4.2 Схеми приладів та принципи їх роботи

Вимір спектрів. Вчення про вимір розподілу потужності випромінювання за спектром називається спектрофотометрією. Її методи полягають у фотометруванні спектрів, тобто вимірі розподілу променистих або світлових потужностей за довжиною хвиль або частотами. Під спектром найчастіше мають на увазі зображення, що утворюється розкладанням випромінювання на його «монохроматичні» складові. Проте у багатьох випадках в той же термін вкладають інший зміст, маючи на увазі склад складного випромінювання, розподіл його характеристик за довжинами хвиль. В цьому сенсі спектрофотометрія дає методи отримання спектрів випускання, поглинання і розсіювання, що виражаються кривими розподілу світлових або енергетичних величин за довжинами хвиль або частотами випромінювань.

Суть вимірів спектрофотометрії. Випромінювання за допомогою диспергуючого пристрою, наприклад призми або дифракційних грат, розкладають в спектр (рис. 4.11). За допомогою щілинної діафрагми з нього виділяють вузький пучок світла – інтервал λ. Його направляють на реагуючий приймач або на потужність (фотоелемент, термостовбчик), або на енергію пучка (фотографічний матеріал). Реакцію приймача вимірюють. Знаючи характер залежності між реакцією і потужністю (енергією), знаходять потрібну спектральну величину, що доводиться на цей інтервал або, як спрощено вважають, на цю довжину хвилі (середину інтервалу). Після цього будують графік залежності, наприклад світлового потоку від довжини хвилі, що характеризує спектральний склад випромінювання (спектр випускання джерела).

При вимірі спектру поглинання перед приймачем поміщають шар речовини, поглинання якої 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 виміру описується графіком залежності виміряної величини від довжини хвилі – спектром поглинання.

Рис. 4.11 – Схеми виміру спектрів випускання (а), пропускання (б) і віддзеркалення (в)

Спектр віддзеркалення отримують в результаті порівняння монохроматичних характеристик випромінювання, відбитого даною і білою еталонною поверхнею. Найчастіше це – монохроматичний коефіцієнт віддзеркалення.

Пристрої і деталі спектральних приладів. Оптичні прилади, призначені для розкладання складних випромінювань в спектр з метою його дослідження, носять загальну назву спектральних. Для отримання спектру і виділення вузьких спектральних ділянок слугують монохроматори. Вони застосовуються у поєднанні з фотометром – приладом, що дозволяє вимірювати потужності виділених ділянок. Часто монохроматор і фотометр об'єднують в один прилад, що називається спектрофотометром. Як і інші світловимірювальні прилади, спектрофотометри бувають візуальними і об'єктивними. У об'єктивних застосовуються різні приймачі випромінювань, найчастіше – фотографічний і фотоелектричний.

Спектральні прилади для реєстрації спектру називаються спектрографами. Іноді це тільки фотографуючі прилади, а ті, в яких приймачем слугує фотоелемент, називаються спектрометрами.

Монохроматори. Залежно від типу диспергуючого пристрою розрізняють призмові, дифракційні і інтерференційні прилади. Основою кожного з них слугує монохроматор, принципова схема якого показана на рис. 4.12.

Освітлювач 1 (лампа Л, конденсор К) створює рівномірну освітленість в площині щілини Щ₁ яка є, таким чином, вторинним джерелом світла, що відрізняється від основного тим, що має однакову на усій площі яскравість.

Передній коліматор 2 слугує для створення паралельного пучка променів. Щілина Щ₁ знаходиться у фокусі об'єктиву О₁ коліматора і тому проектується на диспергуючий пристрій 3 паралельним пучком. Внаслідок цього монохроматичні промені однакових кольорів, що виходять з диспергуючого пристрою, виявляються також паралельними (на рисунку показані крайні промені: К₁//К₂ і Ф₁//Ф₂).

Переміщаючи щілину Щ₂ уздовж спектру, по черзі виділяють інтервали по усій його довжині. У багатьох схемах приладів передбачено не переміщення щілини, а поворот диспергуючого облаштування відносно нерухомої осі. З рисунка видно, що кожна точка щілини Щ₁ дає в спектрі монохроматичні точки (F_к і F_ф). Отже, уся щілина зображується монохроматичними смужками. При цьому лампа Л випускає монохроматичне світло. В цьому випадку на об'єктив О₂ спрямовується не віяло променів, а монохроматичний паралельний пучок. Об'єктив О₂ зображує щілину у вигляді монохроматичної смужки, розміри якої визначаються його фокусною відстанню і шириною щілини. Смужка – зображення вхідної шпари коліматора, що утворюється об'єктивом вихідного коліматора, називається в спектрофотометрії спектральною лінією. Складне світло дає безліч спектральних ліній, які взаємно перекриваються, якщо спектр суцільний. Перекривання тим більше, чим ширше щілина. Тому монохроматичність випромінювання, що пропускається вихідною шпарою, зменшується з розширенням вхідної. Міра монохроматичності пучка, що пропускається щілиною Щ₂, називається чистотою спектру.

Рис. 4.12 – Принципова схема монохроматора

Монохроматор, схема якого наведена на рис. 4.12, називається простим або одноразовим. Недолік приладу, що працює за цією схемою, полягає в тому, що на його вихідну шпару падає корисне та паразитне випромінювання, відбиване від внутрішніх стінок приладу і його деталей. Це знижує чистоту спектру і, отже, точність спектральних визначень.

Для зменшення інтенсивності паразитного світла усередині приладів встановлюють перегородки, чорнять внутрішні поверхні стінок і оправи лінз. Проте найбільш надійний спосіб підвищення точності вимірів полягає в застосуванні подвійних монохроматорів. Це прилади, що складаються з двох простих монохроматорів, причому вихідна шпара першого слугує вхідною шпарою другого. Нерозкладене внаслідок світлорозсіювання світло, що виходить з щілини першого монохроматора, розкладається в другому. При цьому спектр, що дається подвійним приладом, виходить чистим.

Освітлювальний пристрій (рис. 4.13). Джерело світла в монохроматорі має бути рівнояскравим по усій площі. Інакше при обробці результатів вимірів довелося б вносити поправки на нерівномірність яскравості. Щілина Ш₁, перед якою встановлюється джерело, слугує апертурною діафрагмою, тобто обмежує кут розкриття пучків, що посилаються точками тіла напруження (рис. 4.13,а). Тому точка А зображується усім об'єктивом, а точка В – тільки його частиною, і в зображенні вона виходить менш яскравою, ніж точка А. Конденсор К проектує тіло напруження на об'єктив (рис. 4.13,б). Лінзи конденсора дають широкий пучок, що заповнює щілину, і усі її точки освітлюються однаково.

Рис. 4.13 – Схема дії конденсорної освітлювальної системи

Коліматори. Принцип роботи обох коліматорів однаковий, хоча вони виконують протилежні функції: передній дає можливість отримувати паралельний пучок, а задній збирає його в точку. Міра паралельності променів, з якою пов'язана чистота спектру, залежить не лише від ширини щілини, але і від якості виправлення об’єктиву на аберації. У деяких монохроматорах використовується принцип автоколімації. Він полягає в тому, що пучок світла, що пройшов через коліматорний об'єктив, після розкладання в призмі або гратах відбивається плоским дзеркалом і фокусується тим же об'єктивом.

Щілини коліматорів є парами пластинок (рис. 4.12), що називаються ножами. Ножі можуть зрушуватися і розсуватися за допомогою гвинтового механізму. Краї ножів виготовляють або зігнутими, або прямими. У першому випадку виходить зігнутою і щілина. Такі щілини слугують для компенсації викривлення спектральних ліній при розкладанні, особливо призмою.

Призми, які застосовують у фотометричних приладах, розділяються на три класи: спектральні (дисперсійні), відбивні і поляризаційні.

Спектральні призми використовуються в якості диспергуючих елементів призмових монохроматорів. Вони бувають різних типів: від простої тригранної до багатокомпонентних. Складні призми застосовуються, наприклад, для збільшення кутової дисперсії, оптимізації втрат світла на віддзеркалення, надання променю заданої довжини хвилі певного напряму.

У відображених призмах розкладання в спектр не відбувається. Їх застосовують для зміни напряму пучка і для обертання зображення – його можна зробити зворотним, або дзеркально перевернутим. Той же ефект може бути досягнутий і за допомогою дзеркал, проте застосування призм спрощує конструкції приладів і зменшує їх габарити. Одна з граней таких призм створюється шляхом нанесення на неї алюмінію (чи срібла).

Поляризаційні призми використовуються для отримання плоскополяризованого світла. Складаються з двох (іноді і більшого числа) тригранних призм, виготовлених з одновісних двозаломлюючих кристалів так, щоб їх оптичні осі були орієнтовані по-різному (рис. 4.14). Це – кристали ісландського шпату і кристалічного кварцу. Призми склеєні або розділені повітряним проміжком. Умови заломлення світла для компонентів пучка, поляризованих в двох взаємно перпендикулярних площинах, на межі розділу призм різні. Це викликає розподіл пучків. Поляризаційні призми діляться на одно- і двопроменеві. Перші дають один поляризований пучок (іншій поглинається або виводиться з призми), другі – два, поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах

Оптичною віссю кристала є напрям, в якому швидкості поширення звичайного та незвичайного променів однакові, і промені внаслідок цього не роздвоюються. Оптичних осей у кристалі множина, і вони паралельні між собою. Звичайний промінь підкорюється законам заломлення, а незвичайний відступає від них.

У більшості спектральних приладів вітчизняного виробництва використовуються двопроменеві призми Рошона і Волластона (рис, 4.14, а і б). Лініями на рисунку показані напрями оптичних осей, що знаходяться в площині креслення, а точками – сліди оптичних осей, перпендикулярних цій площині. У призмі Рошона один з променів, що виходять, має той же напрям з променем, що впав, а інший виходить під деяким кутом до нього. У призмі Волластона обидва промені симетричні напряму променя, що впав. Відмінність в кутах між променями, що виходять, пов'язана з різним орієнтуванням оптичних осей кристалів.

Рис. 4.14 – Поляризаційні призми: а – Рошона; б – Волластона

Спектрофотометр СФ-18. Вітчизняна промисловість випускає спектрофотометри марок СФ. В якості прикладу опишемо прилад СФ-18. Його оптична схема показана на рис. 4.15. Прилад складається з трьох пристроїв – освітлювача, монохроматора і фотометра.

Рис. 4.15 – Оптична схема спектрофотометра СФ-18:

I – освітлювач; II – перший монохроматор; III – другий монохроматор;

IV – фотометр

Освітлювач. Лампа 1 і конденсор 2 створюють рівномірну освітленість вхідної шпари 3 монохроматора.

Монохроматор. У приладі використовується подвійний монохроматор. Обидва його компоненти (позначені на рисунку як перший і другий монохроматори) симетричні. Об’єктив 4 першого монохроматора проектує щілину 3, що знаходиться в його фокальній площині, у вигляді паралельного пучка променів на диспергуючу призму 5, яка розкладає випромінювання в спектр. Об'єктив 6 дає зображення спектру в площині середньої щілини, вихідний по відношенню до першого монохроматору і вхідний по відношенню до другого. Вона утворена дзеркалом 7 і ножем 5. Її призначення інше, ніж щілині 3: вона перпендикулярна спектру і вирізує його «монохроматичну» ділянку (=2–3 нм), що направляється потім в другий монохроматор. Після проходження через нього, вказаний інтервал спектру проектується в площину вхідної шпари 9 монохроматора, або у вхідній шпарі фотометра.

Фотометричний пристрій. «Монохроматичний» пучок, вийшовши з щілини 9, проходить, через лінзу 10 і потім ділиться призмою Рошона 11 на два плоскополяризовані компоненти. Той, який виходить під кутом до оптичної, зрізується діафрагмою 12, поглинаючись потім стінками приладу. Призма Рошона використовується в якості однопроменевої. Пучок, пропущений діафрагмою 12, проходить через призму Волластона 13 і знову ділиться на два, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах.

Інтенсивність випромінювань, що виходять з призми Волластона, визначається кутовим положенням призми Рошона: обертаючи її, можна управляти потоками, що виходять з призми Волластона. Лінза 14 зображує вихідну шпару в площині напівлінз, що знаходяться усередині модулятора 15. Пучки, що вийшли з напівлінз, проходять контрольний і вимірюваний зразки. Модулятор по черзі перекриває ці пучки. Частота перекривань – 50 Гц. Пульсуючі пучки спрямовуються на призми 16, що відхиляють їх і направляють на вхідні вікна інтегруючої кулі. Після багатократного віддзеркалення від стінок кулі світло спрямовується на фотоелемент. Освітленість фотоелемента в даний момент визначається сумою потоків, що пройшли (відбитих) через еталонний і вимірюваний зразки. При рівності потоків освітленість фотоелемента постійна, і він дає постійний по силі струм. Якщо ж вимірюваний зразок поглинає сильніше, ніж еталонний (чи навпаки), світловий сигнал виходить змінним і фотоелемент дає також змінний електричний сигнал, що має частоту 50 Гц. Сигнал поступає в підсилювач і після посилення подається на обмотку якоря електродвигуна відробітку. Він повертає призму Рошона до зникнення різниці світлових сигналів і, отже, не припиниться подача струму. Одночасно з поворотом призми переміщається перо самописця. Із спектру, що дається монохроматором, послідовно виділяються монохроматичні пучки. При цьому обертається барабан, і на бланку, закріпленому на ньому, викреслюється спектральна крива.

Колориметри. Принцип дії фотоелектричних колориметрів (рис. 4.16). Світло, що подається джерелом 1, відбивається від зразка 2 і об'єктивами 3 спрямовується на компенсаційні світлофільтри 4, криві спектральної чутливості фотоелементів 5. Фотоелементи повинні подавати струми, пропорційні питомим координатам х_, у_ і z_. Така вимога витікає з наступного. З фізики відома залежність, що зв'язує фототoк i із спектральною чутливістю s_λ, фотоелемента, світловим потоком Ф_0 і коефіцієнтом віддзеркалення _ поверхні:

(4.1)

де с – коефіцієнт пропорційності.

При аналізі формули (4.1) видно, що фотоструми пропорційні значенням колірних координат у тому випадку, якщо чутливість при цій довжині хвилі пропорційна питомим координатам кольору х_, у_, z_ або якщо існує рівність s₁ ()= х (); s₂ () = у (); s₃ () = z ().

Рис. 4.16 – Принципова схема фотоелектричного колориметра

Не існує фотоелементів, характеристики яких мали б форму кривих складання. Тому розподіл чутливості приймачів за спектром приводять до кривих складання. Чим точніше відповідність кривих, тим менше погрішності визначення колірних координат або координат колірності. Помилки в приведенні майже неминучі, і саме це робить колориметричний метод менш точним, ніж метод розрахунку кольору за кривими віддзеркалення або поглинання. Вважається, що погрішність колориметричного виміру колірних координат складає декілька одиниць третього знаку після коми. Криві у_ і z_ прості за формою (рис. 4.17); тому світлофільтри, за допомогою яких домагаються приведення, отримати легко. Крива ж x_ має два максимуми, і потрібну характеристику світлофільтру, строго кажучи, навряд чи здійснена. Доводиться шукати обхідні шляхи отримання спектрального розподілу фотоструму, необхідного для колориметричного визначення координати х. Зроблені досі пропозиції зводяться до наступних.

Рис. 4.17 – Криві складання хуz і нова крива х_H

1. Використання подібності кривих z_ і лівої (короткохвильової) частини x_. В цьому випадку координата знаходиться з результатів, отриманих двократним виміром : перший раз – за світлофільтром, розрахованим за правою частиною кривої x_, а другий раз – за світлофільтром для кривої z_.

2. Джерело погрішності полягає в неповній подібності кривої z_ лівої частини кривої x_.

3. Застосування для моделювання кривої x_ двох світлофільтрів і двох фотоелементів. У такий спосіб досягається більша, ніж в першому випадку, точність вимірів. Проте конструкція приладу і техніка вимірів ускладнюються.

4. Заміна кривої x_ на криву х_{H (} (x_ нова), близьку до неї, але що має один максимум і, отже, що легко реалізовується (пунктирна крива на рис. 4.17).

Фотоелектричний колориметр КНО-3. Колориметр призначений для виміру координат колірності х і у, необхідних для визначення положення точки на колірному графіку хуz, а також коефіцієнта віддзеркалення  непрозорого зразка або коефіцієнта пропускання  прозорого. Визначення коефіцієнтів дає можливість перейти від координат колірності хуz до координат кольору XYZ.

Оптична схема приладу показана на рис. 4.18. Нитка лампи 1 зображується конденсором 2 в площині об'єктиву 3. Для регулювання яскравості слугує ірисова діафрагма 4, розташована між лінзами конденсора. У оправу 5 поміщається світлофільтр, що приводить колірну температуру до потрібного значення. Непрозорий зразок 6 освітлюється пучком, що пройшов через об'єктив 3 і відбитим від дзеркала 7. При цьому світловий пучок проходить через отвір в кільцевому фотоелементі 8. Відбившись від зразка 6, випромінювання падає на фотоелемент 8, струм якого поступає в електричне відлікове облаштування приладу. Якщо зразок прозорий, то в положення 6 замість непрозорого зразка ставлять білий еталон. Прозорий зразок поміщається в касету, що встановлюється замість оправи 5. Диски 9 і 10, які можна повертати за допомогою руків'я 11, забезпечені світлофільтрами. У вікна диска 9 поставлені нейтральні світлофільтри, а у вікна диска 10 – компенсаційні характеристики фотоелементів, що приводять, до потрібної форми. Крім того, в диску знаходиться синій і червоний світлофільтри для контролю колірної температури лампи приладу. Зовнішній вигляд колориметра наведений на рис. 4.19.

На передній панелі приладу знаходиться показуючий пристрій 1, захищений склом. Точка перетину двох струн (на рисунку – дві тонкі пересічні лінії) вказує точку колірного графіку, координати якої співпадають з колірними координатами вимірюваного зразка. Окрім лінії локусу, на графіці викреслена крива коефіцієнтів віддзеркалення і пропускання. Вона перетинає поле реальних кольорів.

На передній панелі розташовані гнізда 2 підстроювання потенціометра. Усередині гнізд знаходяться осі, в торцях яких вирізані шліци під викрутку. Перемикач 3 регулює чутливість гальванометра при вимірі коефіцієнта віддзеркалення чи пропускання зразка. Руків'я 4 позначене на панелі буквою . Воно управляє лівою струною, спрямованою від неї і називається, як і руків'я, струною а. Руків'я 5 (на панелі напис «підстроювання», на рисунку не видне) призначене для установки гальванометра на нуль. Тумблер 6 (написи на панелі: «гальванометр», «точно», «грубо») слугує для включення гальванометра. Чутливість приладу в положенні тумблера «точно» в 100 разів вища, ніж при положенні «грубо». Руків'я 7 має позначення (3 і управляє струною р. Вікно 8 вирізане для спостереження за гальванометром.

Рис. 4.18 – Оптична схема колориметра КНО-3

Рис. 4.19 – Колориметр КНО-3

На правій панелі знаходиться руків'я 9 і 10 для обертання дисків, позначених на рис. 4.18 тими ж цифрами.

На верхній панелі є притискний пристрій 11, в нього поміщають вимірюваний зразок. Витягуванням рифленої голівки піднімають затискний диск, відкриваючи нерухому пластинку з отвором для зразка. На зворотній стороні рухливої пластинки, що входить в нерухому, знаходиться білий еталон, який встановлюють при вимірюванні, прозорих зразків. 12 – касета для прозорих зразків і світлофільтрів, 13 – кожух вентиляційного облаштування освітлювача.

Перед вимірюваннями встановлюють необхідну колірну температуру лампи (джерело А, В або С). Калібрують прилад за еталоном білого. Встановлюють зразок і по черзі вводять світлофільтри ХYZ. Обертанням руків'я «підстроювання», «Y», «» і «β» приводять стрілку гальванометра, яку видно у вікні панелі, до нуля.

Коефіцієнт яскравості вимірюється при світлофільтрі «Y» шляхом порівняння зразка з еталоном, коефіцієнт віддзеркалення якого дається в паспорті. Коефіцієнт яскравості зразка вказується точкою перетину струни «» з лінією  на колірному графіку.

Компаратор кольору ЕКЦ-1. Схема приладу приведена на рис. 4.20. Два світлові пучки від лампи 1 (джерело А) спрямовані об'єктивами 2 на призми 3. Диск 4, що має отвір, обертається мотором 5 і поперемінно перекриває світлові пучки, відбивані дзеркальними гранями призм. Для зрівнювання пучків слугують сітчасті діафрагми 6; зміна їх пропускання досягається зміною кута нахилу сіток. Лінзи 7 направляють вирівняні за потужністю пучки на порівнювані зразки 8 (еталонний і визначуваний). Геометрія освітлення і спостереження – 0/диф.: світло падає на зразки під прямим кутом, а відбитий потік інтегрується сферою 9.

Рис. 4.20 – Оптична схема компаратора

Для усунення дзеркальної складової слугує пастка 10. Світло, відбите від зразків 8 і розсіяне сферою, спрямовується через пластмасовий світлопровід, виконаний у вигляді стержня 11, і змінні коригуючі світлофільтри 12 і 13 на фотопомножувач 14. Світлофільтри поміщені в диски. У першому з них – світлофільтри, що приводять колірну температуру лампи 1 до колірної температури джерел В і С. Світлофільтри другого диска приводять криву спектральної чутливості фотопомножувача до кривих складання х_н(); у() і z(). При обертанні диска 4 порівнювані зразки 8 поперемінно освітлюються. Струм, що збуджується у фотопомножувачі 14, генерується у вигляді прямокутних імпульсів. Логарифматор 15 логарифмує фотоструми. Якщо колірні характеристики вимірюваного зразка і еталону однакові, імпульси теж однакові – їх змінна складова дорівнює нулю. Якщо колірні характеристики різні, змінна складова пропорційна різниці логарифмів фотострумів, що збуджуються порівнюваними зразками, тобто:

(4.2)

Це означає, що кожний із світлофільтрів другого диску, змінна складова якого дорівнює:

(4.3)

Значення n розраховується за логарифмічною шкалою приладу. Кольорові різниці приводяться в координатах  і :

(4.4)

Для визначення значень різниць прирівнюють звіти за світлофільтром у (диск 13 на рис. 4.20) і змінюють зразок при інших світлофільтрах, тобто. x_H і z. Перша зміна до значення lg, друга – lg.

Визначивши за шкалою приладу різницю n_х – n_у, отримаємо:

(4.5)

а отже:

(4.6)