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

Если источник света имеет как непрерывный спектр, так и линей­ чатый (например, у люминесцентных ламп), то для определения отно­ сительной мощности линий поступают так. Около ожидаемого положе­ ния спектральной линии наблюдают показания прибора, измеряю­ щего мощность выходного пучка, при постепенном изменении длин волн, чтобы найти наибольшее показание, которое учитывает как мощность линии, так и мощность непрерывного спектра. Последнюю нужно вычесть. Для этого измеряют мощность непрерывного спектра по обе стороны от спектральной линии и берут для вычитания среднее значение из измерений. Если ширина входной и выходной (и средней) щелей одинакова, то надо сдвинуть длины волн в обе стороны от спек­ тральной линии немного более, чем на ширину щели, считая ее по разности длин волн (или, что все равно, надо переместить измеряе­ мый спектральный участок на расстояние немного большее, чем дей­ ствительная ширина выходной щели).

Нередко ставится вопрос о соотношении яркости всех спектраль­ ных линий и яркости сплошного спектра, например, у данной люми­ несцентной лампы. Пусть измерения производились путем сравнения с измерительной лампой. Для нее известно относительное распреде­ ление лучистой мощности по длинам волн (на одинаковый промежуток по спектру, выраженный в длинах волн) — P J P X0Часто берут Рхо — 100% для длины волны света А,0 = 556 им. При тех же длинах волн для сплошного спектра исследуемого источника измерения дали тх -Рх1Рк0, а для линий 1Х-РХ/РХ„, где тх и 1Х— множители, полу­ ченные из измерений и указывающие, во сколько раз при данной длине волны X, лучистая мощность у исследуемой лампы больше или меньше лучистой мощности измерительной лампы. Предпола­ гается, что все измерения у исследуемой лампы выполнялись при одной и той же действительной ширине щелей или к этому пересчи­

ными все измерения непрерывного спектра и линий, так как они произведены при одной и той же действительной ширине щелей и выполнены по сравнению е измерительной лампой, для которой данные о. поверке отнесены к одной ширине спектрального участка. Так как измерялась лучистая мощность каждой спектральной линии, число которых п, то полная мощность всех их (в некоторых единицах)

391

торых единицах). Лучистая мощность непрерывного спектра измеря­ лась через промежутки в А (в разностях длин волн), например, через 10 нм, по ширине б. Следовательно, все измерения для непре­ рывного спектра в сумме дают только часть полной мощности, равную

цах, что и для спектральных линий. Соотношение мощностей линий

быть такой ширины, чтобы линии не только не накладывались друг на друга, но и чтобы ширина щели была меньше расстояния между линиями. Если этого нельзя достичь, то применяется такой прием определения мощности спектральной линии. Выходную щель делают возможно узкой и середину спектральной линии (по шкале длин волн) совмещают с осью щели. Измеряют лучистую мощность. Далее поне­ многу расширяют щель и при каждом расширении измеряют лучи­ стую мощность. Она будет все время возрастать. Пока спектральная линия шире (в изображении спектра), чем щель, отношение прироста лучистой мощности АР к приросту ширины щели АI имеет одно число­ вое значение, а как только расширение щели станет захватывать уже только непрерывный спектр, отношение заметно изменится и станет меньше. Путем расчета или графически находят, при какой ширине щели была определена мощность от всей ширины спектральной линии; затем вычитают мощность от непрерывного спектра.

некоторого тела есть та температура полного излучателя, при кото­ рой тело имеет одинаковую с полным излучателем яркость в какомлибо участке спектра, т. е. в одноволновом, чаще — красной области спектра. В прежние годы под яркостной температурой понимали иногда ту температуру полного излучателя, при которой он имеет такую же полную (а не одноволновую) яркость, так и яркость данного тела. Шкала высоких температур во ВЕШИМ (также и в других стра­ нах) установлена и поддерживается, как шкала яркостных темпера-

392

тур (при длине волны около 660 нм), и основывается на яркости пол­ ного излучателя при температуре затвердевания золота (см. п. 52).

Чтобы измерить яркостную температуру (Tt), нужно исходить из полного излучателя с известной температурой, или из температур­ ных ламп. Обыкновенно в практике пользуются последними. Они представляют собою электрические лампы накаливания с вольфра­ мовой лентой. Лента может быть разных размеров, например, шири­ ною 2 мм и длиною 30 мм. Яркостная температура для нее дается (во ВНИИМ и других поверочных учреждениях) при определенной длине волны света, в зависимости обыкновенно от силы электриче­ ского тока.

Пусть температурная лампа с известной яркостной температурой Т0 имеет яркость L0 при выбранной длине волны X. По измерениям же исследуемой лампы (путем сличения ее спектра со спектром темпера­ турной лампы) яркость ее (в тех же относительных единицах, что и L0) найдена равной Lt при той же длине волны X. Яркость, очевидно, пропорциональна лучистой мощности источника света в данной

Так как формула Вина дает обычно достаточную точность для видимых длин волн, то ею и пользуются, как более простой. Итак, на основании измерений имеет место следующее отношение:

с2

* Отсюда

(147.7)

In — натуральный логарифм, с2 принято считать равным 1,438, если длины волн выражаются в сантиметрах, а температура — в градусах. Т0 и Tt отсчитываются от 0° К.

Для того, чтобы от яркостной температуры (Тг) перейти к действи­ тельной температуре (Тл), нужно знать коэффициент лучеиспуска­

393

и притом плавно, то представляется возможным па основании этих измерений определить цветовую температуру источника. Таким обра­ зом, это есть та температура полного излучателя, при которой оно имеет такое же отношение лучистых мощностей (или яркостей) в двух участках спектра, какое имеется у данного источника света. Такое определение цветовой температуры не совпадает с ранее данным (п. 52). Однако на опыте убедились, что для многих источников света, в частности для электрических вольфрамовых ламп, разница в опре­ делении температуры по этому способу и по подбору цвета (п. 165) практически невелика: например, порядка 3—5° для температур около 2000—2500° К. Пусть при длине волны М яркость источника света, для которого желают вычислить цветовую температуру (Тс) равна Li; яркостная температура при этом равна Tls, коэффициент лучеиспускания и действительная температура — Т. При длине же волны Я,з яркость его равна L 2, яркостная температура — T 2s и коэф­ фициент лучеиспускания — е2. Яркость полного излучателя для тех же длин волн и температуры Тс равна соответственно L u и L 2l|. Согласно только что сделанному определению цветовой температуры

С г '

Пользуются обыкновенно другим выражением, получаемым после логарифмирования и преобразования первого и третьего члена равенств:

148. Измерение пропускания света. Для таких определений,

очевидно, приходится измерять одноволновый световой поток при прохождении его сквозь исследуемый предмет или вещество и без него.

394

Первый вопрос, подлежащий разрешению, такой: где помещать пред­ мет? Чтобы он не нагревался, а при повышении температуры могут менять свое значение спектральные коэффициенты пропускания, предпочтительно помещать в выходном пучке света. У зрительных спектрофотометров часто этого делать нельзя в силу устройства прибора. В таких случаях, чтобы предмет не сильно грелся, его обду­ вают вентилятором, а в пучке света от источника помещают стеклян­ ный сосуд с водою, слой которой по пути хода лучей составляет

5—10—15 см.

Помещение исследуемого предмета во входящий пучок света может изменить ход лучей и тем изменить также количество светового потока, входящего в прибор, что приводит к ошибкам. Поэтому надо, как это объяснено ниже, предусматривать дополнительное оптиче­ ское устройство для образования пучка параллельных лучей.

Рис. 148. 1.

Это соображение относится к помещению предмета и в выходном пучке: при изменении хода лучей может, например, измениться по площади поверхность фотоэлемента, участвующая в измерениях, что может быть связано с некоторым изменением чувствительности. Поэтому желательно в выходном пучке иметь параллельный ход лучей.

Следующий вопрос — о порядке чередования измерений. При стремлении к повышению точности предпочтительно при каждой установке прибора на выбранную длину волны производить измере­ ния с предметом и без него. Этим устраняется ошибка в установке на длину волны, которая при резких изменениях коэффициентов пропускания на коротких участках спектра может привести к замет­ ным ошибкам в значениях этих коэффициентов. Вместе с тем в изме­ рительной установке должны иметься приспособления для быстрой установки предмета в одинаковое положение после каждого удале­ ния из измерительного пучка света. Подобная частая смена вполне удобна для цветных стекол, но нередко неудобна и даже опасна для сосудов с жидкостями и потому с ними не всегда применяется.

Дальнейший вопрос относится к направлению проходящих сквозь предмет лучей света. Обыкновенно для большей определенности предпочитают производить измерения в параллельном пучке. Не все спектрофотометры имеют оптическое устройство для получения пучка параллельных лучей. На рис. 148. 1 и 148. 2 представлены такие устройства. На рис. 148. 2 показана дополнительная цилиндри­ ческая линза (Л) в выходном пучке, необходимая, если высота щели

395

Наконец при измерениях с повышенной точностью надо обращать внимание, действительно ли измеряется коэффициент пропускания для однократного прохождения света через предмет и устранено ли влияние вторичных отражений света. Для строгого соблюдения этих условий в устройстве, показанном на рис. 148. 2, цилиндрическая и сферическая линзы взяты двояковыпуклыми и поставлены немного наклонно к оси пучка света, чтобы отвести в сторону свет, отражаемый поверхностями. (Об устранении влияния света, отраженного фотоэле­ ментом, говорилбсь в п. 87). Если исследуемый предмет (например, стекло) имеет какие-либо оптические недостатки: свиль, пузыри, тре­ щины, клиновидность и т. д., то от его измерений лучше отказаться, так как обеспечить сколько-нибудь приемлемую точность довольно трудно или даже практически невозможно без большого осложнения измерительной установки.

Рис. 148. 2.

Если измеряемый предмет поляризует свет или поворачивает плоскость поляризации, что устанавливается полярископом или поля­ риметром, то способы измерений усложняются (см. первое издание книги).

И з м е р е н и я з р и т е л ь н ы м и с п е к т р о ф о т о ­ м е т р а м и . Производятся обыкновенно два наблюдения. Во-пер­ вых, определяют отношение яркостей двух пучков света в спектро­ фотометре:

— k Ln ~

Затем вставляют по пути лучей одного из пучков, например пер­

Из этих двух отношений вычисляется t x:

Может потребоваться при первом измерении поставить вращаю­ щийся (или другой) поглотитель, например, в [первом пучке. Тогда

396

Если требуется определить показатель поглощения (|3) раствора, то возможно применить два способа измерений. Первый состоит из двух таких измерений: 1) определяется отношение яркостей обоих пучков спектрофотометра, когда в одном из пучков помещается сосуд с раствором и 2) определяется такое отношение, когда тот же сосуд поставлен с растворителем (т. е. без окрашивающего вещества). Имеют

U = L0-<TM и L, = L0•e_^°'i .

Отсюда

Требуется отдельно определить |30. Так как условия отражения света стенками с раствором и с растворителем — разные, то |30 может быть отдельно определено лишь приближенно (или более точно — путем сравнения с измерениями, когда сосуд наполняется бесцветной жидкостью: водой, хлороформом, спиртом и т. д., поглощением кото­ рой пренебрегают). Этот способ применяют тогда, когда [5 — значи­ тельно и величиной ро или ошибкой в ее определении можно пренеб-' речь.

Другой способ состоит в том, что сравнивается пропускание одного и того же раствора двух разных толщин /2 и /2- Два наблюдения дают:

L\ — L0-e~®'1' и 1 2 = 10-е_Иг,

откуда

Спектрофотометры с такими приемниками имеют обычно один пучок

• Измерения, особенно если их повторять для повышения точности (за счет уменьшения случайных погрешностей), занимают немало времени, и потому надо обращать внимание на устойчивость источ­ ника света и приемника. Выполнение измерений при удалении иссле­ дуемого источника из пучка света на каждой длине волны, в случае не вполне устойчивой установки, оказывается более осторожным и надежным.

Если коэффициент пропускания мал, например, менее- 0,01 или даже 0,05, то для повышения точности измерений можно применять

397

Серое стекло, коэффициенты пропускания которого тоЯ отдельно точно измерены н известны. Измерения производятся с исследуемым предметом Ех%и затем с серым стеклом ЕхоХ. Если известно, что при­ емник правильно показывает при вращающихся поглотителях, то применяют и его. Вычисления производятся по выражению:

Если производятся измерения многих приблизительно одинако­ вых образцов (например, цветных стекол), то целесообразно для сбере,- жения времени один образец измерить очень тщательно, как это выше описывалось, с несколькими повторениями измерений. Другие же образцы сравнивать с первым, пользуясь выражением (148. 6). При этом удобно применять для быстрых относительных измерений селеновый фотоэлемент, поскольку изменения в освещенности его в таких случаях оказываются незначительными (см. п. 86, где ука­ зан подходящий здесь способ измерений, рис. 86. 3).

Если возникают опасения, что исследуемый предмет в какой-либо мере поляризует свет, а примененный физический приемник изменяет показания под влиянием поляризации света, то надо произвести повторные измерения, повернув предмет на 90° вокруг оси пучка света. В случае обнаружения расхождений в измерениях, можно поступить так. Производятся измерения спектральных коэффициен­ тов пропускания при таких двух положениях (т. е. поворотах) иссле­ дуемого предмета относительно проходящего света, при которых коэффициенты имеют наименьшее и наибольшее значение. Затем берутся средние значения из каждых двух найденных для одной

итой же длины волны света.

149.Измерение отражения. В зрительных спектрофотометрах измеряемый образец помещается обыкновенно перед вхбдной щелью. Нередко так же поступают и в приборах с физическими приемниками.

Но непосредственное сильное освещение ведет к значительному нагре­ ванию образца; лучше его разместить в выходном пучке. Спектраль­ ные коэффициенты яркости у многих образцов довольно плавно изме­ няются по спектру. В таких случаях можно вести измерения с широ­ кими щелями.

Ряд указаний, данных в п. 148, может быть использован и при измерениях отражения. Следует обратить внимание, что применение зрительных спектрофотометров для измерения спектральных коэф­ фициентов яркости темных образцов нередко оправдывается в отно­ шении меньшей погрешности и большей простоты, чем применение спектрофотометров с физическими приемниками.

относительный (не абсолютный) коэффициент яркости для отдельных участков спектра. Второй способ состоит в том, что в один из пучков

398

ito очереди помещаются исследуемая пластинка (или предмет и т. п). и образец белого цвета. В качестве вещества для последнего часто применяют сернобариевую соль или окись магния и принимают для них коэффициенты яркости соответственно около 0,95—0,97 и 0,96—

применяется один источник света; исследуемая пластинка поме­

Вцвета (Dоб). Видоизменение

влияние поляризации надо теми же способами измерений и вычис­ лений, которые изложены в конце предыдущего п. 148.

150.Указания к выполнению спектрофотометрических измерений

У ч е т в и д н о с т и и с п е к т р а л ь н о й ч у в с т в и т е л ь ­ н о с т и ф и з и ч е с к о г о п р и е м н и к а п р и ш и р о к и х щ е л я х с п е к т р о ф о т о м е т р а . В следующих случаях необходимо учитывать изменения видности или спектральной чувст­ вительности физического приемника и лучистой мощности на данном участке спектра, а также ширину щелей спектрофотометра: 1) выде­ лен широкий участок спектра; 2) распределение лучистой мощности по выделенному участку значительно меняется при двух взаимно­ связанных измерениях (например, когда измеряется пропускание цветного стекла с резко меняющимся коэффициентом пропускания на коротком участке спектра, когда сравниваются источники света с сильно разнящимися температурами и т. п.); 3) измерения произ­ водятся в той области спектра, где видность или спектральная чувст­ вительность физического приемника быстро меняется и 4) точность

399

измерений желательно увеличить. Распределение лучистой мощности по спектру должно быть при этом известно (например, даны темпе­ ратуры светящихся тел и известна степень приближения их спектра к полному излучателю).

Пусть спектрофотометр показал отношение яркостей (или иных световых величин) двух сравниваемых спектров источников света, как Li/L 2. Пусть при измерениях ширина выходной (и средней) щели равнялась ширине входной, причем выделялся участок спектра

Лучистая мощность рп и pi2, а равно и рп1 и рп2, доходящая до плоскости окулярной щели, проходит сквозь нее не полностью,

что соответствует той доли от ширины входной щели, сквозь которую пропускается лучистая мощность с длиной волны Xi и Х„. Лишь лучи­ стая мощность рад и Ра,2 с длиной волны, соответствующей середине

средней части выделяемого участка спектра по ширине Д Д — Д Д . Соответственно определяются значения / и для других участков по ширине щели.

400