дифракционные решетки какие бывают

5.5. Дифракционная решетка

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получили дифракционные решетки, которые представляют собой множество параллельных, расположенных на равных расстояниях одинаковых щелей, разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Дифракционные решетки изготавливаются с помощью делительной машины, наносящей штрихи (царапины) на стекле или другом прозрачном материале. Там, где проведена царапина, материал становится непрозрачным, а промежутки между ними остаются прозрачными и фактически играют роль щелей.

Рассмотрим сначала дифракцию света от решетки на примере двух щелей. (При увеличении числа щелей дифракционные максимумы становятся лишь более узкими, более яркими и отчетливыми.)

Пусть а — ширина щели, a b — ширина непрозрачного промежутка (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Дифракция от двух щелей

Период дифракционной решетки — это расстояние между серединами соседних щелей:

Разность хода двух крайних лучей равна

Если разность хода равна нечетному числу полуволн

то свет, посылаемый двумя щелями, вследствие интерференции волн будет взаимно гаситься. Условие минимумов имеет вид

Эти минимумы называются дополнительными.

Если разность хода равна четному числу полуволн

то волны, посылаемые каждой щелью, будет взаимно усиливать друг друга. Условие интерференционных максимумов с учетом (5.36) имеет вид

Это формула для главных максимумов дифракционной решетки.

Кроме того, в тех направлениях, в которых ни одна из щелей не распространяет свет, он не будет распространяться и при двух щелях, то есть главные минимумы решетки будут наблюдаться в направлениях, определяемых условием (5.21) для одной щели:

Если дифракционная решетка состоит из N щелей (современные решетки, применяемые в приборах для спектрального анализа, имеют до 200 000 штрихов, и период d = 0.8 мкм, то есть порядка 12 000 штрихов на 1 см), то условием главных минимумов является, как и в случае двух щелей, соотношение (5.41), условием главных максимумов — соотношение (5.40), а условие дополнительных минимумов имеет вид

Положение главных максимумов зависит от длины волны l. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального, разлагаются в спектр, фиолетовый конец которого обращен к центру дифракционной картины, а красный — наружу. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор. Заметим, что в то время как спектральная призма сильнее всего отклоняет фиолетовые лучи, дифракционная решетка, наоборот, сильнее отклоняет красные лучи.

Важной характеристикой всякого спектрального прибора является разрешающая способность.

Разрешающая способность спектрального прибора — это безразмерная величина

Источник

Что такое дифракционная решетка: определение, длина и принцип действия

Одним из важных оптических приборов, нашедших свое применение при анализе спектров излучения и поглощения, является дифракционная решетка. В данной статье приведена информация, позволяющая понять, что такое дифракционная решетка, в чем заключается принцип ее работы и как самостоятельно можно рассчитать положение максимумов на дифракционной картине, которую она дает.

Дифракция и интерференция

В начале XIX столетия английский ученый Томас Юнг, изучая поведение монохроматического пучка света при его разделении пополам тонкой пластиной, получил дифракционную картину. Она представляла собой последовательность ярких и темных полос на экране. Используя представления о свете, как о волне, Юнг правильно объяснил результаты своих опытов. Картина, которую он наблюдал, возникала благодаря явлениям дифракции и интерференции.

Под дифракцией понимают искривление прямолинейной траектории распространения волны, когда она попадает на непрозрачное препятствие. Дифракция может проявляться в результате огибания волной препятствия (такое возможно, если длина волны намного больше препятствия) либо в результате искривления траектории, когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны. Примером для последнего случая является проникновение света в щели и небольшие круглые отверстия.

Вам будет интересно: Цвет и запах соли

Явление интерференции заключается в накладывании одних волн на другие. Результатом такого накладывания является искривление синусоидальной формы результирующей волны. Частными случаями интерференции являются либо максимальное усиления амплитуды, когда две волны приходят в рассматриваемую зону пространства в одной фазе, либо полное затухание волнового процесса, когда обе волны встречаются в данной зоне в противофазе.

Описанные явления позволяют понять, что такое дифракционная решетка и как она работает.

Дифракционная решетка

Уже само название говорит, что такое дифракционная решетка. Она представляет собой объект, который состоит из периодически чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Получить ее можно, если постепенно увеличивать число щелей, на которые падает волновой фронт. Это понятие в общем случае применимо для любой волны, однако использование оно нашло только для области видимого электромагнитного излучения, то есть для света.

Дифракционную решетку принято характеризовать тремя главными параметрами:

Прозрачные и отражающие решетки

Вам будет интересно: Период полураспада цезия-137. Биологические свойства цезия

Выше было описано, что такое дифракционная решетка. Теперь ответим на вопрос о том, что в действительности она собой представляет. Существуют два вида таких оптических объектов: прозрачные и отражающие.

Принцип работы решетки

Для примера рассмотрим прозрачный оптический прибор. Предположим, что на дифракционную решетку падает свет, имеющий плоский фронт. Это очень важный момент, поскольку приведенные ниже формулы учитывают, что волновой фронт является плоским и параллельным самой пластинке (дифракция Фраунгофера). Распределенные по периодическому закону штрихи вносят в этот фронт возмущение, в результате которого на выходе из пластинки создается ситуация, будто работают множество вторичных когерентных источников излучения (принцип Гюйгенса-Френеля). Эти источники приводят к появлению дифракции.

От каждого источника (щели между штрихами) распространяется волна, которая является когерентной всем остальным N-1 волнам. Теперь предположим, что на некотором расстоянии от пластинки помещается экран (расстояние должно быть достаточным, чтобы число Френеля было намного меньше единицы). Если смотреть на экран вдоль перпендикуляра, проведенного к центру пластинки, то в результате интерференционного наложения волн от этих N источников для некоторых углов θ будут наблюдаться яркие полосы, между которыми будет тень.

Поскольку условие интерференционных максимумов является функцией длины волны, то если падающий на пластинку свет был белым, на экране будут появляться разноцветные яркие полосы.

Основная формула

Как было сказано, падающий плоский фронт волны на дифракционную решетку отображается на экране в виде ярких полос, разделенных областью тени. Каждая яркая полоса называется максимумом. Если рассмотреть условие усиления волн, приходящих в рассматриваемую область в одинаковой фазе, то можно получить формулу максимумов дифракционной решетки. Она имеет следующий вид:

Зная период решетки d и длину волны λ, которая падает на нее, можно рассчитать положение всех максимумов. Отметим, что вычисленные по формуле выше максимумы называются главными. В действительности между ними существует целый набор более слабых максимумов, которые часто в эксперименте не наблюдаются.

Не стоит думать, что от ширины каждой щели на дифракционной пластинке картина на экране не зависит. Ширина щели не влияет на положение максимумов, однако она влияет на их интенсивность и ширину. Так, с уменьшением щели (с увеличением числа штрихов на пластинке) снижается интенсивность каждого максимума, а его ширина увеличивается.

Дифракционная решетка в спектроскопии

Разобравшись с вопросами о том, что такое дифракционная решетка и как находить максимумы, которые она дает на экране, любопытно проанализировать, что будет происходить с белым светом, если им облучить пластинку.

Выпишем снова формулу для главных максимумов:

Если рассматривать конкретный порядок дифракции (например, m = 1), то видно, что чем больше λ, тем дальше от центрального максимума (m = 0) будет находиться соответствующая яркая линия. Это означает, что белый свет расщепляется на ряд цветов радуги, которые отображаются на экране. Причем, начиная от центра, сначала будут появляться фиолетовый и синий цвета, а затем будут идти желтый, зеленый и самый дальний максимум первого порядка будет соответствовать красному цвету.

Свойство дифракционной решетки длины волн используется в спектроскопии. Когда необходимо узнать химический состав светящегося объекта, например, далекой звезды, то ее свет собирают зеркалами и направляют на пластинку. Измеряя углы θm, можно определить все длины волн спектра, а значит, и химические элементы, которые их излучают.

Ниже приводится видео, которое демонстрирует способность решеток с разным числом N расщеплять свет от лампы.

Понятие «угловая дисперсия»

Под этой величиной понимают изменения угла возникновения максимума на экране. Если изменить на небольшую величину длину монохроматического света, то получим:

Если левую и правую части равенства в формуле для главных максимумов продифференцировать по θm и λ соответственно, то можно получить выражение для дисперсии. Оно будет равно:

Дисперсию необходимо знать при определении разрешающей способности пластинки.

Что такое разрешающая способность?

Говоря простыми словами, это способность дифракционной решетки разделять две волны с близкими значениями λ на два отдельных максимума на экране. Согласно критерию лорда Рэлея, две линии можно различить, если угловая дистанция между ними окажется больше половины их угловой ширины. Полуширина линии определяется по формуле:

Различие между линиями в соответствии с критерием Рэлея возможно, если:

Подставляя формулу для дисперсии и полуширины, получаем конечное условие:

Разрешающая способность решетки повышается с увеличением числа щелей (штрихов) на ней и с ростом порядка дифракции.

Решение задачи

Применим полученные знания для решения простой задачи. Пусть на дифракционную решетку падает свет. Известно, что длина волны равна 450 нм, а период решетки составляет 3 мкм. Какой максимальный порядок дифракции можно наблюдать на кране?

Для ответа на вопрос следует подставить данные в уравнение решетки. Получаем:

Так как синус больше единицы быть не может, тогда получаем, что максимальный порядок дифракции для указанных условий задачи равен 6.

Источник

Дифракционная решетка: как это работает

Изучение одного из самых распространенных физических явлений – дифракции – привело к возникновению такого устройства, как дифракционная решетка.

В России крупнейший производитель дифракционной оптики – «Швабе» Госкорпорации Ростех. Дифракционные решетки холдинга сегодня функционируют во многих оптических приборах, и не только у нас в стране, но и за рубежом.

Дифракционная решетка: как увидеть радугу

Дифракционная решетка – это оптический прибор, представляющий собой поверхность, на которую нанесено большое число параллельных, равноотстоящих друг от друга микроскопических штрихов (щелей или выступов). Уже из самого названия прибора понятно, что он работает по принципу дифракции света – явления отклонения света от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.

У электромагнитных волн, составляющих свет, разный эффект интерференции, или по-простому способности огибать препятствия. Проходя через дифракционную решетку, световые волны огибают препятствия решетки (штрихи, щели или выступы) с разным углом отклонения. Для каждой длины волны существует свой угол дифракции, и белый свет раскладывается штрихами решетки в спектр, то есть в радугу. Кстати, эффект радуги основан на таком же принципе, только в роли решетки – капельки воды.

В природе можно обнаружить и множество других естественных дифракционных решеток. Примером грубой дифракционной решетки можно считать ресницы. Смотря на свет сквозь прищуренные веки, можно в какой-то момент увидеть спектральные линии. А физик Джеймс Грегори, который впервые применил дифракционную решетку, использовал в этом качестве птичье перо. Благодаря очень тонкой структуре через перо можно пропустить солнечный свет и увидеть его разложение на спектр.

Изготовление: 3600 штрихов на миллиметр

Сегодня дифракционную решетку можно сделать самому из более современных материалов, например DVD-диска. Шаг между штрихами такой решетки составляет 0,74 мкм. Это намного более впечатляющий результат по сравнению с самой первой искусственной дифракционной решеткой в мире, которая появилась в 1875 году: она состояла из 50 натянутых волосков с расстоянием между ними в 250 мкм.

Число штрихов современной дифракционной решетки может доходить до 3600 на один миллиметр, и процесс изготовления такого устройства требует очень высокой точности. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решетка будет забракована. Нарезание решетки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 3 секунды.

Существуют два вида дифракционных решеток: прозрачные и отражательные. Прозрачная решетка – это стеклянная тонкая пластинка или пластинка из прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи дифракционной решетки являются препятствием для света, через них он не может пройти. Оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры играют роль щелей. При выполнении лабораторных работ чаще используют этот вид решеток.

Отражательная решетка – это металлическая или пластиковая отполированная пластинка, на которую вместо штрихов нанесены бороздки определенной глубины. Такие решетки часто используют при анализе спектров излучения. Вышеупомянутый DVD-диск – яркий пример этого вида дифракционной решетки: расположив его перед глазом, можно найти на нем спектр.

Практическое применение: от ДНК до далекой звезды

Дифракционные решетки широко применяются в различных оптических устройствах: спектральных приборах для получения монохроматического света (монохроматоры, спектрофотометры и др.), в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений, для поляризаторов и оптических фильтров и даже в так называемых антибликовых очках.

Дифракционные решетки нашли свое применение во многих научных исследованиях. Например, этот прибор лег в основу рентгеноструктурного анализа – самого распространенного метода определения структуры вещества. Этот способ заключается в измерении параметров кристаллической решетки посредством дифракции рентгеновских лучей. То есть в данном случае дифракционная решетка используется не для определения длины волны света, а для обратной задачи – нахождения по длине волны постоянной решетки (расстояния между штрихами).

В настоящее время широко используют рентгеноструктурный анализ биологических молекул и систем. Так, например, по данным, полученным этим методом, из нескольких возможных химических формул пенициллина была выбрана одна. В свое время этим методом были с успехом исследованы такие высокополимерные соединения, как каучук, целлюлоза, многие полиамиды и т.д. Именно с помощью рентгеноструктурного анализа американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик установили структуру молекулы ДНК (двойная спираль), за что и были удостоены в 1962 году Нобелевской премии.

Сегодня изделия дифракционной оптики применяются для научных исследований в области экологии. Например, в составе гиперспектральных камер для оценки качества воздуха. С их помощью определяют состав и состояние объекта съемки, фиксируя спектральные характеристики каждого пикселя на изображении.

Государственный институт прикладной оптики (ГИПО) холдинга «Швабе» – крупнейший производитель дифракционной оптики в России – поставляет для этих целей решетки и за рубеж. Только за прошлый год было поставлено более 400 изделий в Германию, Ирландию, Норвегию, Словакию и другие страны.

Дифракционная решетка шагнула и далеко за пределы Земли. С ее помощью, например, можно узнать химический состав далеких звезд. Свет, идущий от звезды, собирают зеркалами и направляют на решетку. Таким образом можно узнать все длины волн спектра, а значит, и химические элементы, которые их излучают.

События, связанные с этим

Облакомер: дотянуться до облаков

Звезда по имени Солнце: о совместном проекте «Швабе» и РАН

Источник

Дифракционные решетки. Их виды, способы изготовления. Неплоские решетки

В зависимости от назначения и формы поверхности дифракционные решетки, применяемые в спектральных приборах, подразделяются на плоские отражательные, вогнутые (сферические и тороидальные) отражательные, эшелетты, плоские прозрачные, поляризаторы, измерительные и другие).

В 1882 г. Роуланд предложил совместить фокусирующие свойства вогнутого зеркала с диспергирующими свойствами нарезанной на его поверхности дифракционной решетки. Такие решетки получили название вогнутых и широко сейчас применяются. Вогнутая решетка позволяет до предела упростить схему спектрального прибора за счет исключения специальной фокусирующей оптики.

Плоские и вогнутые отражательные решетки применяются в спектральных приборах для рентгеновской, вакуумной ультрафиолетовой, ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра. Решетки изготовляются на слоях металла, нанесенного испарением в вакууме на подложку из стекла, или кварцевого стекла, непосредственно на подложках из стекла марки или путем копирования на подложках из стекла.

Тороидальные решетки имеют количество штрихов на 1 мм 300, 600, 200, 1800, 2400; изготовляются с заштрихованной поверхностью 50 ‘ 40 мм (размер решетки 60′ 50’ 10 мм).

Эшеллеты применяются в спектральных приборах для ИК области спектра (имеют треугольный профиль); изготовляются на металлических подложках из алюминиевого сплава или путем копирования на подложках из стекла марки.

Плоские прозрачные решетки подразделяются на амплитудные, у которых штрихи имеют прозрачные и непрозрачные (из слоя алюминия) участки, и фазовые, которые являются прозрачными копиями плоских отражательных решеток Фазовые решетки имеют число штрихов на 1мм 50, 100, 150, 200, 300,600 и обеспечивают в первом порядке в видимой и ближней ИК областях спектра качество спектральных линий.

Решетки-поляризаторы применяются для поляризации проходящего инфракрасного излучения. Решетки изготовляются на прозрачных в инфракрасной области спектра подложках.

Измерительные решетки предназначены для измерения линейных перемещений по методу интерференционных полос.

Изготовление решеток. Современные решетки, как правило, изготавливаются путем нарезки алмазным резцом мягкой металлической поверхности. Основанием для решетки служат обычно стеклянные заготовки, отполированные с высокой точностью. На заготовку наносится испарением слой хрома, поверх него слой алюминия, по которому и ведется нарезка. Необходимый профиль штриха и наклон его отражающих граней достигается соответствующим углом заточки и установки режущего алмаза.

Решетки для видимой области имеют от 100 до 2400 штр/ мм; наиболее употребительны 300, 600 и 1200 штр мм.

В последние годы в связи с успехами лазерной техники и голографии открылись возможности голографического изготовления дифракционных решеток. Такая решетка представляет собой зарегистрированную на светочувствительном материале интерференционную картину, образованную двумя когерентными пучками света.

Меняя форму интерферирующих волновых фронтов, голографической решетке можно придавать любые фокусирующие свойства, например, получать плоские решетки, аналогичные по действию вогнутой, но лишенные астигматизма.

Эффективность голографических дифракционных решеток может достигать 90%.

Реплики. До недавнего времени распространение дифракционных решеток ограничивалось сложностью делительных машин, создание которых было доступно лишь немногим странам. Высокая стоимость и малая производительность этих машин определяет и большую стоимость дифракционных решеток. Положение существенно изменилось после того, как были усовершенствованы методы получения копий дифракционных решеток (реплик).

Интересно отметить, что качество реплик иногда оказывается даже выше качества оригинальной решетки. Это объясняется тем, что пластмасса плохо передает мелкие дефекты штриха и последний на реплике получается «глаже», чем он был на оригинальной решетке. После изготовления реплики покрывают отражающим слоем.

13. Принцип действия и оптические схемы дифракционных монохроматоров.

Дифракция света – явление, связанное с волновой природой света и возникающее при любом ограничении волновой поверхности диафрагмами. В спектральных приборах используется явление дифракции параллельного пучка лучей от большого количества одинаковых узких щелей – дифракционных решеток.

φ – угол дифракции.

Связь углов дифракции с длиной волны определяется соотношением

при нормальном падении параллельного пучка лучей на решетку:

m – порядок дифракционного спектра,

d – постоянная решетки.

Решетка, как и призма выполняет роль разделителя длин волн.

Существуют решетки следующих типов: 300 штрихов на 1 мм; 600 штрихов на 1 мм; 1200 штрихов на 1 мм; 2400 штрихов на 1 мм.

В зависимости от назначения и формы поверхности дифракционной решетки, применяемые в спектральных приборах, подразделяются на плоские отражательные, вогнутые (сферические и тороидальные) отражательные, эшелетты, плоские прозрачные, поляризаторы и др.

Так как изготовление дифракционных решеток это сложный, дорогой процесс, то в последнее время все чаще стали пользоваться репликами.

Реплики – это копии дифракционный решеток. После изготовления реплики покрываются отражающим слоем.

Схема дифракционного монохроматора построенного по схеме Эберта (длиннофокусный).

Сферическое зеркало является объективом коллиматора и камеры.

Входная щель S₁ выделяет узкий пучок света. Коллиматорное зеркало конический пучок преобразует в плоскопараллельный.

Дифракционная решетка разлагает белый свет в спектр. Камерное зеркало фокусирует монохроматическое излучение на выходную щель. Приемником является ФЭУ.

Схема дифракционного монохроматора по схеме Черни-Турнера (короткофокусный). МДР-2.

Комплектуется тремя решетками 300, 600, 1200 штрихов/мм.

14. Измерение спектральных коэффициентов отражения, пропускания, измерение распределения мощности излучения по спектру

1. Измерение распределения мощности излучения по спектру. Установка для этих измерений состоит из монохроматора и приемника излучения, чаще всего фотоумножителя. Выбор типа ФЭУ определяется областью спектра, для которой он предназначен. Для работы в видимой области применяют ФЭУ с многощелочными или висмут-серебряно-цезневым катодом (ФЭУ-27, ФЭУ-51, ФЭУ-79), в УФ области используют ФЭУ с сурьмяно-цезиевым катодом и увиолевым или кварцевым окном (ФЭУ-18, ФЭУ-39, ФЭУ-71). В близкой ИФК-области чувствительным является кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод (ФЭУ-28, ФЭУ-62).

Положение ФЭУ за выходной щелью выбирается так, чтобы фотокатод полностью перехватывал выходящее из монохроматора излучение, и чтобы большая часть фотокатода была освещена. Чтобы исключить потери излучения в оптике монохроматора, измерение мощности излучения по спектру исследуемого источника делаются путем сличения их с помощью измерения образцового источника для одной и той же длины волны «λ».

Наилучшим образцовым источником измерения в видимой области спектра являются светоизмерительные лампы накаливания для измерения силы света, у которых предварительно измерено распределение мощности излучения в спектре или известна цветовая температура, позволяющая рассчитать это распределение.

Входную щель прибора удобно освещать при помощи белой пластины из MgO или BaSO4.

Измерения проводят по всему спектру в разных длинах волн, например через 10мм, сначала с исследуемым источником излучения, затем с образцовым. Желательно при измерениях каждого источника не менять ширину щелей.

2. Измерение спектральных коэффициентов пропускания « » производится на такой же установке что и измерение относительного распределения мощности излучения по спектру. Тело накала низковольтной ленточной лампы с помощью конденсора проектируется на входную щель монохроматора, при этом вся щель должна быть заполнена изображением тела накала. Вначале замеряется ток приемника излучения без светофильтра, затем со светофильтром, у которого измеряется спектральный коэффициент пропускания. Отношение найденных фототоков дает спектральный коэффициент пропускания светофильтра – . При таких измерениях приемник излучения должен обладать линейностью характеристики i = f(E).

Установленный в шаре экран «Э» защищает фотоэлемент ФЭ от попадания прямых отраженных исследуемой поверхностью потоков излучения. Произведя два измерения для излучений с длинной волны «λ» находим :

= , где n_x и n_о отклонения гальванометра G, измеряющего соответственные фототоки.

15. Измерение цвета. Фотоэлектрический колориметр.

Цвет является трехмерной величиной. С количественной стороны цвет принято характеризовать яркостью, с качественной – цветностью. В системе XYZ цветность излучения полностью характеризуется относительными координатами цветности:

; ; , где σ = X+Y+Z – сумма координат цвета.

Координаты цвета определяются:

(1)

Фотоэлектрические колориметры действуют по принципу непосредственного измерения координат цвета. Для этого необходимо иметь три приемника со спектральными чувствительностями, соответствующими функциям

В качестве таких приемников в фотоэлектрических колориметрах используются фотоэлементы и ФЭУ с исправляющими светофильтрами. При этом может быть использован один фотоприемник, перед которым последовательно вводятся три комбинации светофильтров или три одновременно работающих приемника со светофильтрами.

Приемники излучения должны быть чувствительными во всей области видимого спектра, должны иметь прямую пропорциональную зависимость фототока от освещенности, малое утомление и низкий температурный коэффициент. При этих условиях величины фототоков приемников будут соответственно равны:

(2)

,

где – величины фототоков;

) – функция спектральной плотности потока излучения; – коэффициенты спектрального пропускания коррегирующих светофильтров;

– относительная спектральная чувствительность приемников излучения.

Если используется один приемник, то ; .

Из сопоставления выражений (1) и (2) видно, что значения координат цвета измеряемого излучения будут пропорциональны величинам фототоков приемников фотоэлектрического колориметра при выполнении следующих условий:

1 – диск со светофильтрами для измерения координат цвета X, Y, Z;

2 – диск со светофильтрами для измерения цветовой температуры;

3 – приемник излучения (селеновый фотоэлемент);

5 – исследуемый источник излучения.

В приемной головке колориметра расположен селеновый фотоэлемент, перед которым поочередно могут быть установлены исправляющие светофильтры. Светофильтры расположены в диске, вращаемом с помощью рукоятки.

-диск со светофильтрами

При измерении цвета излучения путем поворота диска перед фотоэлементом поочередно вводятся светофильтры по индексам x, y, z и записываются фототоки . По полученным трем значениям фототоков, используя градуированные уравнения, определяют координаты цвета излучения.

ТКА-ВД.Спектроколориметр Наиболее распространенный и доступный в России прибор, выпускаемый НТК ТКА (Санкт-Петербург). Выпускается в двух модификациях (01 и 02) по яркости и по освещенности соответственно.

Предназначен для измерения относительного спектрального распределения источников оптического излучения и нахождения колометриических характеристик: координат цветности x, y, u, v, координат цвета X,Y,Z, коррелированной цветовой температуры Тц.

В зависимости от модификации прибор отображает яркость (ТКА-ВД/01) или освещённость (ТКА-ВД/02) измеренного источника оптического излучения. Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой.

На схеме изображены: 1. Дифракционная решетка;

3. Фотодиодная линейка;

Принцип действия прибора основан на измерении спектра излучения протяженного источника оптического излучения в видимой области 380. 750 нм (61 точка) с последующей математической обработкой результатов измерения с помощью микропроцессорного устройства. Прибор отображает информацию двумя способами: вывод информации на встроенный ЖКИ; вывод информации на RS-232C порт. Данные передаются только с прибора на ПК. Для приема данных необходимо использовать программу «Спектроколориметр» под ОС MS Windows 95/98/Me/2000/XP.

2. Основные технические данные и характеристики:

2.1. Диапазоны измерения:

оптическое разрешение. 6,3 нм

обратная линейная дисперсия. 49 нм/мм

2.2. Предел допустимого значения основной относительной погрешности измерения:

освещенности, % (не более). ±10,0

яркости, % (не более). ±10,0

2.3. Пределы допустимого значения абсолютной погрешности измерения координат цветности x, y, (не более). ±0,005

3. Прибор Программное обеспечение «Спектроколориметр»

Работа под ОС MS Windows 95/98/Me/2000/XP (только RS-232C).

Автосканирование подключения прибора к ПК.

Контроль ошибок получения данных.

Экспорт данных в MS Excel и файлы TXT, BMP.

Результаты измерений на диграммах x, y (МКО-31) и u, v (МКО-60).

16. Измерение инфракрасного излучения.

«Метод остаточных лучей» возник из измерений дисперсии различных веществ. Было обнаружено, что некоторые вещества кристаллического строения (каменная соль, сильвин и др.) вблизи собственных частот колебаний атомов обладают избирательным поглощением и избирательным отражением, напоминающим явление зеркального отражения света от поверхностей металлов.

«Метод кварцевых линз» дает возможность выделить ИФК-излучения в области 50мкм. Данный метод основан на свойстве восстановления прозрачности кварца в области излучений спектра от =50мкм и более. В связи со значительной разницей показателей преломления кварца для излучения близкой части ИФК излучений и излучений с длинной волны 50мкм с помощью простой оптической схемы с несколькими кварцевыми линзами можно выделить на приемник только длинноволновые ифк – излучения.

От мощного источника «Н» через отверстие в непрозрачной диафрагме Д₁ излучения поступают на кварцевую линзу Л₁. Между источником и линзой Л₁ располагается кварцевая пластинка К, которая задерживает ИФК излучения с от 4 до 40 мкм. Излучения различных длин волн в толще кварца линзы Л₁ претерпевают различное преломление. В отверстие диафрагмы Д₂ к линзе Л₂ пройдут только длинноволновые излучения, а коротковолновые задерживаются непрозрачной диафрагмой Д₂. В главной фокальной плоскости линзы Л₂ располагается приемник излучения. Чтобы прекратить доступ к приемнику, распространяющихся вдоль оси ифк и видимых излучений, на центральных участках линз Л₁ и Л₂ располагаются непрозрачные экраны Д₃ и Д₄.

17. Градуировка спектральных приборов по длинам волн.

Все спектральные приборы должны быть предварительно проградуированы для определения длины волны исследуемого значения.

Некоторые приборы имеют указатели длин волн спектра в зависимости от положения призмы или зрительной трубы непосредственно в тех или иных единицах длины. Другие приборы этого не имеют, а снабжены лишь условными делениями и указателями для отметки положения призмы или трубы. Первые приборы нуждаются в проверке своей шкалы время от времен, особенно после тряски, переноски. Вторые требуют градуировки и проверки в некоторых точках. Градуировка выполняется в возможно большем числе точек. Для этой цели пользуются хорошо изученными спектрами: Fe, Hg, Cu, Ag, Zn, Ne, Cd…

Известные длины волн линий называют нормалями. Нормали разделяются по нормали 1,2 и 3 порядка. В качестве нормали 1 порядка принята красная линия Cd, длина волны которой при 15°С и 750мм давления сухого воздуха равна 6438, 4696А (Фабри, Перо, Бенуа). Красная Cd линия выбрана вследствие большой однородности и резкости.

Нормалями 2 порядка служат определенные линии в спектре железа, для красной части, где спектр железа беден линиями, служат нормалями некоторые линии неона.

Нормалями 3 порядка служат некоторые линии в спектре и других инертных газов.

В лабораторной практике чаще всего градуировки производят по спектральным линиям излучения ртути, неона, натрия и др.

От ртутной линиями пользуются линиями: 690,7; 579,1; 577,0; 546,1; 491,6; 435,8; (434,0); (434,8); 410,7; 407,8; 404,7нм.

В результате градуировки получаются данные для построения градуировочного графика , где n – деления шкалы отсчета или деления на измерительном барабане монохроматора. Пользуясь этим графиком, можно приближенно определять длины волн неизвестных спектральных линий.

18. ГОНИОФОТОМЕТРЫ и их разновидности

Гониофотометр (распределительный фотометр) – это поворотное устройство, обеспечивающее возможность измерения силы света источника излучения или осветительного прибора в разных направлениях пространства. Кривая силы света (КСС) является одной из наиболее важных характеристик любого источника света, на основе которой, создаются файлы, используемые в компьютерных светотехнических программах моделирования освещения. Размеры гониофотометров варьируются от нескольких до 10 метров. Это связано в первую очередь с большим фотометрическим расстоянием между источником света и прибором в различных измерениях, необходимого для выполнения закона квадрата расстояний.

В разных конструкциях гониофотометров используются следующие принципы :

– источник света неподвижно крепится к прибору, а вокруг него вращается приемная система с фотоприемником, которая производит снятие показаний;

– источник света вращается вокруг неподвижного фотоприемника;

– источник света и фотоприемник находятся в неподвижном положении, вокруг которых вращается система зеркал. Световой поток, вследствие многократного отражения от зеркал, попадает на фотоприемник и регистрируется.

В настоящее время изготовлено около десятка моделей подобных гониофотометров, отличающихся друг от друга габаритами, разрешающей способностью, различным программным обеспечением и т. д.

Гониофотометры изготавливают в основном зарубежные фирмы, такие как LMT, Techno Team, Optronic, Lisun Group, Pro-Lite и другие, т.е. те фирмы, которые уже давно занимаются изготовлением различных приборов и устройств, эффективно используемые в фотометрических исследованиях.

Компания LMT выпускает гониофотометры двух типов :

1) Гониофотометры для приборов, используемых для общего освещения – GO-DS 1600/2000, GO-V 1900 и GO-FI 2000

2) Гониофотометры для осветительных приборов, используемых в автомобилях – GO-H 1300 и GO-H 800.

Зеркальный гониофотометр GO-DS 2000 предназначен для испытания образцов максимального размера 2 м, весом до 50 кг, зеркало которого имеет эллиптическую форму размером 2000 мм х 2800 мм, а GO-DS 1600 предназначен для испытания образцов максимального размера 1,6 м и весом – 50 кг, зеркало которого эллиптической формы размером 1500 мм х 2200 мм.

В настоящее время разработан новый зеркальный высокоскоростной гониофотометр серии 6400Т. Для его эксплуатации необходимо помещение размерами 8 м х 5,4 м, с высотой около 5,5 м. Диапазон измерений на расстоянии 8 м, составляет примерно до 10 млн. кандел.

Гониофотометр GO-H 1300 предназначен для измерений КСС различных образцов с максимальными размерами 1300 мм х 600 мм весом не более 50 кг. Данная установка имеет датчики угла, а точность составляет 0,1°.

Компания Optronik имеет пять стандартных систем гониофотометров, которые могут сочетаться с различными измерительными приборами. А именно:

1)SMS-10μ −компактный гониометр предназначен для измерения малых размеров таких, как светодиоды, светоотражающие материалы, волоконно-оптических кабелей стекла или сигналы поворота. Максимальный размеры измеряемых образцов составляет 300 мм х 250 мм весом до 5 кг. Скорость измерений до 20° в с;

2)SMS-10М −длясредних объектов с максимальными размерами 500 мм х 550 мм весом до 15 кг.

3)SMS-10C −гониофотометр для измерений автомобильных фар, светофоров, автобусов и т.д. Максимальные размеры измеряемых образцов 1200 мм х 500 мм весом до 50 кг, скорость измерений до 50° в с.

4)SMS-10h −гониофотометр, предназначенный для измерения больших источников с максимальными размерами1600 мм х 600 мм и весом до 80 кг. Угловое разрешение 0,01°.

5)SMS-10 − гониофотометр для измерений больших светильников и образцов с максимальными размерами 2000 мм х 2000 мм и весом до 150 кг. Скорость измерений составляет до 10° в с.

Для измерений КСС новых источников света, таких как светодиоды и небольших светодиодных модулей, можно использовать гониофотометр Ledgon или же гониофотометр МСУ-1200, выпускаемый компанией Lisun-Group. Данные приборы имеют вид небольшой коробочки (рис. 2 и рис. 3).

Компания PRO-LITE выпускает несколько гониофотометров SIG серии. Гониофотометры данной серии используются для выполнения точных КСС, а также измерений яркости и цвета под различными углами от источников света (ламп, светодиодов). Фирма выпускает гониофотометры: SIG-300, SIG-310, SIG-400, SIG-500. SIG-300 предназначены для общего измерения малых источников света, прибор SIG-310 – для измерения больших источников света, а SIG-400 оптимизирован для измерения светодиодов. SIG-500 – для измерения таких источников света, которые должны быть измерены в горизонтальной ориентации.

Источник