12.5. Методы и средства абсолютной рефлектометрии

Предыдущие параграфы настоящей главы были посвящены, в основном, техническим измерениям трех важнейших оптических свойств материалов — характеристик отражения, пропускания и поглощения оптического излуче- | ния. Однако обеспечение единства этих измерений требует создания первич­ных, вторичных и рабочих эталонов и соответствующих методов и средств I воспроизведения единиц величин, характеризующих упомянутые оптические свойства, и передачи их размеров. Это означает, что необходимо описать методы и средства эталонных измерений характеристик отражения и пропус-канйя веществ и материалов, поскольку именно этими характеристиками чаще всего интересуются специалисты в разных отраслях науки, промышленности, | новейших технологий, а также пользователи светотехнической, медицинской, аналитической и пр. видов аппаратуры, применяемых в самых различных сферах человеческой деятельности.

Однако подавляющее большинство окружающих нас световых и цвето- ] вых явлений связано с диффузным отражением излучения и его рассеянием | при пропускании различными средами. Поэтому измерения характеристик 1 в первую очередь диффузного отражения особенно актуальны, а, следователь­но, необходима и система обеспечения их единства, возглавляемая первичным эталоном, роль которого должен играть общепризнанный, высокоточный, вы­сокостабильный стандартный образец, коэффициент диффузного отражения которого определен с высокой степенью достоверности. Кроме этого, в распо- ' ряжении метрологов должны находиться методы и средства передачи размера этого коэффициента стандартным образцам меньшей точности, применяемым во вторичных и рабочих эталонах.

Примечание. В англоязычной литературе связь СИ с первичными (национальными) эталонами обозначается термином traceability, что соответ­ствует, в переводе на русский язык, единству измерений.

Еще в 1931 году в области колориметрии непрозрачных материалов МКО рекомендовала в качестве первичного эталона коэффициента диффузного отражения использовать образец из закопченной окиси магния. Однако с 1969 года он был заменен на совершенный («идеальный») диффузный отражатель. Поскольку в природе не существует материалов и веществ, с достаточной точностью удовлетворяющих требованиям по диффузности, предъявляемым к совершенному отражателю, необходимо было разработать методы и сред­ства абсолютных измерений диффузных отражательных характеристик образцов, предназначенных для использования в качестве первичных этало­нов коэффициента диффузного отражения.

Настоящий раздел посвящен описанию этих методов и средств на основе материала, содержащегося в [64]. Именно на базе части этих методов по­строены в ряде стран системы обеспечения единства измерений (traceability) всех трех основных оптических характеристик материалов — коэффициентов отражения, пропускания и поглощения.

Рассматриваемая в данной главе характеристика, как неоднократно от­мечалось ранее, представляет собой отношение двух потоков — отраженного образцом и падающего на него. Как правило, прямые измерения этих двух потоков не практикуются. Следовательно, необходимы методы и средства косвенных измерений этого отношения с высокой точностью, на которую, кстати, влияют способы пробоподготовки и изготовления стандартных образ­цов, а также достоверность определения их метрологических свойств.

По принципу измерений рассматриваемые в настоящем параграфе методы делятся на:

· гониофотометрические;

· использующие полусферические облучатели;

· использующие полусферические или сфероидные зеркала;

· основанные на теории Кубелки-Манка (Kubelka-Munk);

· базирующиеся на теории интегрирующей сферы.

Примечание. Напомним, что принципом измерений именуется со­вокупность физических явлений, на которых основаны измерения, а мето­дом измерений считается совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Прежде чем приступить к описанию методов измерений в приведенной выше последовательности, необходимо сделать два важных замечания.

Во-первых, «совершенным (отражающим) рассеивателем (диффузором)» считается идеальный равномерный рассеиватель (диффузор) с коэф­фициентом отражения, равным 1. Его не следует отождествлять с «рав­номерным рассеивателем (диффузором)», обладающим всего лишь одинако­вой яркостью во всех направлениях.

Во-вторых, показатель яркости β или коэффициент отражения ρ строго зависят от геометрии облучения и измерения (наблюдения). Приведем наиболее важные геометрии для выполнения эталонных измерений при опре­делении характеристик СО коэффициента отражения:

· нормальное/45° (сокращенно 0/45);

· 45°/нормальное (сокращенно 45/0);

· диффузное/нормальное (сокращенно d/0);

· нормальное/диффузное (сокращенно 0/d);

· диффузное/диффузное (сокращенно d/d).

Примечание. Первые 4 условия рекомендованы МКО для точного опи­сания цвета непрозрачных образцов, а при выполнении условий 1 и 4 образцы со смешанным характером отражения не обязательно измерять при строго нормальном падении излучения.

Ранее уже упоминалось, что в каждой из пяти геометрий первым является условие падения излучения, а вторым — условие измерения (наблюдения). Три первых условия являются показателями энергетической яркости (яркости) и обозначаются соответственно как ,  и  в т0 время как условия 4 и 5 являются коэффициентами отражения и обозначаются соответственно как  и .

Приступим к рассмотрению перечисленных выше абсолютных методов измерений коэффициента отражения, рекомендуемых при выполнении эта­лонных измерений.

12. 5. 1. Гониофотометрические методы. Напомним, что абсолют­ным измерением коэффициента отражения ρ является определение отноше- j ния отраженного светового потока  к падающему световому потоку , т. е. ;.

Положим, что сила света отражающей поверхности равна , где   и ζ — угол относительно нормали к поверхности и азимутальный угол, соот­ветственно. Тогда

Пусть показатель яркости образца в направлении  равен , а сила света в направлении нормали идентично освещаемого совершенного диффузора равна . Тогда

а падающий поток -В результате

                         (12. 8)

Из этих уравнений следует, что гониофотометрический метод определения  или  наиболее фундаментален по сравнению с другими методами абсолютных измерений характеристик отражения, поскольку он в принципе годен для измерений с образцом, имеющим произвольное распределение I или β, хотя и возникает ряд затруднений при его практическом воплощении.

Примечание. Помимо абсолютных измерений гониофотометрический метод необходим для определения углового распределения отраженного по­тока, что позволяет оценить погрешности всех других методов измерений коэффициента отражения.

Поскольку материалы, используемые для изготовления СО коэффици­ента отражения, весьма близки по своим характеристикам к равномерным рассеивателям, I и β зависят при нормальном падении только от , т. е. выражение (12. 8) упрощается и преобразуется к виду

(12. 9)

При измерениях β наиболее важными считаются геометрии 0/45, 45/0 и d/Ο, поскольку именно эти условия освещения и наблюдения рекомендованы МКО для колориметрии, а абсолютное значение β, измеренное при одном из этих трех условий, используется в качестве опорного (референтного) значения при других углах наблюдения, но при том же условии освещения. Более того, согласно закону взаимности из значения  вытекает значение  ·

Световой поток, отраженный образцом в направлениях, близких к направ­лению падения, не может быть измерен, поэтому при определении коэффици­ента диффузного отражения можно лишь оценить значение . Разумеется, необходимо изучить погрешность такой оценки, но для практически равно­мерных диффузоров она, как правило, мала.

Показатель яркости  в точке образца равен , где  и — соответственно, яркости образца и совершенного отражающего рассеивателя (диффузора) при идентичном освещении обоих.

Тогда

;                                                       (12. 10)

где q — коэффициент яркости; Ε — освещенность в точке F; Ω ο — телесный угол, равный 1 ср.

Это соотношение часто используется в качестве основного при измере­нии β. Экспериментальная трудность заключена в том, что световой поток, падающий на фотометрическую головку люксметра при измерении Е, зна­чительно превышает световой поток в малом телесном угле при измерении яркости L отраженного излучения. Предложено несколько способов преодо­ления этого затруднения.

Престон и Гордон-Смит (Preston and Gordon-Smith) [64] использовали три отверстия разной площади для получения примерно одинаковых выходных сигналов фотоэлемента при измерениях падающего и отраженного световых потоков. Как следует из рис. 12. 10, сначала наименьшее отверстие X распо­лагается на расстоянии α от лампы, и регистрируется показание фотомет­ра  для суммарного светового потока, прошедшего сквозь отверстие. Затем пластина с отверстием замещается в той же плоскости образцом, а фото­элемент располагается так, чтобы наблюдение велось под углом 45° сквозь большее отверстие Υ. Непосредственно перед приемной поверхностью фото­элемента устанавливается пластина с третьим отверстием Ζ, при известном расстоянии / между Υ и Ζ, и регистрируется показание фотометра  для прошедшего сквозь отверстия отраженного потока. При этом

                                           (12. 11)

где β — коэффициент яркости; Χ, Υ, Ζ — площади отверстий; d — диаметр сферы, проходящей через отверстия Υ и Ζ.

Эта формула позволяет определить значение β без ссылки на силу све­та лампы и расстояние а. Кроме того, необходимо учитывать путем внесения поправок ЗХ фотометрической головки и неравномерность распределения осве­щенности по поверхности образца.

Логическим развитием описанного метода явился вариант гониофото-метрического метода, предложенный Кларком, Ламбертом, Спэрроком и Гэрфортом (Clarke, Lambert, Sparrock and Garforth) [64]. Образец и зеркало из черного стекла взаимозаменяемо мон­тируются на предметном столике так, что их можно вводить в параллельный пучок, формируемый коллимирующим зеркалом, в фокусе которого располо­жена лампа источника света. Черное стекло используется, с одной стороны,

Рис. 12. 10. Гониофотометрический метод Престона и Гордона-Смитакак

 

Ослабитель, позволяющий сократить разрыв в интенсивностях падающего и диффузно отраженного потоков излучения, а с другой стороны — в качестве зеркала, минимизирующего число манипуляций в измерительной установке при переходе от одного потока к другому. Оно калибруется так же, как любой зеркальный отражатель, при определении его коэффициента отражения.

Черное стекло имеет коэффициент ослабления излучения 25, а сочетание его с секторным ослабителем, помещаемым перед лампой, обеспечивает сум­марное ослабление падающего потока до 2500 раз, делая его соизмеримым с потоком, диффузно отраженным образцом.

Отраженное черным зеркалом излучение собирается специальным зер­кальным коллектором, проецирующим уменьшенное изображение нити лам­пы на входную щель монохроматора. При замещении черного зеркала об­разцом щель освещается целиком. Одинаковые доли потока излучения, про­шедшего сквозь щель, попадают на фотометр, дающий показания  и , соответственно. Это позволяет определить спектральный показатель яркости для геометрии 45/0:

                                 (12. 12;

где г — коэффициент пропускания секторного ослабителя;  — спектраль­ный коэффициент отражения черного зеркала; d — фокусное расстояние вогнутого зеркала коллектора; s — площадь входной щели монохроматора; n — показатель преломления материала, из которого изготовлены оптические элементы коллектора. Таким образом, при использовании этого метода нужно заведомо знать , , d и s.

Муррен (Моггеп) [64] использовал фотоэлемент для измерения освещенно-стей в широком диапазоне их значений, т. е. освещенности образца Ε и осве­щенности Е1 в плоскости Р, расположенной на некотором расстоянии от опалового стекла, освещаемого сзади лампой (рис. 12. 11). Яркость опалового стекла, являющаяся в то же время яркостью образца в заданном направлении, регулируется с помощью яркомера и доводится до уровня L, вычисляемого по формуле

                                            (12. 13)

где R — радиус сферы, в которой вырезаны отверстия S_e n S_r; a_e и а_r — площади сферических поверхностей, основаниями которых служат эти отвер­стия.

 

Рис. 12. 11. Гониофотометрический метод Муррена

 

Калибровка фотометра с фотоэлементом для измерения большого отно­шения  выполняется с использованием закона обратных квадратов или, если это необходимо, с помощью дополнительных нейтральных фильтров. Применяя формулу (12. 10), Муррен с помощью измеренных значений Ε и L определил показатели яркости опаловых стекол и СО из прессованных порош­ков. Отличительной особенностью этого метода является замена измерения яркости проще и надежнее выполняемым определением освещенности.

В. Е. Карташевская и СП. Скачкова [64] в качестве источника света ис­пользовали заключенную в матированный полый корпус с белыми стенками пластину с покрытием BaSO4, равномерно освещаемую двумя прожекторны­ми лампами (рис. 12. 12). Перед осветителем расположено отверстие с извест­ным диаметром do·

Выходные сигналы фотометра при освещении фотоэлемента образцом (рис. 12. 12 о) и источником света (рис. 12. 12 5) равны  и , соответственно, а показатели яркости  и  вычисляются по формуле

                                         (12. 14)

где I — расстояние между излучателем и образцом; ζ — угол падения из­лучения на образец; — коэффициент пропускания вращающегося сектора, используемого для выравнивания значений гх и го до уровня, обеспечивающе­го приближенность их отношения к единице.

 

Рис. 12. 12. Гониофотометрический метод В. Е. Карташевской и СП.

Скачковой

Авторы метода провели измерения на образцах MgO и BaSC> 4 и привели таблицу с результатами, полученными в NRC (метрологическая лаборатория Австралии), NPL (Национальная физическая лаборатория Великобритании) и ВНИИМ (Всероссийский НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева, Санкт-Петербург). Расхождения результатов измерений можно объяснить различи­ями используемых материалов, методик изготовления образцов и погрешно­стями измерений.

 

Корте и Шмидт (Korte and Schmidt) [64] измеряли силу света I образца и источника света  под различными углами падения светового потока. По­казатель яркости β вычислялся по формуле , где L — яркость образца, рассчитанная по силе света и проекции поверхности образца; Ε — освещенность образца, рассчитанная по силе света источника и расстоянию между ним и образцом. Значения  и  получены путем интегрирования выражения для β. Соотношение сил света образца (~0, 05 кд) и источника (~ 200 кд) усреднены с помощью стабильного излучателя с силой света и « 1 кд. Полученные результаты на 0, 3-0, 4% превысили данные эксперимента при использовании полусферического облучателя.

Для измерений  Эрб (ЕгЬ) использовал аналог метода В. Е. Карташев-ской и С. П. Скачковой. В качестве излучателя была применена небольшая ИС с вмонтированными в ней лампой и отражателем. Неравномерность распреде­ления яркости по излучающей площадке не превышала ± 0, 1 %. Одним и тем же яркомером измерялись яркости излучения источника и образца. Во избе­жание коррекции чрезмерной нелинейности характеристики преобразования фотометрической головки по причине значительного (104) различия яркостей источника и образца в эксперименте был применен аналогичный «промежу­точный» излучатель, яркость которого всего в ~ 102 раз превосходила яркость образца.

Освещенность Ε образца рассчитывалась по измеренной яркости и площа­ди светящегося пятна излучателя и расстоянию между излучателем и образ­цом с учетом угла падения излучения 45°. Показатель  рассчитывался по формуле , где L и Ε — яркость и освещенность образца. При этом приводились результаты измерений на образце из свежеспрессованного BaSU4 и сравнивались с аналогичными данными, полученными при опреде­лении .

Брокс и Хельм (Brockes and Helm) [64] оценивали влияние изменений апертурного угла наблюдения в весьма малых пределах на результаты измере­ний  гониофотометрическим методом. Ими найдено, что изменения  у 25 образцов не превысили 0, 005 в пределах апертурных углов от 0 до 10°.

Поскольку геометрия измерений в гониофотометрическом методе обычно асимметрична, влияние состояния поляризации на результаты измерений β должно быть учтено. Сравнительно недавно стало очевидным, что даже ма­тированные (шероховатые) поверхности, используемые при изготовлении СО коэффициента диффузного отражения, не являются совершенными деполя­ризаторами, и что отраженное их поверхностями излучение оказывается более или менее поляризованным даже в случае неполяризованного падающего излучения. Поэтому желательно при измерениях пользоваться фотометром, не чувствительным к направлению поляризации.

12. 5. 2. Методы, использующие полусферические облучатели. При использовании этих методов геометрия измерений такова, что источник излучения охватывает максимальный телесный угол 2π над поверхностью образца при равномерно распределенной яркости, т. е. обеспечивается чисто диффузное облучение/освещение образца, а угол наблюдения сквозь неболь­шое отверстие в излучателе можно варьировать от 0° в достаточно широких пределах. Освещенность Ε поверхности образца рассчитывается путем инте­грирования произведения яркости  и , где  — угол относительно нормали к плоскости образца, a  — элемент телесного угла с вершиной в точке поверхности образца, изменяющегося в пределах до . Тогда

Если образец заместить совершенным рассеивателем, его яркость Ε /π Ω ο оказывается равной яркости источника. Тогда  или  образца опреде­ляются как

                                                    (12. 15)

где L — яркость образца в интересующем экспериментатора направлении.

При измерениях белых образцов это отношение столь близко к едини­це, что требования к линейности характеристики преобразования фотометра сильно облегчаются, однако трудно реализовать полусферический облуча­тель с высокой равномерностью распределения яркости. Кроме того, следует учитывать влияние отверстия, из которого не поступает световой поток на образец.

Мак-Николас (McNicolas) [64] измерял β образца при диффуз­ном освещении под несколькими фиксированными углами наблю­дения. Как показано на рис. 12. 13, полусфера из опалового стекла освещалась большим количеством ламп, распределенных между на­ружной поверхностью этой сфе­ры и концентрическим полусфе­рическим рефлектором, «закоп­ченным» MgO. Образец располо­жен в центре полусферы. В обеих полусферах по меридиану через определенные интервалы проде­ланы небольшие отверстия. Бла­годаря этому, специально скон­струированным фотометром, рас­положенным снаружи большей полусферы, была измерена зави­симость  Внутренняя стенка

Рис. 12. 13. Метод Мак-Николаса с использова­нием полусферического облучателя: А — опти­ческая схема установки для измерения L образ­ца; Б — оптическая схема установки для измере­ния L поверхности сферы из опалового стекла

источника видна сквозь отверстие в основании полусферы. Отношение  определяется фотометром, оснащенным варьируемым секторным диском. Коэффициент отражения  был вычислен по измеренному значению  с использованием теоремы взаимности.

 

Тингволт (Tingwaldt) [64] создал прибор, по сути реализующий метод Мак-Николаса. В нем использована ИС, а образец расположен вертикально в ее центре и может поворачиваться вокруг вертикального диаметра. Это позво­ляет наблюдать его под любым углом сквозь отверстие в стенке ИС. Излуча­тель располагается над образцом внутри сферы и обеспечивает равномерное распределение яркости по ее поверхности, облучающей образец в пределах телесного угла 2тг.

А. С. Топорец описал прибор для измерения β (λ ) образца при диффуз­ном освещении в зависимости от угла наблюдения [64]. Выходное излучение монохроматора вводится сквозь опаловое стекло внутрь ИС, при этом ее внутренняя поверхность равномерно облучается. Размещенный горизонталь­но образец имеет возможность перемещаться вдоль горизонтального диаметра от центра ИС к ее стенке. При расположении образца в центре ИС или у ее стенки сквозь отверстие вверху сферы поочередно измеряются яркости L и L0 образца и стенки сферы, соответственно. При неподвижном образце ИС может поворачиваться вокруг горизонтального диаметра, так что угол наблюдения образца может изменять­ся в пределах от 0 до 75°.

Корте и Шмидтом (Korte and Schmidt) [64] описан вариант метода с расположением образца в центре ИС (рис. 12. 14).

Вне полусферы I, находящейся за образцом, смонтированы вместе 6 ламп. Излучение внутрь сферы вво­дится сквозь окна из опалового стек­ла. Благодаря такой конструкции по­лусфера II освещается равномерно (неравномерность распределения яр­кости по ее внутренней стенке не пре­вышает 0, 1 %). Образец освещается по­лусферой II и его яркость L измеряется сквозь отверстие II в ее полюсе. Затем вся сфера поворачивается вокруг цен­тральной оси на 180°, и отверстие I,

 

Рис. 12. 14. Метод Корте и Шмидта с ис­пользованием полусферического облуча­теля (осветителя)

диаметрально противоположное отверстию II, направляется в сторону фото­метра. При этом основание, на котором устанавливается сфера, также слегка поворачивается вокруг проходящей через отверстие I оси таким образом, чтобы стенка полусферы II находилась в поле зрения фотометра. В результате измеряется яркость стенки L0 и определяется . Этим же прибором можно измерять · Для этого следует поменять местами фотометрическую головку прибора и одну из ламп, а остальные выключить. При выполнении этих измерений авторами этого варианта метода были учтены влияния отвер­стий в сфере и соответственно скорректированы полученные результаты.

Следует немного остановиться и на измерениях этим методом энергетиче­ских характеристик.

Эрбом (Erb) [64] описан модифицированный метод с использованием гало-идно-вольфрамовой лампы, размещенной сразу же за образцом вблизи центра сферы. Среди прочих характеристик измерению подлежали зависимости от длины волны и времени спектрального показателя энергетической яркости  прессованных пластин из MgO и BaSC-4 в диапазоне длин волн от 300 до 500 нм. Оказалось, что наиболее заметные изменения во времени наблюдались у образцов из MgO, а при облучении УФ — у образцов из BaSO4·

Подобные образцы исследовались и другими авторами [64]. Отмечалось влияние происхождения образцов, размеров зерен и гранул, особенно в ИК области спектра при длинах волн до 2, 5 мкм.

12. 5. 3. Методы, использщующие полусферические или сфе­роидные зеркала. В оптической схеме метода Кобленца (Coblentz) [64]

 

(рис. 12. 15) образец и фотометрическая головка располагаются рядом в сопря­женных точках вблизи центра полусферического зеркала. Излучение вводится сквозь отверстие в зеркале и направляется сначала на фотометрическую головку с целью измерения падающего потока. Затем пучок направляется на образец одним из двух возможных способов: либо изменением угла падения излучения, либо замещением фотометрической головки образцом. Отраженный образцом поток переотражается зеркалом, фокусируется на

приемной поверхности фотометрической головки и измеряется фотометром. Ко­эффициент отражения в геометрии 0/d (или близкой к ней) вычисляется по фор­муле

                                                 (12. 16)

где  и  — соответственно, отражен­ный и падающий потоки излучения.

Для получения абсолютного значе­ния коэффициента отражения (12. 16) необходимо внести поправки в результат измерения, учитывающие коэффициент отражения зеркала и поток, выходящий сквозь отверстие в нем.

 

Рис. 12. 15. Метод Кобленца с использо­ванием сферического зеркала

 

Коэффициент отражения зеркала может быть определен путем замены образца плоским зеркалом, изготовленным из того же материала и по той же технологии, что и сферическое зеркало. Это плоское зеркало располагается под таким углом, чтобы весь отраженный им поток сначала попадал на сфе­рическое зеркало, а затем на фотометрическую головку. Тогда квадратный корень из отношения отраженного потока к падающему оказывается равным коэффициенту отражения зеркала. Кобленц оценил долю потока, вытекающе­го сквозь отверстие, путем временного перекрытия черненым листом с извест­ной площадью части поверхности полусферического зеркала, примыкающей к отверстию. Уменьшение суммарного отраженного потока при наложении листа позволило количественно определить степень влияния отверстия на результат измерения . В случае равномерно-диффузных образцов влияние оценивается расчетным путем, но обычно степень влияния отверстия зависит от кривых распределения диффузности поверхности образца в полярных ко­ординатах. Чтобы не исключить влияние зеркальной компоненты, отверстие следует располагать под надлежащим углом относительно нормали к поверх­ности образца.

Основное преимущество этого метода заключено в том, что эффектив­ность собирания отраженного излучения выше, чем при использовании ИС, а, следовательно, для выполнения измерений требуется меньший падающий поток. Это достоинство метода становится особенно заметным при измерениях в ИК области спектра с λ > 2, 5 мкм, где трудно подобрать соответствующие покрытия для ИС. Именно поэтому данный метод часто используется при измерениях характеристик чернящих покрытий приемных поверхностей теп­ловых приемников излучения, применяемых в ИК области спектра.

Однако в добавление к необходимости внесения двух упомянутых выше поправок в результаты измерений следует отметить ряд недостатков этого метода, а именно:

· фотометрическая/радиометрическая головка не должна иметь зонной характеристики при любом угле падения излучения в пределах полусферы, т. е. телесного угла ; это практически невозможно обеспечить, поэтому требуется существенная коррекция результатов измерений, не гарантирующая их необходимой точности;

· фотометрическая/радиометрическая головка должна быть не только свободной от ЗХ, но и широкоапертурной, поскольку фокусируемое на прием­ник излучения изображение размывается (теряет резкость) из-за сферической аберрации зеркала;

· многократные переотражения излучения между образцом и приемной поверхностью фотометрической/радиометрической головки могут породить завышение измеренных значений коэффициента отражения; поэтому описан­ный метод больше подходит для выполнения не абсолютных, а относительных измерений с использованием в качестве СО пластины из MgO или алюмини-рованного стекла.

Бранденбург (Brandenburg) [64] предложил вместо сферического приме­нить сфероидное зеркало. Его вычисления показывают, что если образец и фо­тометрическая/радиометрическая головка находятся в двух фокусах плоско­сти, проходящей через главную ось сфероида, то размер изображения и, соот­ветственно, приемной площадки головки может быть значительно уменьшен благодаря исключению сферической аберрации.

Блевин и Браун (Blevin and Brown) [64] использовали сфероидное зеркало, срезанное плоскостью, перпендикулярной главной оси (рис. 12. 16). Образец

помещается в фокусе и облучает­ся в геометрии почти нормально­го падения излучения, проходящего сквозь отверстие в зеркале в месте его пересечения главной осью. Отра­женный поток собирается зеркалом и фокусируется в другой фокаль­ной точке, где расположена фото­метрическая/радиометрическая го­ловка. Основное достоинство этого метода состоит в том, что значитель­но уменьшен телесный угол, в пре­делах которого излучение воспри­нимается головкой (в рассматривае­мом варианте метода угол падения не превышал 19° при эксцентриситете сфероида 5/7). Кроме того, удалось существенно снизить погрешность, порождаемую многократными переотражениями излучения между образцом и фотометрической/радиометрической головкой. К числу недостатков метода следует отнести сильное увеличение изображения на приемной площадке го­ловки и прерывание образцом трассы пучка, распространяющегося от зеркала к головке. Этим рефлектометром были измерены спектральный коэффици­ент отражения MgO, а также зеленовато-желтый и черный цвета покрытий тепловых приемников излучения в диапазоне длин волн от 0, 7 до 14 мкм. Калибровка прибора производилась по алюминиевому зеркалу,  которого был определен с высокой точностью.

 

Рис. 12. 16. Метод Блевина и Брауна с исполь­зованием сфероидного зеркала

 

Систематические погрешности этого ме­тода оказались существенно меньшими, чем при использовании для измерений полусферы Кобленца.

Несмотря на то, что методы этой группы обладают недостаточной точ­ностью для абсолютных измерений коэффициентов отражения эталонных СО в видимой области спектра, тем не менее они весьма эффективны при абсолютных измерениях коэффициента диффузного отражения в И К области спектра с применением эталонных СО абсолютного коэффициента зеркаль­ного отражения.

12. 5. 4. Методы, основанные на теории Кубелки-Манка. В 1931 году Кубелка и Манк (Kubelka and Munk) [64] на основе упрощенной модели распространения света в веществе вывели систему уравнений, описывающих характеристики отражения и пропускания излучения светорассеивающими средами. Базовые уравнения выглядят следующим образом:

                                                         (12. 17)

где i и j — интенсивности светового излучения внутри плоскопараллельного образца из светорассеивающего материала в направлениях его неосвещаемой и освещаемой поверхностей, соответственно; x — расстояние от неосвещаемой поверхности; S и К — коэффициенты рассеяния и поглощения, соответствен­но.

Эти уравнения в дальнейшем приобретали различные формы и использо­вались в практических целях не только для определения S и К, но и абсолют­ных измерений коэффициентов отражения бумажных листов, различных све-торассеивающих растворов и СО коэффициента отражения, изготовленных из MgO, BaSO4 и им подобных материалов. Математическая корректность уравнений (12. 17) сохраняется лишь при условии диффузного освещения бес­конечно протяженной плоской поверхности образца из «тусклого» материала, т. е. обладающего чистым диффузным отражением падающего потока. Поэто­му уравнения строго применимы только для геометрии измерений d/d.

Стениус (Stenius) [64] разработал метод определения абсолютного коэф­фициента отражения ρ СО путем измерений коэффициента отражения листов бумаги при наличии фонов с различными коэффициентами отражения. Из­мерению подлежали относительные коэффициенты отражения СО при трех различных фонах:

- черный фон;

— фон с определенным коэффициентом отражения;

— толщина бумажной пачки считается бесконечной.

Коэффициент отражения  фона относительно СО также был измерен. Поскольку уравнения Кубелки-Манка справедливы лишь для абсолютного коэффициента отражения, то измеренные относительные значения умножа­лись на подлежащий определению . Резул

⇐ Предыдущая40414243444546474849Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: