книги из ГПНТБ / Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (фотометрия)

Г Л А В А С Е М Н А Д Ц А Т А Я

СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

141. Спектрофотометры. Световые измерения в однородном ил одноволновом (иначе монохроматическом) свете выполняются преиму­ щественно при помощи особых приборов, называемых спектрофото­ метрами. В более редких случаях для тех же целей применяются цветные поглотители (иначе — фильтры, например, красное, зеленое или синее стекло в оптических пирометрах). Спектрофотометр пред­ ставляет собою обыкновенно совокупность монохроматора и фото­ метра. Фотометр может быть зрительным или с физическим приемни­ ком. Зрительные спектрофотометры в последние годы выходят из употребления.

142. Монохроматоры. Различают монохроматоры однократны

с наружной стороны объективную или входную щель (Sc), а с внут­ ренней — собирающую линзу, 2) разлагающая свет (дисперсионная) призма (Р) или дифракционная решетка, и 3) зрительная труба (теле­ скоп), имеющая с внутренней стороны собирательную линзу, а с наружной — окулярную или выходную щель (St).

Приборы с дифракционной решеткой обыкновенно не применяются при световых измерениях из-за больших потерь света. Однако усо­ вершенствования в деле изготовления решеток и повышение чувстви­

призма обыкновенно делается из так называемого флинтгласа (стекло определенного состава) и имеет угол между преломляющими сторо­ нами в 60°. В некоторых приборах призма неподвижна, а зрительная труба может поворачиваться, чтобы наблюдать различные участки спектра. Такие приборы иногда носят отдельное название: с откло­ няемой зрительной трубой. Применяются также приборы, в которых телескоп закреплен неподвижно (рис. 142. 2).. Призма же может

поворачиваться. Эти приборы иногда называются: с неподвижными трубами. К их числу принадлежит и спектромер с дифракционной решеткой (рис. 142. 3), нанесенной на какой-либо стороне призмы полного внутреннего отражения.

Плоскости щелей перпендикулярны к осям трубок. Стороны щели, образующие ее высоту, параллельны преломляющим плоско­ стям призмы. Ширина и высота щели обычно могут меняться. При этом щель снабжается устройством, показывающим ее ширину и иногда высоту. Проходящие сквозь входную щель (Sc) лучи от источ­ ника света (В) собираются линзой коллиматора и посылаются далее ею на призму параллельным пучком. Проходя призму, пучок раз­ лагается в спектр, причем лучи каждой определенной длины волны идут параллельно. Такой -параллельный пучок собирается линзой

st

Рис. 142. 2. Рис. 142. 3.

телескопа, и в плоскости окулярной щели дается изображение объективной щели в виде, разложенном на спектральные части. К телескопу может прикрепляться окуляр, который позволяет рассматривать спектр в увеличенном виде; при этом окуляр наво­ дится на щель.

Если источник света дает линейчатый спектр,, то глаз видит в окуляр полосы одноволнового цвета, высота и ширина которых обусловливаются высотой и шириной объективной щели; точнее говоря, высота полос зависит также от высоты светящегося .тела источника света и способа освещения щели и линзы собирательной трубы. Между полосами •— темные промежутки. Расположение полос

иих относительная яркость являются свойствами, присущими дан­ ному источнику света. Если же источник дает сплошной спектр, то глазу видна непрерывная световая полоса цветов от фиолетового до красного. Высота полосы зависит от высоты объективной щели

иот способа освещения. Ширина обусловливается рассеивающими (дисперсионными) свойствами призмы (или решетки).

Глаз, смотрящий в прибор через окулярную щель без окуляра, видит сквозь оптическую систему монохроматора источник света однородно окрашенным. Яркость его зависит от ширины обеих щелей; зависимость от ширины окулярной щели имеется тогда, когда

372

она уже зрачка глаза. Если источник света таких размеров, что он полностью перекрывает сечение конуса (рис. 142. 4) лучей, соби­ раемых коллиматором, то глаз видит линзу зрительной трубы, освещенной по всей площади (очертания источника света не видны). При этом линза или площадь ее, выделяемая соответственными окнами (диафрагмами), кажется одинаковой (по всей площади) ярко­ сти, если источник света имеет одинаковую яркость по своей пло­ щади. В качестве такого источника иногда применяют светоиз­

м а торы. Обычным и при­ том очень существенным недостатком однократного монохроматора яв­

ляется заметное количество рассеянного света: кроме приблизительно одноволнового света в выходную щель проникает еще свет различных длин волн (см. п. 145), что вносит ошибки в измерения. Естественным способом улучшения чистоты выделенного участка спектра является повторное пропускание одноволнового света с примесью рассеян­ ного света — сквозь второй монохроматор. Если после первого монохроматора примесь составляла, например, 3% (по мощности или по яркости, что, понятно, не одно и то же), то после второго

она должна бы составить уже только 0,03 X 0,03 или 0,09% (на самом же деле —обыкновенно немного более расчетного значения).

Сочленение двух однократных монохроматоров в двойной может быть различным не только с точки зрения собственно устройства, но и по способу прохождения света. Различают два вида двойных монохроматоров: с однократным разложением.(дисперсией) и с двой_ным. На рис. 142. 5 упрощённо изображен ход лучей при однократ­ ном разложении. Призмы — неподвижны. Выделение одноволно­ вого света производится перемещением средней щели S. Если ее со­ всем вынуть, то из выходной щели выйдет неразложенный свет,'так как расположение призм такое, что действие (в смысле разложения) их обратное. Изменяя ширину средней щели и перемещая ее (перпенди­ кулярно лучам света), можно пропустить через второй монохроматор

373

большую или меньшую полосу спектра, притом определенных длин волн. Для исследовательских целей можно, например, сделать две (или более) узких щели и тогда в выходной щели получится смесь двух одноволновых пучков света заданных длин волн. Вторая половина монохроматора (правая часть на рисунке) производит только устранение рассеянного света, без дополнительного раз­ ложения. Дополнительные линзы у средней щели помещены для того, чтобы направить все лучи света из линзы (телескопической) у первого монохроматора в линзу (коллиматорную) у призмы вто­ рого; вместе с тем они исправляют один оптический недостаток прибора: лучи света разных длин волн, кроме одной длины, проходят призмы не под углом наименьшего отклонения, как это полагается для монохроматоров.

Изменение длин волн света производится одновременным поворотом обеих призм, для чего делается подходящее устройство.

Приборы обоих видов приблизительно -неодинаковой степени задерживают рассеянный свет удаленных — по отношению к прохо­ дящей длине волны — участков спектра; но первый вид, кроме того, немного лучше устраняет рассеянный свет и от близких участков. Для измерений повышенной точности предпочитают применять двой­ ные, а не однократные монохроматоры.

143. Получение полей сравнения для зрительных световых изме рений. Для целей световых измерений при помощи глаза необхо­ димо иметь два поля сравнения. Оба поля могут принадлежать одному источнику света, так что каждое поле создается отдельным пучком лучей, который можно ослаблять или усиливать по яркости

и такие способы измерений, при которых каждое поле создается отдельным источником света.

Оба пучка направляются одним или двумя коллиматорами через одну и ту же разлагающую призму (или решетку) и собираются одной зрительной трубой. I

374

Различают два вида полей сравнения: 1) полосы спектров рас­ полагаются друг над другом и 2) поля сравнения являются одно­ родными (монохроматическими). Первый вид получается в приборах, в которых разложенный спектр (изображение его находится в пло­ скости окулярной щели) рассматривается сквозь окуляр. Спектр (А) одного пучка света лежит над другим (В); по вертикальной линии длины волн обоих спектров одинаковы (рис. 143. 1). Выходная щель (S,) частично прикрывает спектр, открывается же для наблю­

спектр рассматривается без окуляра сквозь щель (п. 142). В этом случае оба поля являются вполне одноцветными; им можно придать различные очертания, обычные для фотометров (круг, снаружи кольцо; круг, разделенный пополам; прямоугольник, пересекаемый полоской и т. д.); можно иметь как равнояркостные, так и контрастные поля.

144. Поверка на длины волн. Некоторые приборы имеют указ тели длин волн спектра в зависимости от положения призмы или зрительной трубы непосредственно в тех или иных единицах длины.

Гелий

Другие приборы этого не имеют, а снабжены лишь условными деле­ ниями и указателем для отметки положения призмы или зрительной трубы. Первые приборы время от времени нуждаются в поверке своей шкалы, особенно после сотрясений, переноски и резких изме­ нений температуры. Вторые требуют градуировки и также повре­ менной поверки. Поверка может выполняться в немногих точках шкалы. Градуировку же предпочтительно выполнять в возможно большем числе точек. Для этой цели пользуются хорошо изученными спектрами, например, водорода, гелия, ртути, меди, серебра, цинка и т. д. (рис. 144. 1).

От ртутной лампы пользуются линиями: 579,1; 577,0; 546,1; 491,6; 435,8; (434,8); (434,0); 407,8; 404,7 нм.

375

От медной дуги берут: 578,2; 570,0; 522,0—521,8; 515,3; 510,6; 507,6; 465,1; 458,7; 448,0; 437,8; 427,5; 417,8; 406,3; 402,3 нм.

От гелия применяют: 706,5; 667,8; 587,6; 501,6; 492,2; 471,3; 447,1; 388,9 нм.

От водорода: 656,3; 486,2; 434,0; 410,2 нм.

145. Определение ширины щелей и ширины спектра. При спект фотометрических измерениях с источником света со сплошным спектром нельзя было бы выделить очень узкую часть спектра, так как тогда его мощность была бы мала и световые измерения оказались бы затруднительными. На практике часто имеют дело с участком спектра от одного до десяти нанометров, последняя цифра составляет уже значительную долю спектра (вся ширина

меры предосторожности (см. п. 150).

Ширина щелей определяется опытным путем. Применяется тот или другой источник света с линейчатым спектром. В однократных монохроматорах дело обстоит так. Наблюдатель смотрит в зритель­ ную трубу; при этом, если прибор имеет окуляр (лупу), дающий изображение на зрачке глаза, то этот окуляр устраняется (иногда вместе с тем надо применить другой окуляр). Как указывалось ранее, в поле зрения видна выходная щель (Sf) (рис. 145. 1) со сто­ ронами ef и gh* и светящаяся полоска входной щели (Sc) со сторо­ нами ab и ей. Изменяя ширину последней щели (Sc), видно, что сто­ роны ab и ей сближаются или удаляются. Воздействуя на механизм, поворачивающий призму (или зрительную трубу), подводят сто­ рону ab вплотную к краю выходной щели ef. Замечают показания монохроматора (в длинах волн). Затем продолжают поворачивать призму (или зрительную трубу), пока край изображения входной щели cd не совпадет с той же стороной ef. Разность двух отмеченных показаний дает ширину входной щели (в длинах волн). Для повыше­ ния точности следует также определить ширину входной щели

* В действительности края щели почти невидимы; их приходится отдельно подсвечивать.

376

по подведению ее сторон cd и ab к другой стороне окулярной щели gh. Указанные измерения надлежит выполнить в разных областях спек­ тра, так как при одинаковой действительной ширине входной щели ширина ее в длинах волн спектра меняется по отдельным участкам спектра. Ширина входной щели влияет на чистоту спектра в пло­ скости окулярной щели. В самом деле, так как изображение входной щели освещается вполне однородным светом с длиной волны к и при

в данном бесконечно узком месте участка спектра будут находиться лучи с длинами волн к + А гк/2. Следовательно, спектр является не идеально чистым, а несколько смешанным.

Далее происходит добавочное смешение спектра. По ширине выходной щели, естественно, располагаются лучи различных длин волн; если сквозь бесконечно узкий участок в середине выходной

а у другого немного больше — (X -j- А 2к/2) + Ajk/2. На физический приемник попадает свет с длинами волн к + (А^к + А 2к)/2; при зрительных измерениях свет воспринимается в таком же смешении. В связи с этим надлежит определить ширину окулярной щели Д2^, что выполняется опытным путем. Именно, край ab объективной щели подводится вплотную к краю е/ окулярной щели; отмечается пока­ зание монохроматора (в длинах волн). Затем призма (или зрительная труба) приводятся в движение, пока край ab не совпадет со сторо­ ной gh окулярной щели. В этом положении производится второй отсчет показания монохроматора. Разница обоих показаний дает значение ширины окулярной щели А 2к в длинах волн. Таким обра­ зом, чистота спектра определяется суммой значений ширины обеих щелей: (АХА, А2к). Показание монохроматора длины волны к надо понимать, как к + (AxX. + А 2к)/2. Следует отметить, что если ширина окулярной щели взята значительной, то при зрительных измерениях глаз перестает наблюдать поля сравнения одноцветными.

В спектрофотометрах с противопоставленными спектрами, как на рис. 143. 1, казалось бы, не происходит добавочного смешения спектра из-за участия в оптической системе выходной щели: В дей­ ствительности, так как выходная щель выделяет небольшой участок спектра, так как угловые размеры полей сравнения невелики и так как, наконец, при выполнении световых измерений поля сравнения воспринимаются глазом целиком, а не по отдельным частям, то надле­ жит считать, что световые измерения производятся сразу с шириной

условностью представлено заполнение выходной щели светом раз­ ных длин волн. Пусть рассматривается средний участок видимого спектра от 552 до 566 нм, причем середина щели наведена на 559 нм. Длины волн в промежутке 551,5—552,5 обозначены на' рисунке цифрой 2, в промежутке 552,5—553,5 — цифрой 3 и т. д., до 565,5—

377

выходной щели имеется свет, смешанный (а не разделенный по высоте,

волн от 7 до 11 от А. — ДхА/2 до А, + ДхА/2. По ширине щели, следо­ вательно, состав смеси меняется. По рис. 145. 2 нетрудно выяснить влияние ширины выходной щели. Если ее расширить, то в выходя­ щем пучке появится свет еще с другими длинами волн, так что при расширении щели до 7 нм (в обе стороны по 1 нм) появляются волны с цифрами от 4 до 14. ЕГсли же щели сузить, то соответственно сокра­ щается и разнообразие длин волн, например, с 6 до 12.

В обоих случаях неравенства ширины выходной щели ширине входной — в выходном пучке изменяются пропорции смешения света с разными длинами волн. На это необходимо обратить внима­ ние, так как при более точных измерениях приходится даже вводить поправки на распределение мощности по длинам волн в выходящем пучке света. Мощность выходящего пучка света, очевидно, пропор­ циональна ширине входной щели и ширине выходной.

Очень узкие щели (примерно менее 0,01 мм действительной ширины) не применяют как вследствие возникновения заметного явления дифракции света, так и по причине влияния неровностей краев щели на образование неравномерности поверхностной плот­ ности выходящего пучка света. При слишком широких щелях выхо­ дящий пучок содержит свет с чрезмерно широкой полосой длин волн. Выбирают обычно щель такой наименьшей ширины, при которой мощность выходящего пучка достаточна для выполнения спектраль­ ных измерений с заданной точностью. Действительную ширину щелей берут в пределах 0,02—0,5 мм; часто применяют — 0,1 — 0,2 мм, переходя к 0,3—0,4 мм в сине-фиолетовой части спектра.

Пусть взят источник света со сплошным спектром одинаковой мощности по длинам волн (в спектре) и пусть монохроматор одина­ ково поглощает часть света, независимо от длины волны (условное предположение). Тогда распределение мощности по длинам волн

378

в выходящем пучке света для частного примера на рис, 145. 2 про­ порционально числу соответственных прямоугольников, т. е.:

Как правило, выбирают одинаковой ширину обеих щелей. В этом случае на долю той длины волны, по которой именно поверен прибор на длины волн (т. е. по оси щели), приходится наибольшая мощность. Делать выходную щель уже входной не следует потому, что при этом не полно используется энергия, поступающая в прибор и, кроме того, более широкая по­ лоса спектра (по длинам волн) ^выходящего пучка имеет одинаковую мощ­ ность. Если применена ши­ рина выходной щели более входной, то кроме умень­ шения чистоты спектра выходящего пучка опятьтаки более широкая полоса длин волн имеет одинако­

вую мощность; это ведет к снижению точности спектральных измерений (так как становится менее ясным, к каким длинам волн света относятся измерения; см. дальнейшее изложение).

На рис. 145. 3 показано распределение мощности по длинам волн в выходном пучке при разных соотношениях ширины щелей. Левая

(Учет изложенных сведений дается в п. 150.)

Что касается двойных монохроматоров, то все изложенное пол­ ностью относится также к их входной и средней щелям. Если оста­ вить без внимания рассеянный и поглощенный свет, то в плоскости выходной щели повторится такое же соотношение в распределении мощностей по длинам волн, какое выделено средней щелью.

Если в двойных монохроматорах с двойным разложением взять ширину (по спектру) выходной щели одинаковой со средней, то в выходном пучке окажется то же., что и найдено для средней щели (в предположении, что поглощение света во второй части двойного монохроматора одинаково для всех длин волн). При большем расши­ рении ничего не изменится, так как на добавленной ширине должна быть темнота. При сужении же выходной щели изменение мощности по длинам волн происходит так же, как и при сужении выходной щели у однократного монохроматора.

379

Пусть теперь средняя и выходная щели сделаны сначала равной ширины по спектру. Если, оставив ширину выходной щели прежней, расширять среднюю щель, то пучок света сквозь выходную щель остается без изменений; но если суживать — пучок станет умень­ шаться соответственно по мощности и действительной ширине, при повышении чистоты (кроме рассеянного света). При работе предпочитают среднюю щель делать немного более широкой (по спек­ тру), чем это требуется для равенства всех трех щелей: из-за несо­ вершенства оптики при изменении длин волн оси трех щелей по отно­ шению к выходящему пучку немного расходятся. Чтобы та или иная сторона средней щели частично не заслоняла выходящий пучок,

ееи расширяют практически без влияния на чистоту спектра.

Вдвойных монохроматорах с однократным разложением выход­ ная щель, если ее ширина равна входной, пропускает, если не счи­ таться с потерями, тот же пучок, что и средняя в отношении мощ­ ности и ее распределения по длинам волн. При дальнейшем расши­ рении щели ничего не должно меняться, так как приращение ширины приходится уже на неосвещенное пространство в приборе (не считая рассеянного света), а при сужении — мощность выходящего пучка света станет уменьшаться при сохранении неизменной чистоты.

Ширину щелей следует определять для разных областей спектра, так как при одной и той же действительной своей ширине ширина их в длинах волн окажется различной. Конечно, можно определить

ееи в одном участке спектра, а для других — пересчитывать про­ порционально дисперсии в этих участках спектра: ДХ(/А/, т. е. про­

порционально разности длин волн, приходящейся на единицу дей­ ствительной ширины спектра в плоскости щели. Обыкновенно заводизготовитель такую дисперсию указывает для данного прибора. Ее можно определить и опытным путем. Для этого в окуляр поме­ щают отсчетную шкалу или заменяют окуляр подходящим отсчетным микроскопом. Затем этим прибором измеряют в миллиметрах рас­ стояние между более или менее близкими спектральными линиями какого-либо источника света с линейчатым спектром. Такие измере­ ния делают в отдельных местах всего видимого спектра. Зная разность длин волн между двумя спектральными линиями (ДХг) (например, по справочным таблицам) и разделив его на измеренное расстояние между нимипо отсчетам в окуляре (Д/), вычисляют ДХ,,/Д/.

Может встретиться надобность определять ширину щелей в дли­ нах волн при тех ширинах щелей, с которыми в действительности производятся дальнейшие спектрофотометрические измерения. Очевидно, при градуировке надлежит изображение входной щели располагать посередине выходной щели.

В ы с о т а щ е л и . Для правильного действия монохроматора высота щели должна бы быть возможно меньшей. Но необходимость увеличивать мощность выходного пучка света побуждает увеличивать высоту. Обыкновенно (в существующих приборах) она берется в пре­ делах 2—6 мм. Оптика монохроматоров обычно устраивается одина­ ковой со стороны входа и выхода и потому высота действительного изображения входной щели в плоскости выходной щели равна той

380