Стандартні джерела випромінювання

Основні стандарти для колориметрії були встановлені МКО. Колориметричні стандарти МКО є основою методу класифікації кольору МКО, що одержав міжнародне визнання в науці та промисловості.

Під час обговорення фундаментальних положень науки про колір та колірного порівняння показано, що для визначення координат кольору несвітящого об'єкта необхідно знати відносний спектральний розподіл променистого потоку, що падає на об'єкт; спектральні апертурні коефіцієнти відбивання об'єкта і функції додавання спостерігача.

Колориметричні стандарти містять:

а) джерела висвітлення;

б) значення спектральних апертурних коефіцієнтів відбивання;

в) функції спостерігачів з нормальним колірним зором.

Випромінювання і джерела світла (спектральний розподіл променистого потоку; спектральний розподіл енергії) – спектральний променистий потік, що падає на одиницю поверхні об'єкта, тобто спектральне опромінення, створюване випромінюванням або джерелом світла.

Існує безліч джерел світла, при яких може спостерігатися об'єкт. Найважливішим з них є денне світло. Відомі різні фази денного світла:

– світло ясного неба,

– пряме сонячне світло,

– світло від ясного неба в сполученні із сонячним світлом,

– світло хмарного неба.

Різні фази денного світла мають різний спектральний розподіл енергії.

Існує також безліч штучних джерел світла:

– лампи накалювання;

– люмінесцентні лампи (джерела, що випромінюють потоки з різним спектральним складом).

МКО проводить розходження між джерелами і випромінюваннями. Джерелом вважають фізичне джерело променистої енергії як лампа або сонце і небо, термін «випромінювання» указує на визначений спектральний розподіл енергії, що попадає на досліджуваний об'єкт, причому цей спектральний розподіл не обов'язкове може бути точно отриманий за допомогою одного джерела.

Стандартне випромінювання А. Випромінювання А являє собою випромінювання повного випромінювача при абсолютній температурі 2856 К (за Міжнародною практичною температурною шкалою 1968 р.).

Повний випромінювач (абсолютно чорне тіло, випромінювач Планка) є ідеальним тепловим випромінювачем, спектральний розподіл енергії якого залежить тільки від його температури. Промениста енергія генерується в замкнутому просторі або порожнині, стінки якого рівномірно нагріті до температури Т. Променистий потік виходить через отвір у стінці порожнини. Якщо отвір достатньо малий, променистий потік, що пройшов через нього (енергетична світність М), як й спектральна щільність променистого потоку, залежить від температури стінок порожнини. Сам отвір є повним випромінювачем.

Спектральна щільність енергетичної світності М_λ повного випромінювача визначається законом Планка

(4.4)

де М – променистий потік (потужність), Вт;

λ – довжина хвилі, м;

Т – температура, К;

с₁ та с₂ – значення радіаційних постійних, Вт·м² та м·К, відповідно;

Т=2856 К

c₁=3,74150·10^–16 Вт·м²,

с₂=1,4388·10^–2 м·К.

Нормалізовані значення спектрального розподілу, тобто всі значення помножені на постійний множник так, щоб при λ = 560·10^{-9 М (560 нм) вийшло точно 100. У колориметричних розрахунках використовують відносний спектральний розподіл енергії S(λ). Величина с}₂ впливає на форму функції S(λ).

Стандартні випромінюванні В и С. Випромінювання В призначено для відтворення прямого сонячного випромінювання з корельованою колірною температурою 4870 К.

Випромінювання С призначено для відтворення фази денного світла з корельованою колірною температурою 6770 К.

Випромінювання В та С не точне (як це спочатку передбачалося в 1931 р.) при відтворенні звичайної фази денного світла. У недалекому майбутньому МКО мабуть прийме рішення про вилучення цих випромінюванні з переліки рекомендованих стандартних випромінювань. Замість них для колориметричного аналізу при отриманні середньої фази денного світла краще використовувати стандартне випромінювання D₆₅.

Випромінювання звичайно прийнято характеризувати корельованою колірною температурою. Вона допомагає порівнювати колориметричні характеристики різних випромінювань за допомогою одного числа. Корельована колірна температура випромінювання відповідає абсолютній температурі повного випромінювача, світло якого має ту ж колірність, що й дане випромінювання. Різні корельовані колірні температури різних випромінювань вказують про різницю кольоровості між ними.

Стандартне випромінювання D₆₅. Випромінювання D₆₅ являє собою фазу денного світла з корельованою колірною температурою порядку 6500 К.

Значення випромінювання D₆₅ отримані спектрорадіометричними вимірами денного світла, виконаних у різних районах США, Канади і Великобританії. Значення відносного спектрального розподілу енергії D₆₅ і відповідно його корельованою колірною температурою порядку 6500 К добре погодяться з відповідними значеннями розподілу і температури сумарного випромінювання неба та сонця при визначенні їх на горизонтальній поверхні.

Зміна висоти сонця протягом періоду часу між двома годинами після сходу і за дві години до заходу, а також зміна стану неба від хмарного до ясного мало впливають на відносний спектральний розподіл енергії сумарного денного світла, що падає на горизонтальну поверхню, у всьому діапазоні видимого спектра. Фази сумарного денного світла знаходяться у діапазоні корельованих колірних температур від 6000 до 7000 К.

Інші випромінювання D. Коли дана поверхня опромінюється лише деякою областю всього неба, розподіл спектральної густини опромінення значною мірою залежить від того, якою саме ділянкою неба опромінюється поверхня, і від стану хмарного покриву цієї ділянки. Граничними випадками є ділянка ясного синього неба та сонячний диск. Корельовані колірні температури цих граничних фаз денного світла можуть знаходитися в інтервалі від 100000 до 4000 К, відповідно. Денне світло, що проходить через вікно, лежить десь між зазначеними крайніми значеннями.

Діапазон корельованих колірних температур усіх фаз денного світла досить великий, однак існує функціональний зв'язок між корельованою колірною температурою Т_c і відносним спектральним розподілом енергії S(λ) денного світла. Для кожної визначеної фази денного світла з певною кольоровістю і відповідною Т_с, існує єдиний розподіл S(λ).

Колірність. Координати кольоровості x y денного світла D у системі МКО 1931 р. задовольняють наступному співвідношенню

(4.5)

де x змінюється в межах від 0,250 до 0,380.

Корельована колірна температура Т_с денного світла D пов'язана з x наступними формулами (на підставі рівняння нормалей до лінії колірності абсолютно чорного тіла у рівно контрастному графіці МКО 1960 р.):

а) для корельованих колірних температур приблизно від 4000 до 7000 К:

(4.6)

б) для корельованих колірних температур від 7000 до приблизно 25000 К:

(4.7)

Відносний спектральний розподіл енергії. Відносний розподіл S(λ) денного світла D розраховують за формулою

(4.8)

де S₀ (λ), S (λ)₁ S₂ (λ) – функції довжини хвилі λ;

M₁ М₂ – коефіцієнти, значення яких розраховують за значеннями координат колірності X_D, Y_D.

Розрахунки. Для полегшення практичного застосування зазначених рекомендацій МКО використовують значення х, у, М₁ та М₂ для корельованих колірних температур від 4000 до 25000 К, наведені в довідниках.

Вищенаведені формули дають можливість розрахувати S (λ) для будь-якої корельованої колірної температури, однак МКО рекомендує в інтересах стандартизації використовувати D₆₅. У тих випадках, коли D₆₅ не можна застосувати рекомендується застосовувати D₅₅ або D₇₅. Криві S(λ) відповідають фазам денного світла з корельованими колірними температурами порядку 5500 і 7500 К.

Рекомендації МКО по денних випромінюваннях D є істотним досягненням порівняно з колишніми рекомендаціями з випромінювань B і C. Випромінювання D значно більш повно, ніж В та С, представляють ультрафіолетовий діапазон спектра денного світла.

Рекомендовані значення належать до денного світла в незабрудненій атмосфері, що не є реальним.

Штучні джерела світла, що відтворюють стандартні випромінювання МКО. МКО рекомендує наступні джерела світла в якості стандартних для відтворення вищенаведених стандартних випромінювань при практичному контролі кольору пофарбованих матеріалів у лабораторіях.

Стандартне джерело A МКО. Стандартне випромінювання А відтворюється газонаповненою лампою накалювання з вольфрамовою ниткою при корельованій колірній температурі 2856 К. Для більш точного відтворення спектрального розподілу променистого потоку ультрафіолетової частини спектра випромінювання А рекомендується користуватися лампами з колбою або вікном із плавленого кварцу.

Стандартні джерела В і С МКО. Стандартні випромінювання В та С відтворюються стандартним джерелом А у комбінації з фільтрами, що складаються з двох шарів розчинів В₁, В₂ і С₁, С₂ відповідно товщиною 1 см кожний, що заповнюють дві половини плоско паралельної кювети з безбарвного оптичного скла. Рідинні фільтри для переходу від джерела А до джерел В та С називають фільтрами Девіса–Гібсона.

Стандартне джерело D МКО. У даний час немає рекомендацій МКО щодо відтворення якого-небудь з випромінювань D МКО. Складність розробки таких рекомендацій визначається унікальним характером і нерівномірністю спектрального розподілу денного світла. Не відомо будь-яке штучне джерело світла з таким спектральним розподілом, а перетворення спектрального розподілу існуючих джерел за допомогою фільтрів або інших засобів приводить лише до часткових успіхів.

Комітет з колориметрії МКО активно займається цією проблемою. Спектральний розподіл відфільтрованого випромінювання ксенонової дугової лампи високого тиску порівнюється з розподілом випромінювання D₆₅; випромінювання D₆₅ порівнюється з відфільтрованим випромінюванням лампи накалювання з вольфрамовою ниткою, D₆₅ порівнюється з відфільтрованим випромінюванням спеціально підібраної люмінесцентної лампи. Якщо розглядати весь спектр від 300 до 830 нм, найкраще відтворення випромінювання досягається за допомогою відфільтрованого випромінювання ксенонової дугової лампи високого тиску, хоча ще очевидні деякі розходження в спектрах. Якщо ж виключити з розгляду ультрафіолетову частину спектра (300–380 нм), досить добрі результати дає лампа накалювання фільтрами. Люмінесцентна лампа забезпечує лише грубе наближення до D₆₅.

Люмінесцентна лампа забезпечує основну частину потоку в ультрафіолетовому діапазоні спектра. Обидві лампи встановлені в одному освітлювальному приладі особливо в короткохвильовій частині спектра, вже після 75 годин експлуатації. Ці зміни приписувалися утворенню шару вольфраму і відкладенню невеликої кількості заліза на внутрішній поверхні кварцової колби лампи.

Інша проблема, що повинна бути вирішена перед розробкою рекомендацій для стандартного джерела D, полягає в оцінці якості відтворення визначеним джерелом заданого спектрального розподілу стандартного випромінювання, наприклад D₆₅.

4.7 Принцип роботи монохроматора: його оптична схема, робота та призначення окремих вузлів

Основою кожного спектрального приладу є монохроматор, принципова схема якого наведена на рис. 4.3.

Освітлювач 1 (лампа Л, конденсор К) створює рівномірну освітленість у площині щілини Щ₁ яка є вторинним джерелом світла з однаковою на всій площі яскравістю.

Передній коліматор 2 необхідний для створення паралельного пучка променів. Щілина Щ₁ знаходиться у фокусі об'єктиву О₁ коліматора і тому проектується на диспергуючий пристрій 3 паралельним пучком. Внаслідок цього монохроматичні промені однакових кольорів, що виходять з диспергуючого пристрою, є також паралельними (на рисунку наведені крайні промені: К₁êêК₂ и Ф₁êêФ₂).

Рис.4.3. Принципова схема монохроматора

Переміщаючи щілину Щ₂ уздовж спектру, по черзі виділяють інтервали Dl за всією його довжиною. У багатьох схемах приладів передбачено не переміщення щілини, а поворот диспергуючого пристрою відносно нерухомої осі. З рисунка видно, що кожна точка щілини Щ₁ створює в спектрі монохроматичні точки (F_к і F_ф). Отже, уся щілина зображається монохроматичними смужками. Це зрозуміло, якщо лампа Л випускає монохроматичне світло. В цьому випадку на об'єктив О₂ прямує не віяло променів, а монохроматичний паралельний пучок. Об'єктив О₂ зображує щілину у вигляді монохроматичної смужки, розміри якої визначаються його фокусною відстанню та шириною щілини. Смужка (спектральна лінія) – зображення вхідної щілини коліматора, що утворюється об'єктивом вихідного коліматора. Складне світло створює безліч спектральних ліній, які взаємно перекриваються при суцільному спектрі. Перекривання тим більше, чим ширше щілина. Тому монохроматичність випромінювання, що пропускається вихідною щілиною, зменшується з розширенням вхідній. Міра монохроматичності пучка, що пропускається щілиною Щ₂, називається чистотою спектру.

Монохроматор, схема якого наведена на рис. 4.3, називається простим (однократним). Недолік приладу, що працює за цією схемою, полягає в тому, що на його вихідну щілину, окрім корисного, падає ще і паразитне випромінювання, що відбивається від внутрішніх стінок приладу та його деталей. Це знижує чистоту спектру і, отже, точність спектральних визначень.

Для зменшення інтенсивності паразитного світла усередині приладів встановлюють перегородки, чорнять внутрішні поверхні стінок і оправи лінз. Проте найбільш надійний спосіб підвищення точності вимірів полягає в застосуванні подвійних монохроматоров. Це прилади, що складаються з двох простих монохроматоров, причому вихідна щілина першого служить вхідною щілиною другого. Нерозкладений внаслідок светорассеяния світло, що виходить з щілини першого монохроматора, розкладається в іншому. В результаті цього спектр, що дається подвійним приладом, виходить чистим.

Освітлювальний пристрій (рис. 4.4). Джерело світла у монохроматорі повинно бути з рівною яскравістю за всією площею. У протилежному випадку при обробці результатів вимірювання довелося б вносити поправки на нерівномірність яскравості. Щілиною Щ₁, перед якою встановлюється джерело, є апертурна діафрагма. Вона обмежує кут розкриття пучків, що посилають точками тіла напруження (рис. 4.4, а). Тому точка А зображається усім об'єктивом, а точка В – тільки його частиною. У зображенні вона виходить менш яскравою, ніж точка А; віньєтуючою дії щілини. На рівномірність освітленості впливає структура поверхні джерела. Конденсор К проектує тіло напруження на об'єктив (рис. 4.4, б). Лінзи конденсора створюють широкий пучок, що заповнює щілину, і усі її точки освітлюються однаково.

Рис. 4.4. Схема дії конденсорної освітлювальної системи

Коліматори. Принцип роботи обох коліматорів однаковий. Однак вони виконують протилежні функції: передній дає можливість отримувати паралельний пучок, а задній збирає його в точку. Міра паралельності променів, з якою пов'язана чистота спектру, залежить не лише від ширини щілини, але і від якості виправлення обꞌєктива на аберації. У деяких монохроматорах використовується принцип автоколімації. Він полягає: пучок світла, що пройшов через об'єктив коліматора, після розкладання в призмі або решітці відбивається плоским дзеркалом і фокусується тим же об'єктивом.

Щілинами коліматорів (ножами) є пари пластинок. Ножі можуть зрушуватися та розсуватися за допомогою гвинтового механізму. Краї ножів виготовляють або зігнутими, або прямими. У першому випадку виходить зігнутою та щілина. Такі щілини служать для компенсації викривлення спектральних ліній при розкладанні, особливо призмою.

4.8 Принципи роботи спектрографа: його оптична схема, робота та призначення окремих вузлів

Спектрограф – спектральний прилад, у якому приймач випромінювання одночасно реєструє весь можливий електромагнітний спектр. Приймачами випромінювання можуть бути фотоматеріали, багатоелементні фотоприймачі, електронно-оптичні перетворювачі. Диспергувальна система (система, що поділяє потік випромінювання залежно від довжини хвилі) може бути призмою, дифракційною граткою тощо.

Оптична схема призмового спектрографа. Принципова схема призмового спектрографа наведена на рис. 4.5. Спектрограф має три основні частини: коліматор, що складається з об'єктиву 2 з фокусною відстанню f₁ і щілини 1, встановленою у фокусі об'єктиву; диспергуючу систему 3, що складається з однієї або декількох заломлюючих призм; і камеру, що складається з об'єктиву 4 з фокусною відстанню f₂ і фотопластини 5, розташованою у фокальній площині об'єктиву. Показник заломлення матеріалу призми не однаковий для різних довжин хвиль: n=n(l). Тому неоднорідний за спектральним складом паралельний пучок променів, що формується коліматором і що падає на призму, розбивається в ній на монохроматичні пучки за різними напрямами. Камерний об'єктив 4 збирає ці пучки у своїй фокальній площині, створюючи на фотопластині 5 послідовність монохроматичних зображень щілини – спектральні лінії. У своїй сукупності останні утворюють спектр досліджуваного джерела світла.

Рис. 4.5. Оптична схема призмового спектрографа: 1 – вхідна щілина,

2 – об'єктив коліматора, 3 – призма, 4 – камерний об'єктив, 5 – фотопластина,

d – діючий отвір приладу, b – довжина основи призми, j – кут відхилення променя призмою

Дисперсія спектрографа. Залежність кута відхилення j призмою монохроматичного променя від кута падіння i₁ (рис. 4.5.) наступна: за умови i₁=i₂ кут j набуває найменшого значення. При постійному куті падіння кут відхилення немонохроматичного променя залежить від довжини хвилі: j=j(l). Величина dj/dl=(dj/dn)(dn/dl), відповідає постійному куту падіння i₁, називається кутовою дисперсією призми. При рівності кута падіння куту заломлення (i₁=i₂), мінімальному значенні j для кутової дисперсії, має місце співвідношення:

(4.9)

де b – довжина її основи на об'єктив 2 (при повному заповненні призми світлом);

d – проекція її грані на об'єктив 2 (при повному заповненні призми світлом);

l – заломлюючий кут призми.

Залежність n(l) обмеженої ділянці спектру можна розрахувати за наближеною формулою Гартмана:

(4.10)

де n₀, c, l₀ – три константи при умові трьох довжин хвиль l₁, l₂, l₃ відомі показники заломлення n₁, n₂, n₃.

Значення dn/dl в (4.9) визначається диференціюванням (4.10).

Дисперсія показника заломлення (dn/dλ), а значить і дисперсія призми швидко збільшується зі зменшенням довжини хвилі. У короткохвильовій зоні робочого діапазону спектрографа дисперсія найбільша. Проте, інтенсивність спектральних ліній зменшується до нуля внаслідок сильного поглинання випромінювання речовиною призми. Зі збільшенням довжини хвилі дисперсія у видимій області спектру зменшується.

Лінійною дисперсією спектрографа називається величина дисперсії показника заломлення, що визначає лінійну відстань у фокальній площині приладу, яка доводиться на одиничний спектральний інтервал. Лінійна дисперсія пов'язана з кутовою співвідношенням:

(4.11)

де f₂ – фокусна відстань камерного об'єктиву 4 для цієї довжини хвилі;

e – кут нахилу його фокальної площини до оптичної осі об'єктиву (рис. 4.5).

При практичних розрахунках замість (4.11) використовується зворотна лінійна дисперсія dl/dl.

Роздільна здатність спектрографа. Спектральний прилад відображує строго монохроматичне випромінювання, освітлююче вхідну щілину, у вигляді деякого розподілу освітленості. Цей розподіл називають інструментальним контуром спектральної лінії або апаратною функцією. Її тип визначається спільною дією різних чинників. До їх числа належить дифракція на діючому отворі спектрографа (діючим отвором d є найменший з отворів (об'єктиву коліматора, призми або камерного об'єктиву), яке обмежує розміри перерізу паралельного пучка монохроматичних променів, що проходять через оптичну систему спектрографа (рис. 4.5)), різна аберація та інші похибки оптики приладу, ширина вхідної щілини і зерниста структура фотографічної емульсії. Форма інструментального контура лінії в основному визначається його дією.

Окремі ділянки інструментального контура якої-небудь лінії вносять формують контури інших ліній. Таким чином, монохроматичні складові початкового випромінювання утворюють кожний елемент реального контура лінії у спектрі. Таким чином, спектр на виході приладу складають дві функції – істинний розподіл енергії в джерелі та апаратна функція приладу. Спектральний прилад не завжди здатний передати два однакових за довжиною хвилі випромінювання у вигляді окремих спектральних ліній. Інструментальні контури таких ліній перекриваються. При цьому прилад не має дві близькі спектральні лінії.

Для оцінки можливостей приладу створювати окремо спектральні лінії близьких за довжиною хвилі враховують роздільну здатністю (дозволяючу силу):

(4.12)

де d×l – межа дозволу приладу, що визначається шириною інструментального контура лінії.

В результаті дифракції монохроматичного паралельного пучка на діючому отворі прямокутної форми (на призмі) спектральна лінія має форму, показану на рис. 4.6, а.

Рис. 4.6. Розподіл інтенсивності світла у фокальній площині приладу, що виникає в результаті дифракції на діючому отворі прямокутної форми для нескінченно вузької щілини спектрографа: а) поодинока монохроматична спектральна лінія; б) дві близькі монохроматичні лінії

Межу дозволу d×l можна розрахувати за критерієм Релея, згідно з яким дві спектральні лінії рівної інтенсивності є дозволеними при головному дифракційному максимумі інтенсивності однієї лінії, що співпадає з першим мінімумом (рис. 4.6, б). Кутова відстань від першого мінімуму до центру дифракційної картини дорівнює (кут дифракції малий при d>>l). Записавши для d j його вираз через кутову дисперсію , отримуємо . Тому теоретичне значення для дозволяючої сили призми складає

(4.13)

Таким чином, R_теор пропорційна d, її максимальне значення досягається при заповненні діючого отвору приладу світлом.

При симетричного ході променів через призму для величини R_теор можна отримати формулу

(4.14)

Реальне значення роздільної здатності R_пр менше R_теор. Воно обмежується вказаними вище чинниками і може бути розраховане за формулою (4.12), де замість d l використовується Dl _пр – практична межа дозволу, тобто різниця довжин хвиль двох близьких ліній з провалом інтенсивності між ними 20%.

Дозволяюча сила зменшується із збільшенням ширини вхідної щілини s1. Для дуже вузької щілини, коли її кутовий розмір s₁/f₁ менше кута dj =l /d, тобто s₁<f₁l/d, форма інструментального контура ще мало відрізняється від зображеної на рис. 4.6, а. Із зростанням s₁ лінія розширюється і при s₁>>f_1l /d отримують щілини з геометричним зображенням, ширина якого рівна s₂=s₁f₂/(f₁sine). Граничною між цими двома випадками є нормальна ширина щілини s_н. Визначимо її. Знайдемо таку величину вхідної щілини, коли її геометричне зображення у фокальній площині приладу дорівнює ширині центральної частини головного дифракційного максимуму в цій же площині. Для цього прирівняємо лінійну відстань від центру дифракційної картини до її першого нуля (рис. 4.6, а) величині геометричного зображення щілини sf₂/f₁. Звідси знаходимо

(4.15)

Ширина зображення щілини не може стати менше дифракційної межі. Тому, отримати лінії як можна тонше, марно використовувати вхідну щілину менше за нормальну.

Дифракція на вхідній щілині приладу при освітленні вхідної щілини на відстані 50–100 см від джерела світла невеликих розмірів (пунктир на рис. 4.7). З (4.15) можна отримати, що , тобто відстань від центру цієї дифракційної картини до її першого нуля дорівнює величині діючого отвору d. В цьому випадку центральна частина головного максимуму розміщується в діючому отворі.

Рис. 4.7. Оптична схема призмового спектрографа: а) результат дифракції на діючому отворі приладу (впливає на роздільну здатність); б) результат дифракції на вхідній щілині приладу при когерентному освітленні щілини (впливає на величину світлового потоку, що досягає фокальної площини)

Зміна світлового потоку, що проходить в прилад, із зміною ширини щілини наведена на рис. 4.8. При s/s_н<1 зі зменшенням щілини світловий потік, що проходить в прилад, і освітленість в центрі лінії швидко падають. При s/s_н>1 із збільшенням щілини світловий потік (з одиниці площі щілини) слабо зростає за рахунок попадання в діючий отвір найближчих до головного дифракційних максимумів, а потім його зростання припиняється. Спектральна лінія при цьому має вигляд прямокутника, ширина якого зростає пропорційно ширині вхідної щілини.

Рис. 4.8. Залежність освітленості в центрі лінії I/I_¥, ширина спектральної лінії Н і роздільній здатності R_пр/R_теор від ширини щілини s_н/s

4.9 Принцип роботи спектрофотометра: його оптична схема, робота та призначення окремих вузлів

Спектрофотометр – прилад для дослідження спектрального складу за довжинами хвиль електромагнітних випромінювань в оптичному діапазоні, знаходження спектральних характеристик випромінювачів і об'єктів, що взаємодіюють з випромінюванням, а також для спектрального аналізу та фотометрування.

Спектрофотометри вимірюють співвідношення променистих потоків при кожній довжині спектра. Вони не вимагають градуювання для зчитування величини спектрального розподілу променистого потоку в абсолютних одиницях.

Спектрофотометри мають вбудований освітлювач, що включає джерело світла, що випромінює достатньо променистого потоку у всіх довжинах хвиль необхідної частини спектра. Вимірювання спектрофотометром значень залежать від умов висвітлення та спостереження. При вимірюваннях спектральних коефіцієнтів поглинання падаючий потік обирають уздовж перпендикуляра до поверхні зразка при кутах спостереження, обмежених кутами поблизу продовження того ж самого перпендикуляра. При вимірюваннях спектральних апертурних коефіцієнтів відбивання непрозорих зразків падаючий потік для виміру збирається інтегруючою сферою. Іноді цей потік збирається лише в деяких напрямах. Деякі спектральні апертурні коефіцієнти відбивання залежить від умов висвітлення та спостереження зразка.

Технічна складність спектрофотометрів у вимірюванні спектрального апертурного коефіцієнта відбивання, що повязано з відсутністю матеріалу з властивостями розсіювача відбивання, безпосередня реалізація необхідного еталона такого розсіювача неможлива. Проте властивості деяких матеріалів близькі до властивостей зробленого розсіювача відбивання. Вони можу бути прокалібровані як еталони за допомогою спеціальних методів. Ці матеріали використовують як робочі стандарти при вимірюваннях спектрального апертурного коефіцієнта відбивання.

Спектрофотометр є найбільш важливим базовим приладом як для оцінки кольору промислових виробів, так і для фундаментальних досліджень в області колометрии. У даний час випускається безліч спектрофотометрів. Набільш складними з них є ті, що автоматично реєструють спектральні апертурні коефіцієнти відбивання (або спектральні коефіцієнти поглинання) на перфорованих картах або стрічках, зручних для безпосереднього колориметрического аналізу на цифровій обчислювальній машині. Деякі спектрофотометри реєструють вимірювання на спеціальних бланках одночасно з розгорненням за спектром. Не існує універсальних спектрофотометрів, що вирішують будь-які задачі колірного контролю.

Оптична схема спектрофотометра СФ-18 наведена на рис. 4.9. Прилад складається з трьох пристроїв – освітлювача, монохроматора і фотометра.

Рис. 4.9. Оптична схема спектрофотометра СФ-18: I – освітлювач; II – перший монохроматор; III – другий монохроматор; IV – фотометр

Освітлювач. Лампа 1 і конденсор 2 створюють рівномірну освітленість вхідної щілини 3 монохроматора.

Монохроматор. У приладі використовується подвійний монохроматор, обидва компонента (перший і другий монохроматори) якого симетричні. Об’єктив 4 першого монохроматора проектує щілину 3, що знаходиться в його фокальній площині, у вигляді паралельного пучка променів на диспергуючу призму 5, яка розкладає випромінювання в спектр. Об'єктив 6 дає зображення спектру в площині середньої щілини, вихідний щодо першого монохроматору і вхідний щодо другого. Вона утворена дзеркалом 7 і ножем 5. Її призначення інше, ніж щілини 3: вона перпендикулярна спектру та вирізає його «монохроматичну» ділянку (Dl=2–3 нм), що направляється у другий монохроматор. Після проходження крізь нього, вказаний інтервал спектру проектується в площину вхідної щілини 9 монохроматора або вхідної щілини фотометра.

Фотометричний пристрій. «Монохроматичний» пучок, вийшовши з щілини 9, проходить, через лінзу 10 і потім ділиться призмою Рошона 11 на два плоскополяризовані компоненти. Той, який виходить під кутом до оптичної беї, надалі не потрібний і зрізається діафрагмою 12, поглинаючись потім стінками приладу. Призма Рошона використовується як одинпроменева. Пучок, пропущений діафрагмою 12, проходить через призму Волластона 13 і знову ділиться на два, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах.

Інтенсивність випромінювань, що виходять з призми Волластона, визначається кутовим положенням призми Рошона: обертаючи її, можна управляти потоками, що виходять з призми Волластона. Лінза 14 змальовує вихідну щілину в площині напівлінз, що знаходяться усередині модулятора 15. Пучки, що вийшли з напівлінз, проходять контрольний і вимірюваний зразки. Модулятор по черзі перекриває ці пучки. Частота перекривань дорівнює 50 Гц. Пульсуючі пучки прямують до призми 16, що відбивають їх і направляють на вхідні вікна інтегруючої кулі. Після багатократного віддзеркалення від стінок кулі світло прямує на фотоелемент. Освітленість фотоелемента в даний момент визначається сумою потоків, що пройшли (відбитих) через еталонний і вимірюваний зразки. При рівності потоків освітленість фотоелемента постійна, і він дає постійний за силою струму. Якщо ж вимірюваний зразок поглинає сильніше, ніж еталонний (або навпаки), світловий сигнал виходить змінним і фотоелемент дає також змінний електричний сигнал з частотою 50 Гц. Сигнал поступає у підсилювач і після посилення подається на обмотку якоря електродвигуна відробітку. Він повертає призму Рошона до зникнення різниці світлових сигналів (до припинення подачи струму).

Одночасно з поворотом призми переміщається перо самописця. Із спектру монохроматора послідовно виділяються монохроматичні пучки. Це про ходить в результаті переміщення середньої щілини спектрофотометра (дзеркало 7, ніж 8) уздовж спектру. При цьому повертається барабан, і на бланку, закріпленому на ньому, викреслюється спектральна крива.

Дата добавления: 2014-01-05