Глава 12 основы спектрофотометрии

Глава 12 ОСНОВЫ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ

В отечественной и в зарубежной литературе по оптической радиомет­рии различные авторы под оптическими свойствами подразумевают только некоторые, наиболее широко распространенные параметры и характеристики и даже именуют их фотометрическими [23]. Более того, наиболее пристальное внимание уделено двум оптическим свойствам сред — отражению от них и пропусканию ими падающего потока излучения.

Принимая во внимание особую важность и значимость количественного Определения отражения и пропускания, Международная комиссия по освеще­нию (МКО) выпустила силами ряда членов технического комитета ТС 2-14 руководство по практическим методам измерений этих двух свойств [62] г). В книге одного из крупнейших отечественных специалистов в области фото­метрии проф. Μ. Μ. Гуревича [23] также основное внимание уделено описанию и измерениям именно этих фотометрических свойств тел.

Следуя [23] и [62], рассмотрим сначала общие соотношения и определения, касающиеся отражения, пропускания и поглощения оптического излучения, затем опишем методы и средства измерений и познакомимся с принципами обеспечения единства измерений этих основных оптических свойств веществ и материалов, т. е. с их эталонными измерениями.

12. 1. Общие соотношения и основные сведения

Следуя [23], для определенности будем считать, что облучаемый (освеща­емый) предмет всегда представляет собой плоский слой, толщина которого, кроме особо оговоренных случаев, мала по сравнению с линейными размерами его облученной (освещенной) поверхности.

Плоский слой делит окружающее пространство на два «полупростран­ства»: одно из них расположено перед слоем, другое — позади него. Из первого полупространства излучение падает на слой и частично проходит через него во второе полупространство.

Пусть на поверхность слоя падает произвольно распределенный по на­правлениям поток - Облученный (освещенный) слой разделит упавший на него поток на три части: поток, отраженный от слоя ( ) и направленный в ту полусферу, из которой пришел падающий поток; поток, прошедший через слой ( ) и вышедший в другую полусферу, и поглощенный поток ( ) который превратится в веществе слоя в тепло или другую форму энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что сумма отраженного, прошед­шего и поглощенного потоков равна потоку падающему, т. е. что , ИЛИ

Отношение потока, отраженного от слоя, к потоку, падающему на слой, называется коэффициентом отражения слоя и обозначается буквой . Отношение потока, прошедшего через слой, к потоку, падающему на слой, называется коэффициентом пропускания слоя и обозначается буквой . Отношение потока, поглощенного в слое, к потоку, падающему на слой, назы­вается коэффициентом поглощения слоя и обозначается буквой .

а) В отечественной литературе эти измерения именуются техническими.

2) Это выражение справедливо, если исключить из рассмотрения возможную люминесцен­цию слоя, т. е. генерацию светового потока за счет ультрафиолетовых лучей, содержащихся в падающем излучении.

 

Следовательно,

                          (12. 1)

Для окрашенных веществ эти коэффициенты зависят от спектрального состава падающего излучения. Для монохроматического излучения с длиной волны λ ± Δ λ их следует обозначать ,  и . Спектральную за­висимость коэффициентов , τ (λ ) и α (λ ) часто изображают графически, откладывая по оси абсцисс длину волны λ, а по оси ординат — один из коэффициентов. Если график должен охватить широкий интервал изменения длин волн, то удобно воспользоваться логарифмическим масштабом.

Поток излучения любого спектрального состава всегда можно рассматри­вать как сумму большого числа монохроматических составляющих с мощно­стями , каждая из которых, попав на слой, претерпевает измене­ния, зависящие от его спектральных свойств. При этом отраженная, пропу­щенная и поглощенная мощности могут быть представлены произведениями ,  и . Световой поток падающего излучения можно записать так: . Световые потоки — отраженный от слоя, прошедший через него и поглощенный в нем — будут изображаться тремя интегралами: ; ; . В соответствии с этим визуальные коэффициенты от-

J ражения, пропускания и поглощения слоя следует написать в такой форме:

 

                     (12. 2)

Здесь: — относительная спектральная световая эффективность; К — коэффициент пропорциональности, который называют максимальной свето­вой эффективностью излучения; все интегралы взяты в пределах видимого спектра.

Из предыдущего видно, что если речь идет не о световом потоке, а о потоке излучения, то расчеты энергетических коэффициентов отражения ре, пропус­кания те или поглощения ае могут быть выполнены по формулам, подобным выражениям (12. 2), в которые, однако, не войдут множители - Таким образом,

                             (12. 3)

где интегралы распространены на весь спектр источника.

Согласно выражениям (12. 2) и (12. 3) коэффициенты отражения, пропус­кания и поглощения зависят не только от спектральных свойств материалов, определяемых функциями ,  и , но также от вида функции , характеризующей спектральный состав падающего излучения. На это обсто­ятельство приходится обращать внимание потому, что, несмотря на всю его очевидность, о нем нередко забывают и, приводя числовые значения одного из названных коэффициентов, часто не указывают, к какому составу падающего излучения эти значения относятся.

Только для нейтрального материала, характеристики которого в пределах интересующего нас спектрального интервала не зависят от длины волны, коэффициенты отражения, пропускания и поглощения не зависят от состава падающего излучения и совпадают с их значениями для любого монохрома­тического излучения.

Рассматривая выражения (12. 2), легко убедиться и в том, что влияние спектральной характеристики приемника — в данном случае глаза человека — на коэффициенты ρ, τ и  совершенно подобно влиянию спектрального со­става падающего излучения.

Энергетические коэффициенты отражения, пропускания и поглощения характеризуют свойства материалов для нейтрального приемника.

При рассмотрении оптических, фотометрических или светотехнических задач можно часто встретиться с указанием на отражение, преломление или рассеяние света, происходящее на поверхности предмета. Следует всегда иметь в виду, что каждая поверхность представляет собой только геометриче­скую границу, разделяющую объемы, занятые разными веществами (напри­мер, воздух и стекло, воздух и металл, воздух и дерево, вода и песок). Сама по себе геометрическая поверхность не содержит никакого вещества и не может оказать какого-либо воздействия на падающее излучение. Любое оптическое явление определяется свойствами вещества, расположенного около границы раздела, т. е. около поверхности тела. Во многих случаях толщина слоя, вли­яющего на наблюдаемое явление, оказывается очень малой и измеряется еди­ницами или даже долями длины волны падающего излучения. Малость- этой толщины привела к обыкновению относить многие явления к поверхности, что удобно математически, хотя, строго говоря, неверно.

В соответствии с установившимся обычаем дальше можно встретиться с той же манерой выражения. Однако следует всегда считать, что в слово «поверхность» надо вкладывать не геометрический, а физический смысл, при котором речь идет о поверхностном слое, толщина которого оказывается в разных случаях разной.

Познакомившись с взятыми из [23] основными соотношениями, перейдем к необходимым в дальнейшем основным сведениям о терминологии и специ­фике выполнения спектрофотометрического эксперимента [62].

Начнем с определений рассматриваемых оптических свойств и сред.

Отражением именуется процесс, в ходе которого излучение возвраща­ется поверхностью или средой без изменения частот его монохроматических составляющих.

Примечания.

Часть падающего на среду излучения отражается ее поверхностью (по­верхностное отражение), остальная часть может быть рассеяна в обратном направлении внутренними слоями среды (объемное отражение).

Частота остается неизменной лишь при отсутствии эффекта Доплера, т. е. в случае неподвижной среды.

Пропусканием именуется прохождение излучения сквозь среду без из­менения частот его монохроматических составляющих.

Поглощением именуется процесс преобразования энергии оптического излучения при взаимодействии со средой в другие виды энергии.

Зеркальным отражением (направленным пропусканием) считает­ся отражение (пропускание) излучения без рассеяния, подчиняющееся зако­нам геометрической оптики.

Примечание. В англоязычной литературе зеркальное отражение мо­жет именоваться direct, regular или specular reflection.

Диффузным отражением (пропусканием) считается отражение (пропускание), не содержащее в макроскопическом масштабе зеркальной составляющей.

Смешанным отражением (пропусканием) считается отражение (пропускание), частично содержащее зеркальную (направленную) и диффузную составляющие. Изотропное диффузное отражение (пропускание) представляет собой диффузное отражение (пропускание), в котором пространственное рас­пределение отраженного (прошедшего) излучения таково, что энергетическая яркость или яркость одинакова во всех направлениях в пределах полусферы, в которую происходит отражение (пропускание).

Совершенный отражающий (пропускающий) диффузор (рассе-иватель) — идеальный изотропный диффузор (рассеиватель) с коэффициен­том отражения (пропускания), равным единице.

Мутной (translucent) средой именуется среда, обладающая для ви­димого излучения диффузным пропусканием, в результате чего сквозь нее объекты практически неразличимы.

Примечание. В англоязычной литературе наименование прозрачной среды — transparent medium.

Характеристики сред. Коэффициент отражения ( ) (пропуска­ния ( )) (для падающего излучения с заданными спектральным составом, состоянием поляризации и пространственным распределением) — отношение отраженного (прошедшего) потока излучения к падающему потоку при дан­ных условиях.

Коэффициент зеркального отражения ( ) (направленного про­пускания ( )) — отношение зеркально отраженной (направленно пропу­щенной) части всего отраженного (прошедшего) потока к падающему по­току.

Коэффициент диффузного отражения ( ) (диффузного пропус­кания ( )) — отношение диффузно отраженной (пропущенной) части всего отраженного (прошедшего) потока к падающему потоку.

Примечания.

Результаты измерений  и (  и ) зависят от методики измерений и выбора измерительной аппаратуры.

ρ и τ — безразмерные величины.

Показатель энергетической яркости/яркости (β ) (элемента по­верхности несамоизлучающей среды в заданном направлении при опреде­ленных условиях облучения/освещения) — отношение энергетической ярко­сти/яркости элемента поверхности в заданном направлении к идентичным параметрам совершенного отражающего или пропускающего диффузора при одинаковых условиях облучения/освещения.

Единица величины: 1.

 

Примечания.

1. Для фотолюминесцентной среды , где — показатель энергетической яркости/яркости отраженной части потока, — показатель энергетической яркости/яркости люминесцентной части потока.

2. Определение β применимо только к диффузному излучению.

Коэффициент энергетической яркости/яркости (q) (элемента по­верхности среды в заданном направлении при определенных условиях об­лучения/освещения) — отношение энергетической яркости/яркости элемента поверхности в заданном направлении к облученности/освещенности среды.

Единица: ср" 1. Примечания.

1. Определение q применимо только к диффузному излучению.

2. Показатель β и коэффициент q связаны соотношением: , гДе Ω ο = 1 ср.

Коэффициент поглощения (а) представляет собой отношение погло­щенного потока излучения к падающему при данных условиях.

Спектральный состав падающего излучения. При проведении изме­рений должно быть известным спектральное распределение мощности Ρ (λ ) падающего излучения. Для этого следует указать, например, тип осветителя по спецификации Μ КО, либо цветовую температуру или температуру рас­пределения эталонной лампы. В случае использования источника монохро­матического излучения фиксируется длина волны и ширина полосы (обычно полуширина на половине максимума интенсивности).

Примечание. При измерениях оптических свойств люминесцентных материалов образец должен облучаться либо источником с известными харак­теристиками, либо последние нужно предварительно измерить спектрофлуо-! риметром.

Стандартизованные МКО источники светового потока снабжены табули­рованными значениями спектральных распределений мощности излучения, которые не всегда могут быть практически реализованы. При измерениях спектральных коэффициентов отражения или поглощения интегральные зна­чения соответствующих коэффициентов могут быть вычислены численным интегрированием с использованием упомянутых табулированных значений относительных спектральных распределений мощности.

Рекомендациями МКО и Международной организации по стандартизации (ИСО) установлено, что источником света типа А служит вольфрамовая лампа, работающая при коррелированной цветовой температуре 2856 К. Ис­точник света типа С представляет собой сочетание источника типа А и набора жидкостных фильтров, вырезающих видимую часть спектра дневного света. Стандартный источник света типа D характеризует дневной свет с включени­ем в спектр излучения УФ компоненты. Другие источники света используются от случая к случаю: например, источники типа D55 и D75 применяют для выделения определенных спектральных диапазонов естественного освещения, а также в процессе исследований в требуемых условиях суммарного солнеч­ного излучения [62]. При необходимости к обозначению измеряемой величины может быть добавлен символ, характеризующий источник света, например,  для коэффициента пропускания светового излучения при использовании источника типа А.

Интегральные характеристики. Если спектральная зависимость опти­ческого свойства образца определена и известно спектральное распределение  мощности падающего на него излучения, то интегральная характери­стика этого свойства вычисляется по формуле

                             (12. 4)

где α (λ ) — спектральная характеристика образца; го  — относительная спектральная весовая функция, например,  — для световых характе­ристик; единица для энергетических характеристик; ,  и  для колориметрических характеристик.

Значение а может быть либо измерено непосредственно, если источник имеет надлежащее относительное спектральное распределение мощности из­лучения, а спектральная характеристика приемника излучения корригирова­на под соответствующую , либо оно может быть вычислено, если известны все спектральные зависимости, включая α (λ ).

В случае возникновения неоднозначности при определении фотометри­ческой характеристики следует пользоваться прилагательным «световая» и снабжать обозначение величины подстрочным индексом «ν » (например, све­товой коэффициент отражения ). Аналогично при определении энергети­ческой характеристики применимы прилагательное «энергетическая» и под­строчный индекс «е» (например, энергетический коэффициент отражения ).

Возможно определение энергетической характеристики в ограниченном спектральном диапазоне. В этом случае следует использовать префикс и со­ответствующий подстрочный индекс (например, УФ (UV) энергетический коэффициент отражения  или ) ■

Необходимо помнить, что каждая спектральная характеристика имеет свой световой или энергетический эквивалент или же другие аналоги.

Геометрические схемы выполнения измерений. В принципе суще­ствует 9 геометрических схем выполнения измерений коэффициента отраже­ния (табл. 12. 1), когда падающий и наблюдаемый отраженный пучки могут быть:

· направленными (почти параллельными);

· коническими (ограниченными более или менее значительным телесным углом);

· полусферическими.

Измерения в полусферической геометрии могут быть выполнены с ис­пользованием интегрирующей сферы (ИС). Эти же геометрические схемы используются при выполнении измерений коэффициента пропускания.

Измеряемые величины зависят от геометрической схемы с соответствую­щими обозначениями:

· углы падения излучения  и  и углы наблюдения  и  (рис. 12. 1);

· апертурные углы падающего и отраженного пучков  и , соответ­ственно (рис. 12. 2).

 

Таблица 12. 1. Геометрические условия выполнения измерений коэффициента

отражения

 

Геометрическая схема	Характеристика	Обозначение
Полусфера/полусфера	Коэффициент отражения	Pdif
Полусфера/конус	Показатель отражения	Rdit
Полусфера/направленность	Показатель энергетической яркости	/3dif
Конус/полусфера	Коэффициент отражения	Рс
Конус/конус	Показатель отражения	Rc
Конус/направленность	Показатель энергетической яркости	β ο
Направленность/полусфера	Коэффициент отражения	Pg
Направленность/конус	Показатель отражения	Re
Направленность/направленность	Показатель энергетической яркости	β.

Примечания.

 

Индекс «dif» соответствует полусферическому облучению (2σ χ = 180°, рис. 12. 2).

Индекс «с» соответствует коническому облучению, описываемому раз­мерами, формой и ориентацией телесного угла (  и ).

Индекс «g» соответствует направленному облучению, описываемому размерами, формой и ориентацией телесного угла (углы  и ).

 

Рис. 12. 1. Обозначения: L — источник излучения; Ph — приемник излучения; Μ — образец; η — нормаль к поверх­ности образца; ε ι — угол падения; ег — угол наблюдения; φ ι и ψ ι — азимуталь­ные углы

Рис. 12. 2. Апертурные углы для случая зеркального отражения: L — источник излучения; Ph — приемник излучения; Μ — образец; 2< χ ι — апертурный угол падающего пучка; 2σ 2 — апертурный угол отраженного пучка4. Для совершенного отражателя все значения девяти параметров равны единице.

В случае, если апертурные углы превышают заданные значения, это долж­но особо оговариваться.

Примечание к рис. 12. 2. Для упрощения углы  и  относятся к падающему и отраженному пучкам, «стянутым» к центру измеряемой пло­щадки.

Изображенные на рис. 12. 1 и 12. 2 схемы строго справедливы при условии равномерного распределения интенсивности в поперечном сечении падающего пучка излучения и отсутствия неравномерности распределения коэффициента преобразования (К_пр) по активной поверхности приемника излучения, т. е. отсутствия зонной характеристики.

Если описываемые свойства среды определяются под конкретным углом наблюдения, он должен быть охарактеризован углом  между оптической осью наблюдаемого пучка и нормалью к поверхности образца и азимутальным углом φ (углом между плоскостями падения и наблюдения, ). В случае копланарности углов  и  (φ = 0° или 180°) их можно указывать в подстрочном индексе (например, при  = 45° и  = 0°, )·

Если поверхность материала неоднородна или анизотропна, то необходимо зафиксировать ориентацию этих свойств относительно плоскости падения излучения или наблюдения.

Следовательно, для каждой измеряемой характеристики должна быть оговорена геометрическая схема и рекомендована методика выполнения из­мерений.

Толщина образцов мутных сред. Методики выполнения измерений оптических характеристик образцов мутных сред зависят от их толщины, причем решение о том, толстый или тонкий образец, зависит не только от его физической толщины. Критическая толщина образца значительно мень­ше для сильно рассеивающих излучение материалов, чем для обладающих квазинаправленным пропусканием. Образец мутной (рассеивающей) среды может быть отнесен к толстым, если используется специальная методика выполнения измерений, при которой лишь незначительная часть отраженного или прошедшего сквозь образец лучистого потока не попадает в апертуру при­емника излучения. В этих случаях оказывается полезной визуальная проверка при освещении образца коллимированным пучком, помогающая определить, к какой категории по толщине он относится. При возникновении сомнений образец следует отнести к разряду толстых.

Прочие параметры. Помимо рассмотренных параметров, на результаты измерений отражения и пропускания влияют:

· состояние поляризации излучения; если не определены характе­ристики неполяризованного падающего излучения, следует зафиксировать его состояние поляризации и азимут плоскости поляризации; отраженное или прошедшее сквозь образец излучение обычно оказывается частично поляри­зованным даже в том случае, когда падающее излучение не поляризовано;

· температура; если не оговорены специальные условия, то значения характеристик отражения и пропускания приводятся при температуре 25 °С;

· состояние поверхности; если не оговорены специальные условия, то значения характеристик отражения и пропускания приводятся для чистой, сухой поверхности образца.

⇐ Предыдущая37383940414243444546Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: