Часть V измерения оптических характеристик тел, материалов, сред, веществ

В предыдущих частях книги речь шла преимущественно об измерени­ях величин, характеризующих оптическое излучение как объект измерения, и о соответствующих системах обеспечения единства в этих видах и подвидах оптической радиометрии.

Вместе с тем, число измерительных задач, решение которых связано с ко­личественным определением или использованием оптических свойств различ­ных веществ и материалов, достаточно велико, номенклатура их обширна, однако практически все они могут быть разделены на две основных группы.

К первой группе можно отнести измерительные задачи, в ходе решения которых определяемое оптическое свойство образца вещества или материа­ла является информативным параметром, знания которого достаточно для пользователя. Например, в процессе производства разнообразных оптических элементов, для последующего использования в оптических системах и прибо­рах, необходимо знать параметры и характеристики отражения, преломления, пропускания, поглощения, рассеяния оптического излучения.

Ко второй группе можно отнести измерительные задачи, в ходе решения которых определяемое оптическое свойство образца или объекта в целом является «промежуточным» информативным параметром, функционально I связанным с интересующей пользователя характеристикой исследуемого ве­щества или материала. В качестве примеров можно привести задачи коли­чественного или полуколичественного анализа химического состава веществ и материалов с использованием возбуждаемого, поглощаемого или рассеивае­мого средами оптического излучения, а также задачи дистанционного зонди- J рования и экологического мониторинга с применением бортовой спектральной аппаратуры. Сюда же следует отнести многочисленные разнообразные задачи оптического неразрушающего контроля и измерений неоптических величин с помощью измерительных преобразователей, базирующихся практически на всех известных в настоящее время законах и особенностях распространения оптического излучения в изотропных и анизотропных средах, а также на границах раздела сред с разными оптическими характеристиками.

Например, изменение интенсивности проходящего излучения в зависимо-сти от толщины слоя, а также селективность поглощения и рассеяния лежат в основе действия ряда ИП, предназначенных для определения толщины, уровня, концентрации, структуры и химического состава вещества. Измеряя углы падения и преломления, можно определить коэффициенты преломления вещества (рефрактометрия). Оптическая анизотропия, вызывающая двойное лучепреломление, возникает в прозрачных изотропных телах под действием | механических напряжений, электрического и магнитного полей, что позволяет на основе этих эффектов разрабатывать ИП для измерения механических величин, электрических напряжений и магнитных полей.

При построении концентратомеров (например, сахариметров) использует-ся поворот плоскости колебаний проходящего через вещества излучения.

Измерения времени прохождения импульсом излучения в прямом и обрат­ном после отражения от объекта направлениях широко используются в опти­ческой локации и дальнометрии, обеспечивая рекордную разрешающую спо­собность и точность определения расстояний. Малые расстояния сравнивают­ся с длиной волны излучения посредством фазовых или интерференционных методов, на чем основаны, например, лазерные интерферометры, оптические гетеродинные средства измерений (СИ) перемещений и пр. Интенсивность отраженного излучения позволяет оценить состояние поверхности (шерохова­тость, помутнение при выпадении росы и пр. ). На спектральном отражении излучения базируется колориметрия непрозрачных несамоизлучающих объ­ектов. Голографическая интерферометрия как способ получения информа­ции о деформациях непрозрачных объектов (например, вибрационных полей) также основана на отражении излучения. Год от года растут номенклатура и парк СИ различных неоптических величин с использованием первичного оптического измерительного преобразования: автоматические экспонометры для кинокамер, растровые СИ перемещений, бесконтактные СИ диаметров, поперечных и продольных размеров тел различных геометрических форм, пьезооптические СИ давлений, ускорений, сил, напряжений и пр.

Особенно широкое распространение получили волоконно-оптические ИП (ВОИП), которые по принципу действия можно разделить на две группы. К первой группе относятся ВОИП, основанные на измерениях изменений интенсивности проходящего через них излучения. Они применяются для изме­рений показателя преломления сред (рефрактометрия), в газоанализаторах, детекторах оптического излучения, СИ температуры, давления и др. меха­нических величин. Ко второй группе относятся интерференционные ВОИП, использующие в качестве выходного информативного параметра изменения фазы. Эти преобразователи достаточно широко применяются для измерений линейных перемещений, параметров движения (ускорения, угловой скорости), температуры, давления (в частности, звукового давления). Более того, ВОИП применяются и для измерений косвенными методами электрических величин, при этом используются эффект Фарадея и магнитострикция.

Этот универсальный ИП весьма перспективен благодаря очевидным досто­инствам: отсутствию чувствительности к воздействию паразитных электро­магнитных полей, возможности использования в агрессивных средах, малым размерам, высокой чувствительности.

Таким образом, технические измерения аналитических сигналов в ходе определения химического состава веществ и материалов оптическими мето­дами и оптических свойств различных сред, а также обеспечение единства этих измерений, являются внушительной неотъемлемой частью оптической радиометрии, представленной такими видами и подвидами этой области измерений, как рефлектометрия, спектрофотометрия (включая денситометрию), рефрактометрия, колориметрия, нефелометрия, поляриметрия, сенси­тометрия, резольвометрия, а также основные виды спектрального анализа химического состава вещества, базирующиеся на измерении и последующей расшифровке спектров испускания, поглощения или рассеяния излучения веществом.

Охват в рамках этой книги столь обширного материала по оптическим свойствам веществ и материалов не представляется возможным. Поэтому в ней освещены основные, по мнению авторов, виды современной оптической радиометрии, которые в течение последних десятилетий получили наиболее широкое распространение в отечественной и зарубежной практике. К ним, в первую очередь, относятся, методы и средства спектрофотометрии, колори­метрии, рефрактометрии и поляризационных измерений. Именно их описа­нию посвящены главы этой части книги.

Между методами и средствами оптической радиометрии, рассмотренными! в предыдущих частях книги и описываемыми в настоящей ее части, имеется ряд принципиальных сходств и отличий, на которые следует изначально об­ратить пристальное внимание.

Прежде всего, во всех без исключения случаях непосредственно измеря­емой физической величиной служит преобразуемый в электрический сигнал измерительной информации поток оптического излучения или производная от него величина. Наиболее часто измерению подлежат спектральная или пространственная плотности потока излучения и их распределения, соответ­ственно, в определенном диапазоне длин волн или по поверхности, сквозь которую проникает излучение. В фотометрии представляет интерес величи­на, характеризующая одновременно пространственную и спектральную плот­ности светового потока. Принцип измерения основан на оптоэлектрическом измерительном преобразовании, подробно описанном в первой части книги. Это в равной степени относится к измерениям оптических величин, характе­ризующих как излучения различных источников, так и свойства сред, веществ и материалов.

Однако если в первом из этих двух случаев характер распределения ин­тенсивности излучения во времени, в диапазоне длин волн или в пространстве предопределен конструкцией источника и его параметрами, то во втором случае необходимо создать определенные условия, чтобы исследуемая среда «проявила» свои оптические свойства.

Измеряя величины, характеризующие излучение источника, следует лишь подобрать должным образом элементы оптоэлектрического измерительного преобразования и реализующее его средство измерений. Как правило, при этом достаточно озаботиться попаданием всей требуемой доли измеряемого потока или соответствующей производной величины в апертуру измеритель­ного прибора, калиброванного или градуированного в надлежащих единицах.

Иначе обстоит дело при измерениях оптических свойств сред, веществ и материалов. Во-первых, в подавляющем большинстве случаев необходимо обеспечить измерения спектральных величин, коэффициентов и характери­стик, отображающих эти оптические свойства. Значительно реже вызывают интерес интегральные величины, коэффициенты и характеристики, которые вычисляют, пользуясь результатами измерений их спектральных аналогов.

Следовательно, во избежание чрезмерных методических и инструменталь­ных погрешностей следует нормировать спектральные параметры и характе­ристики излучения, падающего на измеряемые образцы сред, веществ и мате­риалов, и тщательно метрологически исследовать спектроанализатор.

Во-вторых, большую роль играет геометрия облучения (освещения)/измерения. Эти условия особенно строго оговариваются при измерениях таких оптических свойств, как отражение, пропускание и преломление образцов сред, материалов, веществ.

В-третьих, необходимо знать и учитывать состояние поляризации излуче­ния, используемого для освещения/облучения образца источника.

В-четвертых, необходимо принимать во внимание, что определение опти­ческих свойств образца вещества или материала представляет собой процесс измерения некоторой статистически распределенной по поверхности или/и объему величины. Поэтому результат измерений в виде коэффициента или показателя, отображающего определяемую величину, является по существу некоторым усредненным по площади или объему образца значением. Степень истинности этого значения зависит, во-первых, от однородности материала, из которого изготовлен образец, а, во-вторых, от точности калибровки из­мерительной аппаратуры по стандартным образцам (СО) или правильности методики сравнения со СО в процессе выполнения измерений (к примеру, при определении коэффициента пропускания измеряемого образца спектрофото­метром).

Наконец, измерения оптических свойств веществ и материалов отличает специфика построения системы обеспечения единства измерений. Хотя мерой принято считать СИ, предназначенное для воспроизведения физической ве­личины заданного размера, в рассматриваемом направлении измерений мера играет существенную роль во всех звеньях поверочной схемы при передаче ее размера и от разрядных эталонов рабочим средствам измерений. В дальней­шем читателю придется постоянно сталкиваться с понятием меры, реализо­ванной в виде стандартного образца, под которым подразумевается мера для воспроизведения единиц величин, характеризующих свойства или состав веществ и материалов.

Поэтому пробоподготовка, т. е. разработка и изготовление образцов изме­ряемых материалов и веществ, и надлежащий выбор СО разных точностных разрядов являются ответственными этапами измерительного эксперимента.

Перечисленные задачи и специфические особенности измерений оптиче­ских свойств веществ и материалов предопределили архитектонику настоя­щей части книги. Поскольку наибольший интерес представляют именно спек­тральные свойства измеряемых образцов, то глава двенадцатая посвящена изложению основ спектрофотометрии. Она содержит сведения о мето­дах и средствах измерения коэффициентов отражения и пропускания как наиболее часто определяемых параметров, характеризующих прозрачные и непрозрачные среды. Рассмотрены принципы измерения коэффициента поглощения излучения и наиболее распространенные аппаратурные реше­ния. В главе тринадцатой описаны основы рефрактометрии, т. е. измерений показателя преломления.

Непосредственно к этим по существу фотометрическим измерительным задачам примыкает глава четырнадцатая, посвященная основам колоримет­рии. Здесь рассмотрены основы измерений цвета и обеспечения их единства, причем основное внимание обращено на органическую связь колориметрии с фотометрией в части измерений спектральных коэффициентов отражения и пропускания и со спектрорадиометрией для самосветящихся объектов.

Пятнадцатая глава посвящена поляризационным измерениям и преж­де всего методам и средствам измерений: угла вращения плоскости поляриза­ции, параметров эллиптически поляризованного света, кругового дихроизма.