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

высоте первой, по которой она получает освещение. Необходимо обратить внимание, что освещенность по высоте выходной щели

входной щели получает почти такой же световой поток, как и через середину (рис. 145. 4). Но оси пучков света, идущих через верх и низ входной щели наклонны к оптической оси монохроматора; поэтому по пути часть света заслоняется и не доходит до выходной щели. В двойных монохроматорах, во второй их половине, явление повторяется.

Если стороны входной щели прямолинейны, то лучи света, про­ ходящие щель на разной высоте, падают на призму под углами не вполне одинаковыми. При освещении монохроматора источником света с линейчатым спектром, изображение узкой входной щели

в плоскости выходной получается не в виде прямой линии (или точ­ нее —• узкого прямоугольника), а в виде изогнутой. В связи с этим стороны выходной щели иногда делаются криволинейными, в соот­ ветствии с очертанием изображения спектральной линии. Но чаще стороны делаются прямолинейными. При сплошном спектре у источ­ ника света это приводит к тому, что чистота спектра в выходном пучке меньше, чем если бы она зависела только от ширины щелей. Надо, следовательно, еще учитывать нарушение чистоты от криво­ линейное™ изображения — А3Х. Последняя величина находится опытным путем, как и и А3К. Обыкновенно Д3Я заметно меньше суммы + А 2%, и на практике ею часто пренебрегают, если только высота щели не слишком велика для этого. Не учитывают

нок труб (для ослабления этого трубы чернятся и перегораживаются поперечными щитками с окнами), от поверхностей линз и призм и по другим причинам в выходную щель попадает свет не только полагающихся длин волн, но и других г. В зрительных спектрофото­ метрах обыкновенно присутствие примеси незначительно в областях примерно от 0,51 до 0,66 мкм в случае применения при измерениях обычных электрических ламп накаливания, так как яркость этой

1 Запыление прибора внутри способствует увеличению рассеянного света.

381

области спектра значительна. К краям спектра Примесь ПоСтороШ него света в особенности заметна. Для устранения такого явления следует применять цветные поглотители, помещая их обыкновенна в окуляре или у выходной щели. При измерениях в областях корот­ ких длин волн применяют синий поглотитель (например, цветное стекло или окрашенную желатину), который должен хорошо пропу­ скать короткие длины волн и не пропускать прочие. Для области длинных волн применяются красные поглотители, не пропускающие свет остальных длин волн. В более ответственных случаях в зритель­ ный спектрофотометр (с однократным разложением) направляется свет не непосредственно от источника света, а предварительно пропу­ щенный через монохроматор и именно той длины волны, с которой производятся измерения в спектрофотометре. Присутствие посторон­ него света обнаруживается обыкновенно помощью небольшого («карманного») спектроскопа, сквозь который и нужно смотреть

вокуляр.

Вспектрофотометрах с физическими приемниками по соображе­ ниям трудности устранения рассеянного света в однократных моно­ хроматорах (особенно в участках спектра с малой мощностью лучи­ стой энергии при значительной — в других) предпочитают пользо­ ваться двойными монохроматорами.

146.Описание некоторых спектрофотометров. Довольно мно видов спектрофотометров предложено. Обычно каждый из них имеет какие-либо преимущества наряду с недостатками; иногда один вид более приспособлен к определенного рода измерениям, чем другой. Они различаются точностью, надежностью устройства и т. д. Пред­ ставляется затруднительным считать какое-либо устройство спектро­ фотометра бесспорно лучшим по сравнению с имеющимися другими.

Ниже описываются некоторые из наиболее употребительных. На семилетие 1959—1965 гг. объявлен выпуск приборов новых

Этот прибор для зрительных измерений имеет две собирательные трубы, расположенные под прямым углом одна к другой. Собранные ими пучки света направляются сначала на кубик Люммера—Брод^ хуна и затем на разлагающую призму. Каждая собирательная труба имеет раздвижные щели. На рис. 146. 1 показан в упрощенном виде ход лучей в приборе. Поля сравнения могут быть как равнояркост­

ные призмы, причем дисперсия одной в 1,5 раза более другой. Из­ мерения производятся в пределах от 370 до 1014 нм. Имеются поло­ зья вдоль осей входной и выходной труб для установки линз и из­ меряемых предметов. Монохроматор снабжается селеновым фото­ элементом и зеркальным гальванометром для измерений по его отклонению. Но, конечно, можно приспособить и другие физи­ ческие приемники. Назначение описываемого прибора — главным образом измерение спектральных коэффициентов пропускания.

382

фициентов пропускания растворов и т. д. в пределах около 0,2—1 мкм. Ход лучей показан на рис. 146. 3. От источника света А лучи падают

•о

Рис. 146. 1.

на вогнутое зеркало В, затем на зеркало С и, пройдя входную щель, — в монохроматор. Здесь свет падает на вогнутое зеркалоD, наружная поверхность которого покрыта алюминием, и от него на кварцевую призму Е. Призма имеет угол в 30° и ее задняя поверхность покрыта

алюминием. Отразившись от этой поверхности, свет еще раз проходит сквозь призму и, будучи разложенным, вновь падает на зеркало D„ Входная щель находится над выходной и немного выщеоси зеркалаБС Свет отражается от зеркала D под некоторым углом с его осью; соответственно под таким же углом он падает на зеркало и после призмы. Стороны щелей очерчены по кривой; высота щелей — 13 мм. После выходной щели одноволновой свет проходит испытуемое веще­ ство и затем падает на фотоэлемент. Одна часть спектра измеряется

383

криволинейной (нешаровой) взамен отдельной линзы. Установка на длины волн путем поворота призм сопровождается одновременно перемещением линзовых призм для изменения фокусного расстояния.

циентов отражения и пропу­ скания, причем значения их непосредственно вычерчиваются в виде кривой иа клетчатой (или иной) бумаге. Применен двой­ ной монохроматор с двукрат­ ным разложением (рис. 146.5). Одна сторона средней щели образована зеркалом для пово­

рота лучей (что немного улучшает оптические свойства данного при­ бора по сравнению с двойным монохроматором на рис. 142. 5). Изме­ нение длины волны выходящего пучка производится перемещением средней щели. Коли­ чественное изменение света для измерений со­ вершается помощью по­ ляризационного устрой­ ства. Выходящий из мо­ нохроматора свет(прой­ дя сквозь не показанную на рисунке линзу) про­ ходит поляризатор (призма Николя или Рошона), после которо­ го в дальнейшем исполь­ зуется лишь один пучок света (из двух); пло­

скость поляризации его можно поворачивать при повороте поляри­ затора. Затем этот пучок проходит неподвижную поляризационную призму (Волластона); после нее в дальнейшем используются два пучка света, плоскости поляризации которых взаимно перпендику­ лярны. Оба пучка проходят еще раз через поляризационную призму (Николя или Рошона), затем линзу (отсутствует на рисунке)

и каждый через свое окошко входит в небольшой полый, внутри выбеленный шар. Один пучок освещает испытуемый образец и другой — измерительную белую пластинку, спектральные коэффи­ циенты отражения которой известны. Пластинки приставляются снаружи к отверстиям в шаре.

В зависимости от поворота первого^ поляризатора световые потоки каждого из пучков, входящих в третий поляризатор и после него в шар, меняются (и, именно, пропорционально квадрату тан­ генса угла поворота, см. п. 95); при некотором повороте их можно сравнять. В- шаре есть еще окно, сквозь которое свет от стенок шара освещает фотоэлемент. Третий поляризатор при измерениях вра­ щается с постоянной угловой скоростью. При этом периодически меняется освещенность испытуемого и измерительного образца. Если отраженные ими потоки равны, то за время оборота освещен­ ность фотоэлемента не меняется. Если же они не равны, то в цепи фотоэлемента пойдет не постоянный, а меняющийся по величине (но не по направлению) ток.

Спектрофотометр снабжен несколько сложным автоматическим устройством. Оно использует меняющийся ток в цепи фотоэлемента, после значительного его усиления, для поворота первого анализа­ тора в такое положение, при котором уравниваются отраженные потоки и изменения тока в фотоэлементе прекращаются. Установлен­ ное положение первого анализатора отвечает определенному коэффи-' циенту отражения испытуемого образца; оно отмечается записываю­ щим механизмом. Перемещение средней щели для изменения длин волн производится также автоматически и оно связано с записываю­ щим механизмом.

Для определения спектральных коэффициентов пропускания испытуемый образец ставится снаружи шара по пути входа одного из пучков света и обе пластинки, приставляемые к шару, берутся белыми.

Ширина щелей для спектрального участка берется, например, 5—12 нм (часто 10) и не меняется для данной записи. Запись кривой спектральных коэффициентов отражения или пропускания произво­ дится в течение примерно от 1 до 12 мин, в зависимости от очертания этой кривой. Неточность измерений, при условии хорошей настройки прибора, примерно 2—4% при значениях коэффициентов более 0,15— 0,2. Следует обратить внимание, что благодаря применению шара измеряется именно коэффициент отражения, а не коэффициент ярко­ сти. Степень приближения окраски шара к белой влияет на точность

147.Сравнение спектров источников света. Измерение темп

ратуры. П р а в и л ь н о е п о л о ж е н и е и с т о ч н и к а света . Очень важно установить источник света в правильное положение по отношению к спектрофотометру. Обыкновенно такой прибор тяжел, громоздок, и потому его устанавливают на рабочем столе самостоя­ тельно, по уровню. Источник же света следует установить на под­ ставке, допускающей плавные перемещения ее в разные стороны,

386

а также ii повороты, чтобы облегчить перемещения укрепленного на ней источника. Рис. Г47. 1, 147. 2, 147. 3, 147. 4 и 147. 5 показы­ вают различные возможные положения источника света перед вход­ ной щелью спектрофотометра.

1. Возможно освещать белую пластинку, помещенную перед щелыо (рис. 147. 1). Это удобно при сравнении спектров источников света, особенно если они отличаются по устройству. Может быть, при измерениях потребуется учитывать расстояние от источника до пла-

Я

Рис. 147. 3.

Рис. 147. 1.

В зрительных спектрофотометрах такой способ освещения часто при­ меняется. При измерениях физическими приемниками приходится считаться с тем, что требуется в подобных случаях применять очень чувствительные приемники — фотоумножители или фотоэлементы с большим последующим усилением тока, так как в спектрофотометр попадает немного света. При взаимных сличениях двух (и более) источников света спектральные коэффициенты белой пластинки исключаются из расчетов.

2. Если источник света непосредственно освещает входную щел (рис. 147. 2), то следует различать положения, при которых во вход­ ную линзу поступают лучи от всего источника или только от части его.

В пределах некоторого близкого расположения от входной щели, зависящего от угла захвата или от светосилы линзы, на нее могут упасть лучи лишь от части светящегося источника. Такое расположе­ ние применяется обыкновенно при источниках с одинаковой яркостью по всей поверхности и, вместе с тем, не очень мощных (чтобы излишне не нагревать прибор), например, при люминесцентных лампах.

При перемещении источника вдоль оси угла захвата — ближе или дальше от входной щели — световой поток, падающий на вход­ ную линзу, не меняется, если только светящееся тело источника имеет одинаковую яркость (в направлении к щели) и светящаяся поверхность полностью перекрывает угол захвата. Угол захвата при этом рассматривается с учетом высоты щели.

3.Иногда мощные источники света, например, прожекторные лампы в 1,5 кет и более со спиральными нитями можно удалять от спектрофотометра так, что все светящееся тело освещает сквозь щель входную линзу. При соблюдении последнего условия можно пользоваться правилом квадратов расстояний между источником света и щелыо, если по ходу измерений требуется изменять эти расстояния.

4.При источниках света со светящимся телом сравнительно небольших размеров, например при лампах накаливания, наиболь­ ший световой поток — в выходной щели — можно получить, поль­ зуясь бесцветной линзой (простой или ахроматической). Такой спо­ соб освещения позволяет также удалить источник света (т. е. излу­ чатель иногда большого количества энергии) от спектрофотометра. Обыкновенно подбирают линзу с такой же светосилой, как и у вход­ ной линзы спектрофотометра. Изображение светящегося тела дают

вплоскости входной щели, обычно в размере, равном действитель­ ному. Если применена простая или вообще недостаточно исправлен­ ная в отношении ахроматизма линза, то надо иметь в виду, что размер действительного изображения светящегося тела в разных длинах волн оказывается не вполне одинаковым. Это обстоятельство может затруднить выполнение, например, таких спектральных измерений,

вкоторых оказываются количественно связанными измерения в раз­ ных длинах волн — у одного и того же источника света.

Затрудняет это также в некоторых случаях правильное исполь­ зование измерительных ламп с известным распределением лучистой мощности по спектру, так как практически почти невозможно исполь­ зовать в разнообразных условиях измерений данной лаборатории именно ту часть изображения, которая участвовала при поверке лампы (во ВНИИМ). Кроме того, надо учитывать, что, например, при поверке лампы на цветовую температуру (по подбору цвета) данные относятся ко всему светящемуся телу; а, как известно, отдельные участки спиральной нити имеют разные цветовые температуры

(внутри спирали и вне ее).

Выход найден в том, что для спектральных измерений измеритель­ ные лампы, поверенные на распределение лучистой мощности по спектру, поверяются с той же линзой, с которой впоследствии должны применяться. Вместе с тем в качестве таких ламп берут или

38S

светоизмерительные лампы типов № 6 или'№ 7, или прожекторные лампы иа 500 или 1000 вт, ПО в. Эти лампы имеют шесть отрезков спиральной нити. Лампу ставят так, чтобы отрезки находились один позади другого, так что изображения их накладываются друг на друга; в щель направляется средняя часть изображения. В ответ­ ственных случаях надо опытным путем проверять, что незначитель­ ное смещение изображения в плоскости щели, в пределах точности глазомерной установки, не оказывает влияния на относительное распределение по спектру.

5. Если нужно использовать свет от всего светящегося те и притом получить возможно больший световой (или лучистый) поток в выходной щели, то. применяют бесцветную линзу (обыкно­ венно простую), ставя ее рядом со щелью так, чтобы она давала изображение светящегося тела в середине призмы (или на входной — собирательной — линзе). При этом изображение должно по раз­ мерам заполнить почти всю входную линзу, будучи немного менее ее (если только нет другого требования — чтобы при всех длинах волн изображение нити в середине призмы не заслонялось чемлибо).

Надо заметить, что описанный способ освещения лишь на немного увеличивает мощность выходного пучка по сравнению со спо­ собом 3.

Применяются такие приемы для проверки правильности уста­ новки источника света. Кусочек толстой белой бумаги помещают рядом с собирательной линзой, спереди ее или позади, вблизи призмы. Смотрят, равномерно ли освещена бумага по площади, соответствую­ щей площади линзы, что должно происходить при способах 1, 2 и 4. Источник света немного перемещают в разные стороны, чтобы убе­ диться, что он занимает наилучшее положение. При способах 3 (для наблюдений входная щель суживается) и 5 все изображение светящегося тела должно симметрично располагаться на линзе (или на призме).

В зрительных спектрофотометрах с двумя полями зрения и соот­ ветственно с двумя пучками света сравнения спектров источников света выполняются таким образом, что один источник света освещает одну щель входной трубы, а другой — вторую. Как это часто имеет место в световых измерениях, предпочитают пользоваться способом замещения: применяется лампа сравнения, с которой по очереди сличаются спектры сравниваемых ламп.

На рис. 147. 2 показан один из возможных способов сравнения спектров ламп. Чтобы можно было подальше отодвинуть друг от друга источники света, перед каждой (или только перед одной) щелями спектрофотометра помещаются призмы полного внутрен­ него отражения. Каждый из сравниваемых источников света / 0 и I s должен устанавливаться, как это описано выше.

О т н о с и т е л ь н о е р а с п р е д е л е н и е л у ч и с т о й м о щ н о с т и по с п е к т р у . В ы д е л е н и е с п е к т р а л ь- н ы х л и н и й . Часто ставится задача измерить только относитель­ ное распределение лучистой мощности по спектру. В обычной практике

389

это делается путем сравнения с измерительной лампой, для кото­ рой известно или относительное распределение лучистой мощности по спектру, или цветовая температура.

Удобнее произвести измерения по всему спектру в разных длинах волн, например, через 10 нм, сначала с исследуемым источником света, затем — при тех же длинах волн — с измерительной лампой. Жела­ тельно потом вновь вернуться к повторным, но очень сокращенным измерениям исследуемого источника, чтобы убедиться в повторяе­ мости наблюдений. Ширина щели при измерениях исследуемого и измерительного источника могут быть разными. Желательно при измерениях каждого источника света не менять ширину щелей. Однако по соображениям необходимости изменять ширину выделяе­ мого участка спектра или при надобности увеличить либо уменьшить отсчеты по измерительному устройству (т. е. по фотоэлементу, тер­ мостолбику и т. д.) — этого совета не всегда можно придерживаться. Во всяком случае изменяют ширину щели возможно реже, например 2—3 раза для всего видимого спектра. Изменение ширины щели при последующих вычислениях приходится учитывать, именно — вво­ дить в расчет отношение двух значений действительной ширины, так как для измерительной лампы дается относительное распределе­ ние мощности при одной и той же (по разности длин волн) ширине выделенного участка спектра. Обыкновенно избегают брать указан­ ное отношение по отсчетам измерительного устройства у щелей, а предпочитают его находить по двум или более отсчетам измерителя лучистой мощности (т. е. по фотоэлементу и т. д.) при одной и той же длине волны, но при прежней ширине и при новой (но не наоборот, чтобы не сдвигать уже установленную щель). Измерительная лампа устанавливается по отношению к спектрофотометру так, как это было при ее поверке, т. е. используется свет или от всего светящегося тела, или только от части его. Что же касается исследуемого источ­ ника света, то его положение, т. е. измерения от всего светящегося тела или только от его части, определяется задачами, поставленными при исследовании.

Если кроме относительного распределения лучистой мощности по спектру необходимо еще определить отношение или яркостей, или сил света в разных длинах волн, то кроме выбора правильного поло­ жения надо еще в соответствии с ним в надлежащих случаях учиты­ вать и расстояния (см. выше). Так, если применялось расположение по способу 3, то при разных расстояниях от входной щели сравнивае­ мых источников надо вводить отношение квадратов этих расстояний. При расположении по способу 5, т. е. с линзой у щели, светящиеся тела сравниваемых источников света должны находиться на одном

итом же расстоянии. Если это невозможно, то надо применять разныелинзы, которые давали бы изображения обоих источников на одном

итом же месте в монохроматоре. В расчеты вводится отношение

квадратов расстояний источников до щели, рядом с которой распо­ лагаются по очереди линзы. Спектральные коэффициенты пропуска­ ния линз должны быть одинаковы или надо вводить поправку на отношение их.

390