1.7. Измерения оптическими приборами. Общие положения
Фотометрические оптические приборы - это класс оптики для изменения световых потоков и величин, непосредственно связанных со световыми потоками: освещенности, яркости, светимости и силы света. Фотометры целесообразно разделять на традиционно оптические, измеряемые характеристики в которых имеют чувствительность, соответствующую чувствительности человеческого глаза, и фотометры энергетических фотометрических величин, т. е. те же характеристики безотносительно к чувствительности глаза человека. В энергетических фотометрах величины выражаются не в люменах, люксах, нитах, а в единицах механических:
в ваттах на метр квадратный - энергетическая освещенность;
в ваттах на стерадиан - энергетическая сила света;
в ваттах с квадратного метра - энергетическая светимость;
в ваттах с квадратного метра на стерадиан - энергетическая яркость.
Спектральные оптические приборы - огромный класс оптической техники, для которого общим является разложение электромагнитного излучения в спектр по длинам волн. Существуют спектроскопы - визуальные приборы, монохроматоры - приборы, выделяющие излучения на какой-либо фиксированной длине волны, полихроматоры, выделяющие излучение на нескольких длинах волн, спектрографы - регистрирующие весь спектр монохроматического излучения. Если в приборе кроме разложения излучения в спектр имеется возможность измерения каких-либо энергетических характеристик электромагнитного излучения, то такой прибор называется спектрофотометром или квантометром.
Интерферометрами называют приборы, в которых основной измеряемой характеристикой является не амплитуда световой волны и связанная с ней энергия, а фаза электромагнитного колебания.
В поляриметрах используется такое волновое свойство света, как поляризация, т. е. определенная ориентация колебаний электромагнитной волны относительно направления распространения. Многие вещества обладают свойствами изменять направление поляризации. На этом принципе работают не только преобразователи для измерения магнитных величин, но и некоторые приборы для анализа состава веществ и материалов, например сахариметры.
Рефрактометры - приборы для измерения показателя преломления твердых тел, жидкостей и газов. В них используется изменение направления пучка света на границе раздела двух сред. Эти приборы используются в качестве индикаторов в хроматографах, в многочисленных метеорологических приборах специального назначения, в газовом анализе.
Гониометры - приборы для угловых измерений - в большинстве своем представляют собой зрительные трубы или лазеры, оптическая ось которых снабжена отсчетным угловым лимбом. Сюда же можно отнести и оптические дальномеры, использующие измерения углов наблюдения одного и того же объекта двумя зрительными трубами. Гониометры широко применяются в топографии, в военной технике, в геодезических работах.
Измерительные микроскопы представляют собой приборы для увеличения видимых размеров (или углов наблюдения) различных объектов и измерения размеров увеличенных деталей.
Приборы для измерения собственного теплового излучения тел называются пирометрами (от слова «пиро» - огонь). В этих приборах используются законы излучения нагретых тел - закон Планка, закон Стефана-Больцмана, закон Вина, закон Релея-Джинса.
Измерители освещенности - люксметры - являются наиболее массовыми оптическими приборами, используемыми на практике. Именно этими приборами контролируется уровень освещенности во всех случаях - в помещении, на улице, при выполнении каких-либо технологических измерений и т.д. Фотоэлектрические люксметры состоят, как правило, из фотоэлемента и чувствительного электроизмерительного прибора. Максимальная чувствительность прибора должна быть в желто-зеленой области со спадом в ультрафиолетовую (до 380 нм) область и в инфракрасную (более 760 нм) область. Поскольку площадь фотоприемника строго фиксирована, сигнал с него пропорционален освещенности, и шкала прибора, соответственно, может быть проградуирована в люксах.
Вопросы к практике 1
Можно ли при изготовлении фотодиода заменить полупроводниковый слой пленкой золота или серебра?
Можно ли полупроводниковую пленку фотодиода сделать существенно толще? К чему это приведет?
В чем заключается, если есть, разница между гальванометром и микроамперметром? Можно ли в этом случае воспользоваться миллиамперметром или амперметром?
Можно ли призмы, изображенные на рис. 1.2. заменить линзами или пирамидами?
Для чего и какими средствами обеспечивается появление двух соосных эллипсоидов?
Улучшится ли эффективность регулировки, если одновременно регулировать световой поток сразу двух источников света?
Для чего применяют фотометрическую скамью?
Как изменится работа «скамьи», если вместо фотометра использовать фотодиод?
Почему, в случае слабых источников света, а также в тех случаях, когда требуются повышенная точность и более надежная калибровка, фотометристы обращаются к вакуумным фотоэлементам.
Решите задачи
Определить величину светового потока, если световая энергия за 6 мин равна 3600 лмс.
(10 лм)
Определить световую эффективность излучения источника, обладающего световым потоком 15 лм, при расходовании им мощности 5 Вт? (3 лм/Вт)
Определить светимость некоторой поверхности площадью 0,2 м2, если исходящий от нее световой поток равен 20 лм? (100 лм/м2)
Какова максимальная длина волны для излучения, относящегося к ИК-диапазону?