страница - 17
п\ = ехс1Х 5 [exp(c2/xr)-l] \
где С\, с2 - константы; Т- температура.
Величины 6 и 6 (интегральный и
спектральные коэффициенты излучательной способности) являются важнейшими оптическими характеристиками тел. Их численные значения зависят от многих факторов (материал, шероховатость поверхности и т.д.) и
меняются в пределах 0 £ е £ 1 и 0£гх £ 1.
Коэффициенты излучения измеряются обычно для двух режимов. В первом случае оценивают излучение тел в пределах полусферического телесного угла 2 к, во втором -измерения проводят в узком телесном угле, обычно в направлении нормали к поверхности (этот коэффициент излучения отмечают индексом 8 ). Для изотропных поверхностей и неселективных (серых) излучателей: для диэлектриков
б
1,
для металлов
г/ъм «1+13.
Коэффициенты излучения определяют, как правило, экспериментально.
1.6.2. ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
Фотометрическая аппаратура весьма разнообразна. Для спектральных измерений применяют спектрофотометры различных конструкций, монохроматоры, другие спектральные приборы, а также наборы стеклянных, интерференционных или других фильтров, выделяющих нужную область спектра. *
Поляриметрические измерения проводят с помощью фотометров, оснащенных пленочными или кристаллическими поляризаторами и анализаторами, компенсаторами и т.п. приспособлениями.
Измерения пространственного распределения оптических характеристик объектов (индикатрисе) производят с помощью гонио-фотометров, снабженных многоэлементными матричными фотоприемниками или приспособлениями для проведения испытаний при различных углах падения света на образец и приема излучения; угловое разрешение лучших гониофотометроа. составляет 10 утл. сек.
Оптические характеристики в диффузном излучении определяют обычно с помощью шаровых фотометров, снабженных оптическими интеграторами типа сферы Ульбрихта.
Измерения оптических характеристик при импульсном освещении объекта реализуют с помощью фотометров, содержащих им-
пульсные источники света и малоинерционные фотоприемники (ФЭУ, фотодиоды и др.).
Для измерения в мощном и сверхмощном лазерном излучении используют фотометры, содержащие устойчивые к такому воздействию оптические элементы и приемники излучения (охлаждаемые зеркала, фокусаторы, линзы из оптических керамик, калориметрические приемники излучения и т.д.).
Измерение оптических характеристик в области сверхмалых мощностей (биолюминесценция, оптическая световая связь, интегральная оптика и пр.) производят с помощью высокочувствительных фотометров на базе ФЭУ, усилителей яркости света, чувствительных фотоматериалов и т.п.
Измерение интегральных (по длинам волн) оптических характеристик производят фотометрами с приемниками излучения, имеющими соответствующую спектральную характеристику.
Несмотря на разнообразие типов и схемотехнических решений фотометров, все они содержат такие блоки, как источник и приемник излучения, оптические элементы различного назначения (линзы, призмы, зеркала, поляроиды, аттенюаторы, световоды, светофильтры, светоделители, дифракционные решетки и т.п.), а также электронные схемы обработки сигналов.
Современные фотометры делятся на два типа: 1) прямого отсчета; 2) метода сравнения.
В первых используется световая характеристика приемника, то есть зависимость сигнал-свет. Эти приборы обычно имеют один приемник; шкала в них градуирована непосредственно в световых единицах.
В фотометрах, работающих по методу сравнения, приемник используется в качестве индикатора, сравнивающего исследуемый поток с заданным (эталонным).
Фотометры сравнения (ФС) делятся на три группы:
с одновременным* сравнением потоков с помощью двух фотодетекторов;
с последовательным сравнением потоков при одном фотодетекторе;;
с компенсацией эталонного излучения (метод замещения).
Для высокоточных измерений применяют обычно двухлучевые фотометры, позволяющие устранять влияние на результаты испытаний нестабильности характеристик источников света, приемника излучения. Наивысшей точностью обладают фотометры с оптической компенсацией, реализующие способ замещения. При этом выходной сигнал фотометра, в рабочем канале оптической схемы которого установлен образец, компенсируется до исходного (например, нулевого при балансных схемах измерения) значения введением в опорный канал оптического клина или
компенсатора, для которого величина его компенсирующего перемещения (воздействия) однозначно связана с измеряемым параметром. Их погрешность составляет 0,1 -0,5 %.
Возможности конструктивно более простых одноканальных фотометров прямого измерения в видимой и ближней ИК-области спектра существенно расширились за счет разработки метода самокалибровки кремниевых фотодиодов. Сущность его заключается в точном определении абсолютной чувствительности фотодиодов специальной конструкции для волны излучения фиксированной длины. Погрешность измерения мощности в диапазоне 1 - 10 мВт лазерного излучения при длине волны 0,63 мкм составляет 0,05 %.
Одной из определяющих тенденций развития фотометрической аппаратуры является переход к использованию многоканальных систем измерения, реализуемых либо с помощью систем бегущего луча (сканирующие лазерные микроскопы и подобные устройства), либо на основе матричных фотопреобразователей. Последние особенно перспективны в связи с жесткой геометрией светочувствительной структуры. Это ПЗС [фотодиодные (ФД) линейки и матрицы], электронно-оптическиемикроканальные
умножители и т.п. устройства.
Например, ФД-линейки, сопряженные оптически с усилителями яркости изображения на базе микроканальных усилителей, обеспечивают регистрацию оптических сигналов в области длин волн 0,2 - 1,3 мкм при динамическом диапазоне до 100 дБ и минимальной мощности на входе порядка ДО"6 Вт. Пространственное разрешение 1 200 элементов и более по длине ФД-линейки при абсолютной величине одного элемента (пикселя) до .10x10 мкм (зазор между ними 2-3 мкм). Точность растра ПЗС и ФД-линеек порядка 0,01 % при высокой его стабильности во времени. Временное разрешение подобных систем до 10~6 с.
Высокая метрологическая надежность матричных фотопреобразователей в достаточно широком диапазоне внешних условий, а также простота их соединения с ПЭВМ за счет дискретного характера сигнала определяют перспективность их применения в фотометрической аппаратуре самого различного назначения.
Возможности фотометра любого типа существенно расширяются при сочетании их с волоконно-оптическими системами сбора информации. Использование световодов позволяет проводить измерение объектов сложной формы, в различных полостях, в условиях сильных электромагнитных помех, при радиационном воздействии, в газовой или жидкой средах. Длина световодов до 100 м и более. Световоды из кварца используют для измере-
ний в УФ-, ВИ- и ближней ИК-областях спектра (0,2 - 2,0 мкм), световоды из специальных халькогенидных стекол и кристаллов применяют для работы в дальнем ИК-диапа-оне (2 + 20 мкм и более). Диаметры световодов от 0,5 мм для одножильных до 10 мм и более для многожильных (в том числе регулярных, передающих изображение с разрешением до 40 мм-1). Число каналов в оптических диссекторах (ответвителях) достигает 50 - 100 и более. Существенно, что световоды имеют стабильные оптические характеристики (при отсутствии изгибов, ударов и т.п. воздействий, а также мощных потоков рентгеновского излучения, взывающего потемнение стекол).
Принципиально новым направлением фотометрии стала видеоэллипсометрия, основанная на телевизионной визуализации распределения степени поляризации по поверхности образцов в реальном времени.
В качестве источников света в современной фотометрической аппаратуре применяются как традиционные излучатели (светоизмерительные лампы накаливания, в т.ч. галогенные со стандартными спектрами излучения -источники типа "А", "С", "Д" и т.д.), так и новые источники света - импульсные ксеноно-вые лампы, светодиоды, лазеры различных типов. Применение лазеров позволяет реализовать принципиально новые методы когерентной фотометрии с повышенной точностью.
Контроль энергии или мощности лазеров производят с помощью стандартных тепловых или фотоэлектрических измерителей. Особенно широко применяют тепловые измерители на основе болометров, пироэлектриков, термоэлементов. Для измерения мощного
( Р > 1В т ) излучения, особенно длинноволнового, обычно измеряют с помощью этих приемников температуру твердого или жидкого поглотителя в калориметрической ячейке. При этом на измеритель направляется часть пучка лазера, отводимая с помощью полупрозрачной пластины, дифракционной решетки, зеркального обтюратора и т.п. устройств. Встречаются датчики проходного типа, выполненные в виде герметичной ячейки с поглощающим излучение газом, располагаемой в пучке лазера. Поглощая излучение, газ нагревается и изменяется давление в ячейке, которое измеряется пьезоэлементом или др. датчиками давления.
В ряде случаев необходимо контролировать распределение интенсивности по сечению пучка, в том числе в реальном времени.
Для этого применяют специальные сканирующие измерители мощности с приемной аппаратурой в виде точечной диафрагмы или узкой щели (или полоски), перемещаемых по сечению пучка.
Распределение мощности по сечению для потоков Р £ 0,1Вт можно оценивать с помощью пироэлектрических телевизионных камер, фотодиодных матричных преобразователей, тепловизоров. Этот метод применяют с использованием ответвителей пучка с дополнительными ослабляющими устройствами (поглощающие фильтры). Применяют также мишени из металла для визуализации поля излучения импульсных лазеров косвенным методом по температурному полю мишени.
1.6.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
1.6.3.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ
Наиболее общим образом коэффициент отражения (КО) определяется как отношение отраженной части светового потока к падающей.
По условиям падения (отражения) различают полусферическое, коническое, направленное направления потока.
Согласно принципу обратимости Гельм-гольца при определении направленного КО получается одно и то же значение, если источник и приемник излучения поменять местами.
В подавляющем большинстве случаев, особенно в ИК-области спектра, измеряется монохроматический или квазимонохроматический КО в связи со сложностью реализации широкополосных (неселективных) источников и приемников излучения.
Потребности современной техники стимулировали также в последнее время развитие методики измерения интегральных КО для полихроматических источников, в связи с большим значением этого параметра для теплообмена объекта со средой.
Для имитации источников заданного спектрального состава применяют сложные оптические установки с ксеноновыми лампами, угольной дугой, трубчатыми кварцевыми ламггами и др. современными источниками света.
Эти установки позволяют, в частности, измерять КО в условиях, имитирующих космические.
Схемы измерения КО существенно различны для зеркальных и диффузных объектов.
Измерения коэффициентов зеркального "отражения (КЗО). В абсолютном методе измерения КЗО на приемник излучения направляют лучистый поток, обычно параллельный, и
регистрируют соответствующий сигнал а\ .
Затем в пучок света вводят образец, а приемник перемещают в плоскости падения луча и нормали к зеркалу до положения, при котором на него полностью попадает отраженный от зеркала поток и снова фиксируют сигнал
приемника а2 .
Отношение сигналов равно КЗО
Рзер=а1/а2-
Измерения выполняют при различных углах падения. В случае необходимости меняют и другие параметры эксперимента - спектральный состав излучения, диаметр пучка света, степень поляризации и т.п. Данный метод требует прецизионного устройства углового перемещения приемника (или излучателя) и тщательной юстировки установки в целом.
Влияние рассеянного света в помещении лаборатории устраняется модуляцией излучателя. Для компенсации нестабильностей излучателя и приемника часть излучения направляют с помощью оптического коммутатора непосредственно на приемник, реализуя двух-канальную схему измерения.
Абсолютное измерение КЗО возможно также методом Тэйлора с помощью интегрирующей сферы.
Измерение КЗО особенно сложно для высокоотражающих зеркал лазеров и т.п. систем, так как сигналы приемника при его освещении непосредственно от излучателя и отраженным пучком от образца очень близки.
В силовой лазерной оптике коэффициент отражения мощного излучения иногда определяют как
Рзер= 1 >
где а - коэффициент поглощения.
В свою очередь, а определяют косвенно, фиксируя нагрев зеркала.
При массовых измерениях, поверке рефлектометров удобнее применять относительный метод измерения, основанный на сравнении сигналов, получаемых в одинаковых условиях эксперимента при отражении света от образца и эталона с известным КЗО.
Иногда требуется оценить КЗО при диффузном освещении образца. Подобные задачи возникают, например, в гелиотехнике.
В этом случае образец освещают с помощью молочного стекла, равномерно освещенного снаружи множеством ламп, или используют полую диффузно окрашенную изнутри сферу, свет в которую вводят через закрепленный в ее стенке рассеиватель. Отраженный образцом поток измеряют через одно из отверстий сферы. КЗО вычисляют, например, используя принцип обратимости Гельм-гольца.
Измерение КЗО поверхностей произвольной формы проводят, используя не параллельные, а сходящиеся пучки света, сфокусированные на образец линзой на площадку возможно меньшего размера, в пределах которой ее можно считать плоской. Отраженный
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]