Лекция 7

Измерение параметров, характеризующих светопропускание (светопоглощение) оптических материалов.

1. Что такое и для чего нужно

2. Фотометр

3. Фотометрический шар

4. Спектрофотометр

5. Рефлектометр

§ 23. Определение коэффициентов светопоглощения и отражения

При прохождении потока излучения источника света через опти­ческое стекло наблюдается ослабление потока за счет потерь на от­ражение и поглощение в массе стекла. В зависимости от показателя преломления, состояния поверхностей загрязнения, царапин, нале­тов и других дефектов, от окраски массы стекла и длины волны па­дающего света поглощение и отражение света различны. Наимень­шей поглощаемостью оптическое стекло обладает в видимой части спектра с постепенным увеличением в ультрафиолетовой и инфра­красной частях. Для длин волн короче 300 им и длиннее 3000 нм оптическое стекло становится практически непрозрачным. Согласно закону сохранения энергии для светового потока Ф, подающего на образец стекла,, выполняется условие

где Фр — отраженный поток; фа — поглощенный поток; Φτ — поток, выходящий из стекла.

Отношение каждого из потоков Фр, фа и Φτ к падающему потоку Φ называется соответственно: р==Фр/Ф — коэффициент отражения, α = Φα/Φ — коэффициент поглощения, τ = Φτ/Φ — коэффициент про­пускания. Следовательно, ρ + α + τ= 1.

Коэффициент отражения зависит от угла падения ε пучка лучей на преломляющую поверхность и возрастает с увеличением послед­него. Для одной отражающей поверхности по известной формуле Френеля

где ε и ε' — соответственно угол падения и преломления, связанные зависимостью η s\m = n' sine'. При углах ε и ε', меньших 30°, коэф­фициент отражения с достаточной точностью можно вычислить по упрощенной формуле

Для нормального падения пучка лучей, идущего из воздуха, фор­мула (63) принимает вид

где η— показатель преломления стекла.

При яда 1,5 коэффициент отражения рда0,04, или 4%.

В случае прохождения светового потока через тонкую пластинку, когда потеря света происходит, главным образом, в результате отра­жения от поверхностей, а потеря от поглощения света массой стекла настолько мала, что ее можно не учитывать, вышедший из пластин­ки световой поток определяется формулой

Если учитывать светопоглощение пластинки и отражение от двух ее поверхностей, то световой поток, вышедший из пластинки толщи­ной /, характеризуется выражением

коэффициент пропускания стекла

где е — основание натурального логарифма; α — коэффициент све-топоглощения, который определяется по формуле

где I — длина образца, см; η — показатель преломления стекла для спектральной линии D.

Таким образом, под коэффициентом поглощения понимают отно­шение потока естественного света, поглощенного слоем стекла тол­щиной 1 см, к потоку, вступившему в этот слой. Погрешность опре-

Рис. 85. Схема определения коэффициента пропускания

деления α может быть получена дифференцированием формулы (65):

Пренебрегая малым значением

получаем:

При определении коэффициента светопоглощения необходимо из­мерить длину образца стекла с точностью ± 1 мм и коэффициент пропускания на любом фотометре, обеспечивающем точность изме­рения ±0,5%, тогда при длине образца 10 см коэффициент свето­поглощения будет определен с точностью ±0,05%.

Для измерения коэффициента пропускания можно использовать (рис. 85) фотометрический шар 8 диаметром 100 мм с селеновым фотоэлементом 7 и гальванометром 9 или микроамперметром. В ка­честве осветителя используют коллиматор, в фокусе объектива 4 ко­торого установлена диафрагма 3 с круглым отверстием, освещен­ным через конденсор 2 лампой накаливания 1, питающейся от сети стабилизированного напряжения. Дополнительный объектив 5 рас­положен за объективом коллиматора и собирает параллельный пу­чок в заднем фокусе на отверстии фотоэлемента, помещенного в плоскости шара. Испытуемый образец стекла 6 вводят в сходящий­ся пучок лучей между объективом 5 и шаром под некоторым углом к оптической оси так, чтобы блик, отраженный от поверхности об­разца, не попал в объектив 5. Узкое сечение пучка (фокус) должен быть снова приведен в плоскость отверстия шара, для чего послед­ний отодвигают приблизительно на одну треть длины образца.

По гальванометру отмечают показания тп\ и т2, соответствую­щие освещенностям шара при установке образца в ходе лучей и без него; коэффициент пропускания

Для измерения коэффициента светопоглощения можно использо­вать горизонтальный фотометр ФМС-56, на котором коэффициенты пропускания и оптической плотности могут быть измерены с точ­ностью ± 1 —2 %.

Рис. 86. Оптическая схема фотометра для измерения коэффи­циента пропускания

Принцип действия прибора основан на визуальном уравнивании яркостей двух половин поля зрения диафрагмированием входные зрачков. Оптическая схема фотометра приведена на рис. 86. Прибор состоит из двух основных частей, осветителя и фотометрической го­ловки. Осветитель снабжен двумя зеркалами 10 и конденсорами 9, направляющими свет на отверстия диафрагм 12. Для правильной установки освещения оба конденсора и лампа 11 перемещаются в продольном направлении. С внешней стороны за конденсорами в гнезда осветителя вставляют молочные или матовые стекла 8, соз­дающие равномерно рассеянный свет. Фотометрическая головка представляет собой двойную зрительную трубу с полем зрения 1°15'. Перед объективами 5 помещены две диафрагмы, имеющие квадратные отверстия и переменный размер. Каждая диафрагма имеет отсчетный барабан 6 с двумя шкалами с черными и красными делениями. Черные деления шкалы проградуированы от 0 до 100 и служат для отсчета коэффициента пропускания в процентах. Крас­ные шкалы оптической плотности D разделены в зависимости от ко­эффициентов пропускания и соответствуют отрицательным десятич­ным логарифмам: D= —Ig-r.

Два световых пучка, упавших из отверстия диафрагм, сводятся оптической системой (объективами 5, ромбовидными призмами 4 и бипризмой 3) в одно поле зрения в виде круга, разделенного реб­ром бипризмы на два полукруга. Глаз наблюдателя, находящийся за окуляром 1 в выходном зрачке трубы, видит два полукруга раз­личной яркости. При правильном освещении и равном раскрытии отверстий диафрагм яркости полукругов одинаковы.

Перед измерением коэффициента пропускания следует правиль­но установить патрон с лампой в осветителе. Для этого за осветите­лем на расстоянии 90—100 см ставят белый лист бумаги и, переме­щая патрон с лампой, получают на нем изображение спиралей, причем расстояние между их серединами должно быть равно 70 мм. Если спирали имеют размытое изображение, то конденсоры пере­мещают до получения резкого изображения. Затем барабаны диа­фрагм устанавливают на одинаковые отсчеты, например на 100, и, осветив входные отверстия прибора, наблюдают в окуляр. Может оказаться, что при удаленных молочных стеклах изображение спи­ралей находится не посередине поля зрения, нерезкое или неравно­мерно освещено. Тогда нужно произвести небольшие перемещения осветителя по высоте и в стороны, а также переместить кон­денсоры, воспользовавшись котировочными винтами патрона. После этого молочные стекла снова вставляют в гнезда за конденсорами. Равномерное заполнение отверстий диафрагм светом проверяют с помощью лупы, находящейся за оку­ляром. Наконец, проверяют интенсивность обоих пучков, идущих из осветителя, для чего, например, левый барабан ставят на отсчет 50 и, слегка перемещая один из конденсоров, до­биваются получения на правом барабане отсчета, близкого к 50 с отклонением ±1 деление. Приступая к измерениям, оба барабана устанавливают на отсчет 100. Испытуемый образец стекла 7 поме­щают на предметный столик перед левым отверстием прибора и оку­ляр фокусируют на резкое изображение линии раздела поля. При этом правое поле темнее левого. Вращая правый барабан, добива­ются уравнивания полей, т. е. фотометрического равновесия. Отсчет по черной шкале правого барабана составит коэффициент пропус­кания τΠρ, а отсчет по красной шкале — оптическую плотность Dnp. Затем испытуемый образец ставят перед правым отверстием при от­счете на правом барабане 100, а измерения тл или Da ведут левым* барабаном.

Настройку на фотометрическое равновесие обеих частей поля и отсчеты по шкалам барабанов производят 5—7 раз с последующим получением среднего значения группы отсчетов τπρ и тл или Dnp и

■Од-

Окончательные значения τ или D находят с помощью выражений

Подставляя полученное значение τ и известные значения /, η и ρ в формулу (65), находят коэффициент светопоглощения на пути 1 см. По величине α судят о категории стекла. Удобно коэффици­ент α подсчитывать по таблицам, составленным заранее для значе-ний А=_ 1ητ и £ = — 21п[1— (nD— l)2/(nD+1)2], тогда а={А+Б)Ц.

Определение спектрального показателя поглощения оптического стекла и других оптических материалов в ультрафиолетовой и ин­фракрасной областях спектра сводится к измерению спектрального коэффициента пропускания, вычислению спектрального коэффици­ента отражения и измерению толщины испытуемого образца. Обра­зец должен иметь размеры 10X25x25 мм и клиновидность не бо­лее Г.

Для измерения спектрального коэффициента пропускания τ?. в ближних ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра при­меняют спектрофотометры СФ-4 или СФ-4А; в инфракрасной об­ласти для длин волн 1 мкм и больше — спектрофотометры ИКС-12 и ИКС-21.

Спектральный коэффициент пропускания

где Φ χ и Φολ— поток монохроматического излучения с длиной волны λ, соответственно прошедший образец стекла и упавший на него (начальный поток); р>.— спектральный коэффициент отраже­ния; Κχ — показатель поглощения; / — толщина образца, мм.

Измерения τλ выполняют через 0,05 мкм на крутых участках спектральной кривой и через 0,1—0,2 мкм на пологих участках.

Для вычисления коэффициента отражения ρλ= («λ— 1)2/("λ+ l)2 показатель преломления стекла должен быть измерен с погрешно­стью ±1·10-2. Кроме расчетного способа определения спектрально­го коэффициента отражения можно применять спектрофотометриче-ский метод на спектрофотометре СФ-4 с насадкой ДП-482 [48J. Показатель поглощения

Кь — величина, обратная расстоянию, на котором поток монохрома­тического излучения ослабляется в результате поглощения света в стекле в 10 раз. Показатель поглощения является характеристикой, используемой при оценке категории стекла по светопоглощению.

Относительную погрешность определения Кх вычисляют по фор­муле

Интегральный коэффициент отражения ρ можно найти двумя способами: абсолютным и относительным. При абсолютном спосо­бе

где Фр — отраженный световой поток; Φ — падающий световой по­ток.

При относительном способе

где Фр и Фэ — соответственно световой поток, отраженный от испы­туемого образца н от эталонной поверхности; тр и тэ — отсчеты по

шкале измерительного прибора при отражении от поверхностей ис­пытуемого образца и эталона; ρ — коэффициент отражения эталона.

На практике часто используют фотоэлектрический рефлектометр ИФТ-32, который можно приспосо­бить для измерения при углах паде­ния лучей 15—90° через каждые 5° [17].

Оптическая схема рефлектомет­ра (рис. 87) состоит из осветитель­ной 1—3 и приемной 4—7 частей, которые можно по кольцу 8 уста­навливать под углами друг к другу. Испытуемый образец 10, помещае­мый на стол У/, имеет клиновпд-ность для устранения вредного све­тового потока, отраженного от ниж­ней поверхности. Диафрагмы 3, 9 и 5 служат для регулирования свето­вых потоков и устранения рассеян­ного света.

Рефлексометр позволяет измерять просветляющее действие ин« терференционных покрытий (пленок) на оптических деталях, оцени­ваемое отношением Π коэффициентов отражения поверхностей с пленкой рпл и чистой поверхности стекла без пленки рст-'

Для измерения коэф­фициента отражения све­тового потока, нормально падающего на поверх­ность испытуемого образ­ца, предложена [22] схе­ма установки, изображен­ная на рис. 88, которая состоит из коллиматора 1—4, посылающего па­раллельный пучок лучей через диафрагму 5 и све-тоделителыгуго пластин-

ку 6 (положение //) на испытуемый образец 9, и приемной части-фотоэлемента 7 с измерительным прибором 8. Светоделительная пластинка имеет покрытие, коэффициент отражения которого р?. и коэффициент пропускания г χ.

После отражения от поверхности испытуемого образца световой поток отражается от светоделительной пластинки и направляется на фотоэлемент, дающий показание /пь Затем светоделительная плас­тинка ппцппячиряртся кя 90° (положение /). направляя световой по­

Рис. 88. Схема для измерения коэффициента отражения светового потока, нормально падаю­щего на поверхность испытуемого образца

ток на фотоэлемент, и на измерительном приборе фиксируется от­счет т.2. Коэффициент отражения

Точность измерения ρ около 1%·