книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

Широко используется в промышленности фотометр, состоящий из осветителя, шарового приемника с фотоэлементом и гальвано­ метром (или микроамперметром) и столика для контролируемого образца (рис. 25). Осветитель представляет собой коллиматор, состоящий из объектива 3, в фокальной плоскости которого распо­ ложена диафрагма 2, освещаемая лампой накаливания с помощью конденсорной линзы 1. Лампа накаливания получает питание от источника постоянного напряжения или источника переменного, но стабилизированного напряжения. Точность стабилизации должна быть не менее 1 %. За объективом коллиматора распола-

Рис. 25. Схема фотометра для измерения коэффициента светопоглощения стекла

гается ирисовая диафрагма 4, позволяющая изменять сечение пучка лучей, выходящих из коллиматора.

Приемник оформлен в виде светомерного шара, окрашенного внутри сернистым барием. В стенку шара вмонтирован селеновый фотоэлемент 6. Селеновые фотоэлементы, применяемые в качестве приемников, должны быть свободны от тока сползания: изменение фототока (утомляемость) фотоэлемента через 5 мин после начала работы при освещенности поверхности 300 лк не должно превы­ шать ±2% . Для регистрации фототока рекомендуются магнито­ электрические микроамперметры типа М-95 с теневым указателем отсчета или зеркальные гальванометры, заключенные в отсчетное устройство УФ-206.

Точность выполняемых на фотометре измерений определяется в основном соблюдением пропорциональности между освещен­ ностью фотоэлемента и показаниями микроамперметра, т. е. линейностью измерительной пары фотоэлемент-гальванометр.

Линейность измерительной пары проверяется на фотометри­ ческой скамье. Проверка линейности подробно описана в гл. VII, она преследует своей целью определение постоянной К для не­

где / — значение фототока по показаниям микроамперметра или другого отсчетного прибора;

Е — освещенность на поверхности фотоэлемента.

60

Для выбранных уровней освещения 1 , 2 , . . . п получим І х

----- КЕХ, / 2 — К Е 2,. . ., Іп = КЕп, где К — постоянная величина для данной измерительной пары. Если при проверке на несколь­ ких уровнях освещенности наблюдается отступление значений К от постоянной величины, превышающее 0,3% т. е. не соблюдается равенство

/ і _ Е х

то необходима градуировка измерительной пары с обязательным построением градуировочного графика поправок, которые должны в дальнейшем учитываться в измерениях.

Форма люкс-амперной характеристики измерительной пары, представляющей собой градуировочный график, зависит от отно­ шения внутреннего сопротивления селенового фотоэлемента к со­

таллического электрода, контактов фотоэлемента.

При освещенностях порядка 30—40 лк сопротивление гх для селеновых фотоэлементов составляет 90— 100 кОм и г2 гх. Сопротивление гн, включающее в себя сопротивление микроам­ перметра (гальванометра) и подводящих проводов, не превы­ шает 1 кОм. В этом случае знаменатель в выражении (И) близок к 1, а форма люкс-амперной характеристики близка к прямо­ линейной.

Малые отступления от линейности учитываются каждый раз, когда заменяется один из элементов измерительной пары, и кон­ тролируются периодически по эталонным образцам, светопропускание которых известно. При измерениях образец стекла 5 (рис. 25) располагают под углом 5— 10° к оси коллиматора, чтобы исключить ошибки за счет попадания отраженных пучков.

Существующий ГОСТ 3520—51 предусматривает измерение коэффициента светопоглощения с зеленым светофильтром, устана­ вливаемым перед диафрагмой коллиматора фотометра. Это нахо­ дится в противоречии с определением коэффициента светопогло­ щения как величины, измеренной для потока белого света, которое дает тот же стандарт и в случае оптических сред, имеющих изби­ рательность в поглощении, приводит к существенно различным результатам.

61

Коэффициенты светопоглощения оптического стекла прибо­ ров, рассчитанных для работы в широком спектральном интервале, необходимо контролировать и нормировать во всем интервале длин волн видимого спектра.

При расчете полезного пропускания оптических приборов иногда необходимы сведения о спектральных характеристиках пропускания бесцветного оптического стекла в близкой ультра­ фиолетовой области спектра. Для решения этой задачи устано­ влены параметры, определяющие коротковолновую границу про­

где

а Ах, А2 и А3 определяются при спектрофотометрических изме­ рениях образца стекла как значения длин волн по спектру, при которых коэффициенты пропускания образца стекла тг, т 2 и т 3 соответственно составляют 93,3; 50,0 и 80,3% после исключения потерь на отражения от поверхности образца. Длины волн Ах, А2 и А3 измеряют на образцах стекла толщиной около 10 мм, со сторонами 20x25 мм с помощью спектрофотометра СФ-4 или СФ-4А. Зная значения длин волн Асп и Агр, по формуле (12) можно рассчитать оптическую плотность Dx, а также найти соответ­ ствующие значения х'% при любой длине волны на участке спада кривой спектрального пропускания и для любой толщины стекла.

По требованию заказчика в паспорте на стекло можно ука­ зать величины Асп и Агр, характеризующие границу светопропускания в коротковолновой области спектра.

62

В ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра про­ зрачность оптического стекла определяется показателем светопоглощения kx. Показателем светопоглощения называется вели­ чина, обратная расстоянию, на котором поток монохроматиче­ ского излучения ослабляется в результате поглощения в стекле в 10 раз:

/ — толщина образца в см.

Метод определения показателя поглощения основан на изме­ рении коэффициент пропускания х'% образца контролируемого материала путем сравнения монохроматического светового по­ тока излучения, прошедшего через образец, с тем же монохрома­ тическим потоком, прошедшим через воздух.

Измерение выполняется на спектрофотометре СФ-4А для ультрафиолетовой и ближайшей инфракрасной области спектра и на спектрофотометрах ИКС-12 или ИКС-21 для области спектра Я > 1,2 мкм.

Спектрофотометрические измерения выполняют для ряда длин волн заданного спектрального интервала на круглых образцах диаметром 25—30 мм или прямоугольных с одной из сторон около 25 мм. Толщина образцов не должна превышать 10 мм, так как большая толщина приведет к заметному искажению пуч­ ка лучей вследствие преломления.

Клиновидность образцов не должна превышать 1°. Требова­ ния к чистоте полировки торцов те же, что и к образцам для про­ верки коэффициентов светопоглощения. Последовательность изме­ рения спектральных коэффициентов пропускания изложена в ин­ струкции к пользованию соответствующим спектрофотометром.

Однако необходимо указать на некоторые особенности. Измере­ ние коэффициента пропускания образца для каждой длины волны следует выполнять не менее 5 раз, для этого контролируемый образец вводят в измерительный канал спектрофотометра, далее по шкале спектрофотометра фиксируют отсчет, соответствующий пропусканию образца для данной длины волны, затем образец

63

выводят из канала, контролируют значение полного светового потока Ф0, к и вновь вводят образец. Коэффициент т'х, вычисляют как среднее арифметическое измеренных значений, при этом убеждаются в хорошей (соответствующей паспортной точности) воспроизводимости результатов. Измерение на участках спек­ тральных кривых с быстроменяющимся коэффициентом пропу­ скания выполняется через 0,05 мкм, а на пологих участках че­ рез 0, 1—0,2 мкм.

Для изготовления светофильтров, защитных колпаков, линз, призм и других оптических деталей приборов, для которых тре­ буется высокое пропускание в инфракрасной области спектра, применяют оптические бескислородные стекла марок от ИКС-22 до ИКС-30.

Оптические бескислородные стекла прозрачны в области 1—■ 11 мкм. Показатели светопоглощения образцов бескислородных стекол вычисляют по результатам измерений коэффициентов пропускания т^, причем из-за высокого показателя преломления бескислородных стекол коэффициент отражения рл от двух по­ верхностей образца необходимо вычислять с учетом многократ­ ного отражения луча в стекле.

8. Характеристики цветного стекла

Отечественная промышленность выпускает цветные оптиче­ ские стекла 118 марок. По своему назначению и спектральным характеристикам цветные стекла чрезвычайно разнообразны. Среди них большая группа марок цветного стекла, предназначен­ ная для изготовления светофильтров, выделяющих отдельные участки спектра, от ультрафиолетовой до инфракрасной области с длиной волны до 3000 нм; теплозащитные стекла; стекла, пред­ назначенные для трехцветной проекции, колориметрии, фото­ графии. Область промышленного применения той или иной марки цветного стекла определяется его спектральными свойствами. Последние характеризуются числовыми значениями показателей светопоглощения или оптической плотности и спектраль­ ными кривыми коэффициента пропускания и оптической плот­ ности.

Сведения о физических, химических и спектральных свой­ ствах цветных стекол приведены в каталоге цветного стекла

[30].

64

По окраске цветное стекло разделяют на следующие типы.

По характеру применяемых красителей цветное оптическое стекло делят на две группы: окрашенное селеном и сернистым кадмием и окрашенное молекулярно растворенными красите­ лями.

Ко второй группе обычно относят стекла, не содержащие в своем составе красящих добавок, и стекло марки ПС8.

Спектральные характеристики стекол первой группы, вклю­ чающей в себя желтые, оранжевые и красные стекла, опреде­ ляются числовыми значениями следующих величин:

Я.пр — длиной волны, характеризующей условно принятую границу пропускания по спектру, т. е. длиной волны, при которой

мой как разность плотности в заданной толщине при длинах волн Хпр —■20 нм и А,

По допускаемым отклонениям А,пр от установленных значений

Молекулярно окрашенные стекла подразделяют на избира- тельно-поглощающие и нейтральные. Спектральная характери­ стика молекулярно окрашенных стекол с избирательным погло­ щением определяется значениями коэффициента светопоглоще­ ния k%при установленных длинах волн X для стекла каждой марки.

Нейтральные стекла характеризуются числовым значением среднего коэффициента светопоглощения kcp, определенного как среднее арифметическое из значений коэффициента светопогло­

каждой марки стекла. Значение Оср вычисляют как среднее ариф-

метическое из абсолютных значений коэффициента светопоглощения kx в оговариваемой области спектра от измеренных зна­ чений kcp в той же области и выражается в процентах.

Величина 0 шах определяется как максимальное из абсолютных значений отклонения коэффициента светопоглощения kx от изме­ ренной величины kcp и выражается в процентах от kcp.

По оптической однородности, двойному лучепреломлению, бессвильности и пузырности оптические селено-кадмиевые и молекулярно окрашенные стекла разделяются на категории и классы в соответствии с ГОСТом 3514—67. Высшая категория, возможная для поставок стекла каждой марки, устанавливается в зависимости от габаритных размеров детали техническими условиями на стекло.

Измерение спектрального пропускания образцов оптического цветного стекла выполняют на кварцевых фотоэлектрических спектрофотометрах типа СФ-4 или СФ-4А, снабженных компен­ сационными ламповыми схемами и позволяющих проводить из­ мерения в области спектра от 220 до 1100 нм. Метод измерения заключается в сравнении тока фотоэлемента, освещенного моно­ хроматическим светом, прошедшим через образец, с током того же фотоэлемента, освещенного тем же монохроматическим потоком, прошедшим через воздух или образец сравнения.

Коэффициент пропускания определяется отношением

ХЬ — N ’

где Ni и N — показания отсчетного потенциометра при осве­ щении фотоэлемента световым потоком, прошедшим через испы­ туемый образец, и световым потоком, свободно прошедшим на фотоэлемент. Коэффициент светопоглощения цветного стекла вы­ числяют так:

где Dx = —lg т^;

Dr — поправка на отражение от двух поверхностей образца;

Здесь Akx— погрешность определения kx, D%— оптическая плотность образца;

AI — погрешность определения толщины образца; Ат^— погрешность измерения коэффициента пропускания,

определяемая по формуле

+ drx Ахх — ± £>тх dX AK

66

где S% — погрешность измерения, обусловленная наличием рас­ сеянного света в образце;

— тенгенс угла наклона кривой коэффициента пропу­ скания в точке, соответствующей длине волны К:

ДА, — погрешность отсчета по шкале длин волн. Измерениям подлежат образцы прямоугольной формы размером

примерно 15x25 мм или диски диаметром 5 мм. Толщина образца должна быть такой, чтобы коэффициент пропускания при всех длинах волн, для которых требуется измерение, находился в пре­ делах значений 0,1—0,8. При этом толщина образца не должна быть более 40 и менее 0,3 мм, допустимая разнотолщинность об­ разца на длине 25 мм не более 0,5 мм. Толщина образца должна быть измерена с точностью 0,5%.

Рабочие грани образцов полируют на смоле без контроля проб­ ным стеклом. На участках, подлежащих измерениям, не должно быть видимых следов недополировки, а также свилей, пузырей и других внутренних неоднородностей.

Светофильтры из цветного стекла широко применяются в фото­ графической практике как корректирующие, контрастные све­ тофильтры при портретной, пейзажной и воздушной съемках, как специальные светофильтры при печати, в микрофотографии, спектроскопии. Светофильтры из цветного стекла, применяемые при съемках на фотографические материалы, характеризуются величиной фотографической кратности. Эта величина обусловлена спектральной чувствительностью применяемого фотографического материала и условиями освещения при съемке. Фотографическая кратность показывает, во сколько раз должна быть увеличена экспозиция, необходимая для достижения нормальной плотности почернения при фотографировании через светофильтр.

Аналитически фотографическую кратность можно вычислить

Экспериментальное значение величины фотографической крат­ ности цветного светофильтра определяют на стандартном сенси­ тометре. Для этого на заданном фотоматериале экспонируются два отпечатка стандартного сенситометрического клина: один при свободном прохождении света от эталонного источника через стандартный клин на первый фотоматериал, другой при наличии светофильтра, кратность которого требуется определить, его устанавливают между эталонным источником и вторым фотома­ териалом. Затвор стандартного сенситометра работает по прин­ ципу свободно падающего тела, и для данной географической широты местности эффективная выдержка его постоянна.

Экспонированный фотоматериал с впечатанными сенситоме­ трическими клиньями для проявления крепят к стеклу с помощью двух резиновых зажимов и проявляют в кювете.

Для устранения гидродинамического эффекта при проявлении кювету покачивают с периодом примерно одина раз в 30 с. Процесс проявления ведется до оптимальной чувствительности фотомате­ риала. Фотометрирование полученных сенситограмм выполняют на денситометре ДФЭ-10.

По первой сенситограмме определяют коэффициент контраст­ ности, достигнутый при проявлении первого фотоматериала, и область нормальных экспозиций. Затем на первой и второй сен­ ситограммах выбирают одно и то же поле сенситограммы и опре­

должны соответствовать прямолинейному участку характеристи­ ческой кривой сенситограммы 1.

Значение фотографической кратности светофильтра опреде­ ляют так;

и2.

Втабл. 10 приведены значения фотографической кратности

светофильтров трех типов, определенные для панхроматического фотоматериала, и спектральные характеристики светофильтров (А,пр и крутизна спектральной кривой).

Как видно из табл. 10, значение фотографической кратности Д цветных светофильтров колеблется в весьма широких пределах даже для светофильтров, изготовленных в пределах второй кате­ гории по Кпр. Поэтому для экспонометрического расчета про­ цесса фотографирования совершенно необходимо знание фак­ тической фотографической кратности светофильтра для заданных условий фотографирования.

С8

Таблица 10

9. Измерение показателей преломления кристаллов

1. Общие сведения о кристаллах

Кристаллы находят широкое применение в оптическом прибо­ ростроении. Основное преимущество кристаллов в сравнении с другими видами материалов — многообразие их физических

имеханических свойств. Большинство кристаллов прозрачно на широких участках спектра, а значения показателей преломления

идисперсии изменяются в кристаллах значительно сильнее, чем

вдругих материалах. Только кристаллические материалы имеют двойное лучепреломление. Многие кристаллы имеют высокую температуру плавления, что позволяет использовать их в качестве термостойких материалов.

Уже давно для оптических целей использовались природные кристаллы каменной соли (NaCl), сильвина (КС1), флюорита

(CaF2), кварца (Si02), кальцита (СаС03— исландский шпат) и слюды, из которых изготовлялись призмы, компенсаторы и оптические детали поляризационных приборов. Однако природ­ ные оптические кристаллы редко имеют необходимые размеры и качество. Современная техника выращивания кристаллов позво­ лила получить кристаллы, ранее не встречавшиеся в природе, например, фтористый литий LiF, фтористый барий BaF2, бро­ мистый калий КВг, кремний Si, германий Ge и др. [11]. Для контроля качества кристаллов и измерения их оптических пара­ метров необходимо знать особенности распространения света в кристаллах. Рассмотрим наиболее важные из них [7, 47, 82].

Основное отличие кристаллической среды от сред, подобных оптическому стеклу, заключается в явлении двойного лучепре­ ломления. Это явление вызвано различием скоростей распростра­ нения в кристалле двух световых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, т. е. с оптической точки зрения анизотропия среды характеризуется различной по разным напра­ влениям способностью среды реагировать на действие падающего

6 9