоры с однократным и двойным разложением света.

В монохроматоре с однократным разложением света призмы неподвижны. Выделение одноволнового света производится перемещением средней щели «S» Действие призм (в смысле разложения) обратное. Вторая половина монохроматора только устраняет рассеянный свет без дополнительного разложения.

Есть монохроматоры с двойным разложением, в которых в плоскости щели спектр расширяется в 2 раза.

Здесь обе дисперсионные системы работают в одном направлении, за счет чего линейная дисперсия увеличивается в 2 раза. Изменение длины волны производится одновременным поворотом обоих призм прибора.

Схема призменного монохроматора с зеркальной оптикой марки ЗМР-3

Ф окусирующей оптикой служит параболическое алюминированное зеркало с f = 270мм. Рабочая область 0,22 – 2,5 мкм.