Справочная книга по светотехнике

ФОТОМЕТРИЯ

Световые величины и единицы, их современные определения, соотношения между ними, обозначения и іеомстрическая трактовка наглядно представлены в табл. 2.1, заимствованной из 12.7. 2.10].

2.3.1. Методы и средства фотометрии непрерывного широкополосного излучения

Методы измерений световых величин, характери­зующих непрерывное широкополосное оптическое из­лучение, представлены в табл. 2.2 с указанием исполь­зуемой аппаратуры, основных вариантов измерений, расчетов и областей применений 12.111.

В третьем столбце табл. 2.2 перечислены методы из­мерений и основные принципы, па которых они бази­руются. В четвертом столбце табл. 2.2 кратко перечис - леш. Е используемая аппаратура, основные варианты из­мерений и расчетов. При реализации методов (точнее, методик выполнения измерений, которые традиционно в литературе именуются методами) и принципов изме­рения приходится варьировать способы изменения зна­чений световых (фотометрических) величин. Эти спо­собы приведены в габл. 2.3, а в табл. 2.4 описаны ком­параторы. получившие в фотометрии широкое распро­странение в средствах пространственного (гсометриче - скосо) формирования требуемой измеряемой величині.! и при использовании метода замещения измеряемых объектов эквивалентными им более точні, еми (эталон­ными) объектами [2.11].

К современным фотометрам как к рабочим средст­вам измерений предъявлены жесткие требования по точности определения освещенности, яркости и свето­вого потока непрерывного излучения: погрешность на уровне 3—5%.

Выполнение этих требований привело к необходи­мости соблюдения предложенных Международной ко­миссией по освещению (ТС2-37) условий построения современных прецизионных фотометрических головок и фотометров (табл. 2.5). При этом основной задачей прецизионного приборостроения для световых измере­ний оказалось создание фотоэлектрических фотометров различного назначения (люксметров, яркомеров и др.) с высоким качеством коррекции спектральной характе­ристики фотометрических головок этих приборов под относительную спектральную световую ЭффеКТИВНОСТЕ. (К(Х)). Погрешность, вызванная отклонением спек­тральной характеристики от У(), перазрЕ»івно связатіа со спектральным составом измеряемого излучения и.

как следствие, с назначением прибора. В качестве при­мера на рис. 2.1 представлен современный распредели­тельный фотометр (гониофотометр) фирмы LMT., предназначенный для измерений пространственного распределения силы света ИС или ОП в заданных на­правлениях По полученне>ем распределениям рассчиты­вается полный световой поток источника или прибора.

Важность и значимость создания именно прецизи­онной фотометрической ГОЛОВКИ и высокоточного фо­тометра на сс основе подтверждает рис. 2.2, на котором показаны основные решаемые этими средствами фото­метрические задачи, а также характеристики головки, подлежащие определению при сс калибровке.

Наиболее значимыми источниками основной по­грешности фотоэлектрической головки являются не­точности определения ее спектральной характеристи­ки, а также нелинейность характеристики преобразова­ния в диапазоне измерений и зонная характеристика фотодиода. Источниками дополееитсле>ной систсмати-

Прецизионные измерения при решении прикладных светотехнических задач

Прецизионные измерения цветовой и радиационной температуры

ческой погрешности моїуг являться температурный и временной дрейф (деградация) ее чувствительности. Важнейшей метрологической характеристикой корри­гирующею фильтра служит спектральный коэффици­ент пропускания. Неточность сю определения непо­средственно входит в качестве составляющей в основ­ную погрешность фотометра, а температурные и вре­менные вариации так же, как и в случае фотодиода, по­рождают дополнительную погрешность. Поэтому выбо­ру этих элементов и оптимизации моделей для отработ­ки технологических процессов изготовления свето­фильтров были предпосланы разработка методик и ус­тановок для выполнения перечисленных метрологиче­ских исследований фотодиодов и фильтров, а также выполнение большой серии отборочных эксперимен­тов во Всероссийском НИИ оптико-физических изме­рений (ВНИИОФИ).

Объектами сравнения служили несколько типов наиболее часто используемых отечественных кремние­вых фотодиодов и широко распространенные в между­народной практике фотодиоды фирм ЮДТ (США) и Хамамацу (Япония). Все исследования проводились па автоматизированной аппаратуре ВНИИОФИ.

Прецизионная фотометрическая юловка состоит из шести частей (рис. 2.3):

- кремниевого фотодиода:

- жидкостного корригирующего фильтра;

- системы апертурной и входных диафрагм:

— внутреннею корпуса;

— системы термостабилизации;

— внешнего корпуса.

Приемником излучения обычно служит кремние­вый фотодиод S 1227-1010BQ. К(Х) корригирующий фильтр выполнен па основе стеклянной кюветы диа­метром 30 мм с матированным входным окном и за­полнен раствором сложных солей хрома и меди. Апер­тура выполнена и виде литографической диафраімьі ('3 или 6 мм в диаметре) и устанавливается перед ма­тированным входным окном кюветы, вплотную к ней. Кремниевый фотодиод, кювета корригирующего фильтра и набор диафрагм кренятся во внутреннем корпусе, показанном па рис. 2.3.

Система термос табилизании выполнена па базе алюминиевою цилиндра с обмоткой из нихрома. Сис­тема поддерживает температуру (28-32)°С. Нестабиль­ность поддержания температуры 0,05% па градус при условии, что температура в лаборатории (21 ± 2)°С. Для питания системы гермосгабилизации необходимо на­пряжение 15 В постоянного тока при токе 0,5 Л. По­грешность калибровки головки пе превышает 0.5% от­носительно первичною эталона ВНИИОФИ. Коррек­ция не хуже, чем Г1 =4% (МКО публ. № 53). На рис. 2.4 представлена фотография головки и ее основ­ных элементов.

Современные промышленные фотометры различ­ного назначения, допущенные к применению на терри­тории Российской Федерации как приборы, прошел -

іпие испытания па утверждение типа и включенные по состоянию па 2002 г. в Государственный реестр средств измерений, представлены в табл. 2.6 [2.7].

Отечественный многоканальный универсальный фотометр - радиометр «Аргус» разработан для контро­ля параметров оптического излучения солнечных ими­таторов при ускоренных испытаниях, количественной оценки деструктивною и регулирующего воздействия УФ-излучепия на иммупокомпетептпые клетки, кон­троля световых характеристик дорожных покрытий, до­рожных знаков, светофоров, контроля характеристик световой среды па производстве и опасною воздейст­вия УФ-излучения и, наконец, мониторинга озонного слоя Земли. Этот прибор (рис. 2.5) — высокоточное средство ;тля эталонных и технических измерений.

Многоканальные радиометры позволяют измерять освещенность в диапазоне (1-200000) лк и яркость в диапазоне (1-200000)кд/м2, а также коэффициент пульсаций в диапазоне (1-100)%.

Принцип действия многоканальных радиометров «Аргус» основан на преобразовании потока оптическо­го излучения в выделяемых спектральных диапазонах в пропорциональный непрерывный электрический сиг­нал, который преобразуется АЦП в цифровой код. Ре­зультаты измерений отображаются на цифровом табло индикаторного блока.

Приборы предназначены для работы в диапазоне температур (10—35)°С. Дополнительная погрешность измерений за счет изменения температуры окружаю­щей среды в рабочем диапазоне температур пе более 0,3% на градус.

Предел допускаемого значения основной относи­тельной погрешности измерения освещенности состав­ляет 8%.

Предел допускаемою значения основной относи­тельной погрешности измерения яркости пе превыша­ет 10%.

Предел допускаемого значения относительной по­грешности измерения коэффициента пульсации не превышает 10%.

Вид индикации — на жидких кристаллах, напряже­ние питания — 12 В постоянного тока.

Поірсшность коррекции под относительную СІІЄК - іральную световую эффективность не превышает 5% ;4ля фотомегрической головки «Аріус 12» и 6% для ос­тальных фотометрических головок. Погрешность ка­либровки но источнику типа А не превышает 5%. нсли-
пейность функции отклика пе хуже, чем 3% во нсем диапазоне измерений, погрешность косинусной кор­рекции составляет не более 4% п диапазоне (0-85)°.

Фирма LMT (Германия) выпускает современные, высококачественные люксметры и яркомеры. Люкс­метр типа «POCKHT-LUX2» имеет несколько модифи­каций, отличающихся по диапазону измерений: вариант 1А — (0,1-1999,9) лк; вариант 2А — (10-200000) лк;

вариант IB — (0,01-199,99) лк; вариант 2В — (1-19999) лк.

Яркомер чипа 1.1000 имеет диапазон измерений (0,0001-2- Ю7) кд/м2.

Технические и метрологические характеристики люксметра и яркомера приведены в табл. 2.7 [2.7|.

На фотографиях рис. 2.6, 2.7 приведены в качестве примеров общие виды фотометра ТПС 0693 и яркомсра L1000.

В настоящее нремя все более широкое применение при измерениях яркости находят приборы на основе камеры с ПЗС-матрицей п сочетании с портативным компьютером, что позволяет получать объемную кар­тину сканированных изображений освещенной поверх­ности |2.12).

2.3.2. Методы и средства фотометрии импульсного широкополосного излучения

Нормативно-технической базой, регламентирую­щей метопы измерения электрических параметров и параметров излучения газоразрядных источников вы - сокоинтенсивпого оптического излучения импульсного действия (импульсных ламп), является межі осуларст - венный стандарт — ГОСТ 30831-2002. введенный в действие 01.07.2003 г. (взамен рапсе действовавшего ГОСТ 22466.0-4).

Измеряемыми величинами являются освсчивапие 0 [кд с|. пиковая /пик [кд] и средняя /ср |кд) силы света импульсных ламп. Их определяют посредством измере­ний световой экспозиции, пиковой или средней осве­щенности. создаваемой лампой на определенном рас­стоянии, и последующих вычислений.

Энергетические и световые величины, характери­зующие вспышку (импульс), приведены в табл. 1.3 на­стоящего справочника.

При выполнении измерений применяют калибро­ванный фотометр (желательно люксметр или регистри­рующий прибор с фотометрической головкой, преобра­зующей освещенность) в соответствии с ГОСТ 16465 и ГОСТ 8.023. Лампа, параметры которой измеряют, должна находиться на оптической оси фотометриче­ской скамьи. При измерениях лампу следует помешать в испытательную камеру, обеспечивающую се защиту от влияния внешних электрических и магнитных полей и посторонних источников света. Отражение света от стенок испытательной камеры и размещенных в пей деталей не должно влиять па результаты измерений; отверстие для выхода излучения из испытательной ка­меры должно обеспечивать распространение излучения лампы в заданном телесном угле.

Два последовательно установленных на фотометри­ческой скамье экрана должны обеспечивать прохожде­ние только прямого света от лампы вдоль оптической оси в пределах апертуры измеряемого пучка и не вно­сить дополнительного рассеяния света. Требование к количеству экранов не является жестким; важно, чтобы оно было достаточным для выполнения условий прове­дения измерений. Приемная поверхность фотометри­ческой головки должна находиться па оптической оси. Расстояние /. в метрах от светящего гела лампы до при­емной поверхности фотометрической головки измеря­ют с погрешностью <±1%.

По полученному показанию регистрирующего при­бора и значению чувствительности фотометрической головки определяют соответствующее значение свето­вою параметра;

0= //£“; /Пик = ^мик где: Н — экспозиция, лкс; /1|ИК — пиковая сила света, кд: £мик — пиковая освещенность, лк; /ср — средняя сила света, кд: £ср — средняя освещенность, лк.

Значение погрешности измерения световых пара­метров импульсных ламп Д с вероятностью не менее 0,95 рассчитывают по формуле:

Д = +1.1 До + Д2 + д2., + Д^, + Д2и + 2ї] +г)А2п. где: А0 - основная погрешность фотометра для измере­ния излучения источника типа Л по ГОСТ 7721. <+10%: Дс — погрешность, обусловленная отклонени­ем относительной спектральной чувствительности фо­тометра от относительной световой эффективности по ГОСТ 8.332. <±10%; Д., — погрешность, обусловлен­ная отклонением от линейности характеристики преоб­разования. <±2%; Дн — погрешность, обусловленная применением нейтральных ослабителей света, < + 3%: Дн — погрешность измерительного прибора: Д/ — по­грешность измерения расстояния. <±1%: Дм — по - ірешность, обусловленная неточностью установления режима питания, <±5%; г) — коэффициент влияния погрешности установления и поддержания режима пи­тания ламп па погрешность измерения светового пара­метра.

Значение относительной погрешности измерения находится в пределах <+15% с вероятностью 0,95.

В качестве средства измерений световых парамет­ров рекомендован импульсный фотометр Ф-005. Он предназначен для измерений Е с двумя пределами из­мерений 10-1 - 2-Ю4 лк и 10~3 -10 1 лк с погрешностя­ми соответственно 5 и 15% и для измерений Н с двумя пределами измерений 10 '-Ю^лк с и 10 2-10_1лк с с нормируемой погрешностью 5% в первом диапазоне и не нормируемой во втором. Прибор при измерении // работает при длительностях импульсов светового пото­ка от 5-Ю 5 до 2-Ю 2 с, следующих с частотой повторе­ния <1 Ги (при измерениях Е частота повторения им­пульсов 100 Г'ц).

Приемником излучения в фотомегрической головке служит кремниевый фотодиод площадью 1 см2 с ис­правленной под У (л) спектральной чувствительностью. Угол поля зрения фотометрической головки около 10°. При измерениях Н в диапазоне 10~2-10 1 лк с приме­няются дополнительные поглотители в 10 и 100 раз с погрешностью до 3%. Регистрирующим прибором слу­жит цифровой вольтметр.

2.3.3. Обеспечение единства измерений световых (фотометрических) величин

Мировой уровень точности технических измерений таких световых величии, как освещенность и яркость, создаваемых источниками непрерывного излучения, характеризуется погрешностью (3—5)%. В России до начала XXI века эта погрешность находилась в преде­лах от 5 до 25%. Для калибровки и поверки рабочих люксметров и яркомеров с погрешностью измерений (3—5)% необходимо воспроизводить единицы силы све­

та или светового потока, по крайней мере, с погрешно­стью пе хуже, чем 0,25%, и использовать приборы пер­вого класса точности.

Поэтому измерение силы света, освещенности, яр­кости, светового потока различных естественных и ис­кусственных ихіучателей с целью их сертификации и дальнейшей эксплуатации потребовало организации рациональной системы обеспечения единства измере­ний в фотометрии при современных уровнях точности.

До 2004 і. в Российской Федерации обеспечение единства измерений световых (фотометрических) вели­чин регламентировалось Государственной поверочной схемой с возглавлявшим се Государственным первич­ным эталоном единицы силы света — канделы (ГОСТ 8.023-90), охватывавшей находившиеся в обращении 8-10 гыс. светоизмерительных ламп, 40-50 тыс. люкс­метров и 2-3 тыс. светоизмерительных приборов раз­личного назначения.

Повышение точности воспроизведения Государст­венным первичным эталоном единиц физических вели­чин н фотометрии и радиометрии позволило пересмот­реть ГОСТ 8-023 с целью приближения потребителя к эталонному уровню поірешпосгей измерений, а также усовершенствовать систему обеспечения единства из­мерений при производстве и применении новых ИС со сложным спектральным составом, отличающимся от спектров ихіучения ЛН. Новая Государственная пове­рочная схема для средств измерений световых величин, характеризующих непрерывное и импульсное оптиче­ские излучения сложного спектрального состава, введе­на на территории Российской Федерации в 2003 г.

Разработанный во ВНИИОФИ и 2000-2002 гг. и хранимый в этом институте Государственный первич­ный эталон воспроизводит единицы силы света в раз­мерах от 35 до 500 кд и светового потока п размерах от 50 до 1500 лм. Размеры этих единиц по назначению пе­редаются в три ветви Государственной поверочной схе­мы, возглавляемые каждая своим рабочим эталоном нулевого (0) разряда: единиц силы света и освещенно­сти непрерывного излучения; единицы светового пото­ка непрерывного излучения; единицы яркости. Основы эталонов 0 разряда составляют светоизмерительные лампы светового потока и силы света.

Использование рабочих эталонов этих единиц 1-го разряда обеспечивает передачу их размеров рабочим средствам измерений при их калибровках и поверках с помощью как светоизмерительных ламп, так и эталон­ных фотометров, градуированных в соответствующих единицах, что обычно осуществляется в специализиро­ванных светотехнических лабораториях.

Достаточно подробные сведения об отечественных и зарубежных светоизмерительных лампах содержат публикации 12.7, 2.13-2.15).

2.3.4. Рефлектометрия

При измерениях оптических свойств веществ, сред, материалов особый интерес (кроме показателя прелом­ления и поляризационных параметров) вызывает коли­чественное определение коэффициента отражения р и коэффициента пропускания т. настолько тесно связан­ных друг с другом, что этот раздел спсктрофотометрии получил общее название рефлектометрии [2.16|.

Принимая во внимание особую важность и значи­мость количественного определения отражения и про­пускания. Международная комиссия по освещению выпустила силами ряда членов технического комитета ТС2-14 руководство по практическим методам измере­ний этих двух свойств [2.16).

Общие соотношения и основные определения при­менительно к оптическим и светотехническим характе­ристикам тел заимствованы из [2.11) и приведены в п. 1.4 настоящего справочника. Однако международ­ные рекомендации [2.16). опубликованные н 1998 г.. содержат ряд приводимых далее определений и обозна­чений оптических характеристик сред, не нашедших отражения в [2.11) или трактуемых с некоторыми тер­минологическими отличиями.

2.3.4.1. Оптические характеристики сред

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 (прошедшею) излучения таково, что энер1е- тическая яркость или яркость одинакова во всех на­правлениях в пределах полусферы, в которую происхо­дит отражение (пропускание).

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

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

Примечание: В англоязычной литературе есть и другое наименование прозрачной среды - transparent medium. Для определенности обычно под translucent medium подразумева­ется мутная среда, и огличие от прозрачной (transparent).

Коэффициент отражения (Р) (пропускання (т)) (для падающею излучения с заданными спектральным со­ставом, состоянием поляризации и пространственным распределением) — отношение отраженного (прошед­шего) лучистого или светового потока к падающему потоку при данных условиях.

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

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

Примечания:

1. р = pr + pd (т t - tj).

2. Результаты измерений рг и (тг и xj) зависят от ме­тодики измерений и иыбора измерительной аппаратуры.

3. р и т измеряются в безразмерных слипипах.

Показатель энергетической яркости/яркости ф) (эле­мента поверхности несамоихчучающей 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.

Примечания:

1. Для фотолюминесцснтной среды Р=Р5 +Р/.- где рл - — показатель энергетической яркости/яркости отраженной час­ти потока. |]/ - показатель энергетической яркости/яркости люминесцентной части потока.

2. Определение (5 применимо только к диффузному излу­чению.

Коэффициент энергетической яркости/яркости (^)

(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 Р и коэффициент q связаны соотношением: р = n - Q0 q, где Ll0 - 1 ср.

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

2.3.4.2. Параметры, влияющие на характеристики сред

Перечисленные в п. 1.4 и в 2.3.4.1 характеристики зависят пе только от свойств материалов и веществ, но и подвержены влиянию ряда описываемых далее пара­метров.

Спектральные параметры

Спектральный состав падающего изучении

При проведении измерений должно быть извест­ным спектральное распределение Ф(, падающего излу­чения. Для этого следует указать, например, тип осве­тителя но спецификации МКО, 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 спектрофлуоримегром.

Стандартизованные МКО источники светового по­тока снабжены табулированными значениями спек­тральных распределений мощности излучения. 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 установлено, что источником света типа Л служит вольфрамовая лампа, работающая при коррелированной цветовой температуре 2856 К. Источник света типа С представляет собой сочетание источника типа Л 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 стадий есте­ственною освещения, а также в процессе исследований в требуемых условиях суммарного солнечного излуче­ния. При необходимости к обозначению измеряемой величины может быть добавлен символ, характеризую­щий источник света, например, xv ^ для коэффициен­та пропускания светового ихтучепия при использова­нии источника типа А.

Интегральные характеристики

Пели спектральная зависимость оптического свой­ства образца определена и известно спектральное рас­пределение Фе{) мощности падающего на пего ихту­чепия, то интегральная характеристика этого свойства вычисляется по формуле:

[Фе( А) а( X)- w(k)-dk

а= 0 _---------------------------- , (2.1)

[ Ф(.( а)- w (X)d

0

где а(Х) — спектральная характеристика образца; tv(X) - относительная спектральная весовая функция, например, ^(Л) — для световых характеристик; единица для энергетических характеристик; х(). у() и г (Л) для колориметрических характеристик.

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

В случае возникновения неоднозначности при оп­ределении фотометрической характеристики следует пользоваться прилагательным «световая» и снабжать обозначение величины подстрочным индексом «V» (па -

пример, световой коэффициент отражения pv). Анало­гично при определении энергетической характеристи­ки применимы прилагательное «энергетическая» и под­строчный индекс «е» (например, энергетический коэф­фициент отражения ре).

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

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

Геометрические схемы выполнения измерений

В принципе существует девять геометрических схем выполнения измерений коэффициента отражения (табл. 2.8), когда падающий и наблюдаемый огражен - ный пучки моїуг быть:

1) направленными (почти параллельными);

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

3) полусферическими.

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

Измеряемые величины зависят от геометрической схемы с соответствующими обозначениями:

- углы падения излучения С| и <pj и углы наблюде­ния Ej и Ч>2 (Рис - 2.8);

— апертурные углы падающего и отраженною пуч­ков 2oj и la j соответственно (рис. 2.9).

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

Изображенные на рис. 2.8 и 2.9 схемы строго спра­ведливы при условии равномерного распределения ин­тенсивности в поперечном сечении падающего пучка излучения и отсутствия неравномерности распределе­ния чувствительности по активной поверхности прием­ника излучения.

Если описываемые свойства среды определяются пол конкретным углом наблюдения, он должен быть охарактеризован углом t'2 между оптической осью на­блюдаемого пучка и нормалью к поверхности образца и азимутальным углом ср (углом между плоскостями падения и наблюдения, ф = ф2-ф[). В случае копла - парпости углов Ej и t'2 (ф = 0° или 180°) их можно ука­зывать в подстрочном индексе (например, при еj =45° И Є2 =0°Р45/о)-

Если поверхность материала обладает направлен­ными свойствами, т. е. 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.

Прочие параметры

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

состояние поляризации излучения: если не определе­ны характеристики нсполяризованного 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.

2.3.4.3. Методики выполнения измерении.

Основные положения и принципы

Абсолютные и относительные измерения

Коэффициенты отражения и пропускания являются отношениями двух потоков, т. е. относительными ха­рактеристиками, Однако в случае их определения без применения стандартных образцов сред (рабочих эта­лонов), г. е. прямым, а не сравнительным методом, из­мерение именуется «абсолютным».

Измерения коэффициента диффузного отражения всегда выполняются с помощью стандартных образцов и поэтому считаются относительными. Абсолютные методы существуют, но выполняются лишь метрологи­ческими лабораториями, располагающими соответст­вующей эталонной аппаратурой. Аналогичные рассуж­дения относятся и к измерениям коэффициента про­пускания.

Спектральные н интегральные измерения

Как упоминалось ранее, при выполнении спект­ральных измерений определяется а(Х) в виде зависимо­сти оптического свойства образца от ;иіиньі волны. При этом необходимо, чтобы излучение было предель­но узкополосным. Интегральная характеристика вы­числяется с использованием выражения (2.1).

Спектральные измерения выполняются в случаях, когда:

требуется информация о спектральных характери­стиках:

спектральное распределение мощности Фе(А.) ис­точника излучения не воспроизводимо:

не доступен приемник излучения с требуемой отно­сительной спектральной характеристикой.

Интегральным методом непосредственно измеряет­ся требуемая весовая характеристика, для чего необхо­димы излучатель и приемник излучения с известными Фе(Х) и tv(X), соответственно (например, источник типа А и приемник, корригированный под (''(л)-функ-

ІІИЮ).

Для измерений спектральных и интегральных коэф­фициентов отражения и пропускания используются фотометры, радиометры и спектрорадиометры (см. п. 2.2). Для измерений характеристик материалов с ис­пользованием сферы применяется радиомеїр (фото­метр). известный под названием сферического радио­метра (фотометра).

Измерения с учетом пространственного распределения отраженного или прошедшего излучения

Измерения характеристик отражения и пропуска­ния при соблюдении геометрических условий падения излучения и последующего сбора отраженного или прошедшего потоков в пределах полусферы или конуса моїуг выполняться с использованием: гопиорадиомстров (гониофотометров): сферических радиометров (фотометров): методов и средств формирования направленных пучков.

Методы первой группы используются в метрологи­ческих лабораториях при выполнении эталонных изме­рений.

В промышленных лабораториях коэффициенты от­ражения и пропускания измеряются, как правило, се­рийными радиомеїрами (фотометрами) с использова­нием методов второй или третьей упомянутых групп. Эти приборы достаточно просты в применении и не требуют пришіечепия высококвалифицированного пер­сонала. Поэтому далее рассмотрены методы и средства технических измерений сферическими радиометрами (фотометрами), а также спектрорадиометрами (спек­трофотометрами). Кроме того, описана техника изме­рений индикатрисы рассеяния излучения.

2.3.4.4. Измерительная аппаратура

В состав измерительной аппаратуры входят: источники излучения; приемпо-усилительпые устройства; вспомогательные механические и/или оптические компоненты.

При выполнении спектральных измерений в источ­ник излучения или в приемпо-усилителыюе устройство вводится монохроматор.

Источники излучения

Измерительная аппаратура выполняется по однолу - чевой или двухлучевой схеме. Однолучевые измери­тельные устройства проще, но при этом возникает ряд осложнений. Интенсивность излучения лампы или чувствительность приемно-усилительного канала могут изменяться в промежуток времени между измерениями оптического свойства исследуемого и стандартного об­разцов. В сферических радиометрах (фотометрах) ус­редненный коэффициент отражения стенки сферы так­же может измениться между этими измерениями, если исследуемый и стандартный образцы попеременно со­ставляют часть внутренней поверхности сферы.

Подобные затруднения преодолеваются путем при­менения двухлучевой схемы, когда пучок излучения коммутируется и попеременно поступает в две вегви, одна из которых содержит исследуемый образец, а дру­гая не содержит его и служит опорной (референтной) ветвью. Результатом измерений является отношение двух отсчетов. В качестве примера па рис. 2.10 при­ведена двухлучевая схема измерений коэффициента от­ражения, а па рис. 2.11 — коэффициента направленно­го пропускания. Из рисунков видно, что при измере­нии коэффициента пропускания референтный пучок минует образец, а при измерении коэффициента отра­жения он попеременно падает на исследуемый и стан­дартный образцы.

При измерениях р и т пе всегда стремятся приме­нять двухлучевую схему. Недостатки однолучевой схе­мы стараются устранить стабилизацией характеристик и параметров излучателя и приемно-усилительною тракта, а также при необходимости числовой коррек­цией погрешностей, присущих сфере.

Серьезное внимание следует уделить геометриче­ским условиям, в которых выполняются измерения. Как правило, пучок излучения считается аксиально симметричным. Однако промышленные приборы, та­кие, например, как спектрорадиомегры, обычно обла­дают пучком с прямоугольным поперечным сечением. Поэтому имеется ряд общих и конкретных рекоменда­ций по учету реальной формы сечения пучка излуче­ния.

Общие рекомендации по выполнению іеомеїриче- ских условий сводятся прежде всею к тому, что:

сечение пучка излучения должно значительно пре­вышать размеры облучаемою/освещаемою участка по­верхности образца: если это неосуществимо, то следует выполнить несколько измерений в пределах данного участка, а полученные результаты усреднить;

необходимо стремиться к почти равномерному рас­пределению облученности по измеряемой площадке на поверхности образца;

отношение рассчитываемой плошали к облучае­мой/освещаемой площади должно соответствовать ре­шаемой измерительной задаче;

в случае наклонного падения ихчучения размеры облучаемой/освещаемой площадки увеличиваются пропорционально (cose) *; для больших углов падения необходимо принимать меры, обеспечивающие сохра­нение этой зависимости;

следует избегать попадания па измеряемый участок поверхности образца рассеянного излучения;

уюл между оптической осью и любым лучом пучка не должен превышать 5°, если не накладываются более строгие ограничения;

при отсутствии более строгих ограничений апертур­ный угол должен удовлетворять условию 20| <10°;

угол є j между нормалью к поверхности образца и оптической осью «при почти нормальном надепии» пучка в процессе измерения р не должен превышать 10°, а при измерении т и нормальном падении є j = 0°+2°; при измерениях р(е) и t(f) при других углах падения последние должны быть указаны.

Общие рекомендации но выполнению спектраль­ных условий сводятся прежде всего к тому, что:

при измерении световых (фотометрических) харак­теристик Ф(,(Л) должно соответствовать определенному эталонному источнику света или, по крайней мере, та­кому, Ф(,( А) которого достаточно точно известно; пред­почтительно по возможности использовать источник типа Л;

при измерении энергетических характеристик обычно следует использовать источники с излучением, близким по спектральному составу к солнечному излу­чению;

при определении спектральных характеристик сле­дует работат ь в любом из двух режимов: облучение мо­нохроматическим источником и измерение в широкой полосе либо облучение широкополосным источником и измерение в узкой полосе; в случае люминесцентных материалов следует облучать образец полихроматиче­ским потоком корректно выбранного источника и из­мерения выполнять в узкой полосе с помощью моно­хроматора.

Известно, что оптические свойства веществ и мате­риалов при наклонном падении излучения зависят от состояния его поляризации. «Направленные» измере­ния с использованием пеполяризованного падающего излучения можно выполнять лишь в том случае, если источник не генерирует поляризованное излучение или же отклоняющая либо фокусирующая оптика (разуме­ется, если таковая введена в оптический тракт), а также

приемпик излучения нечувствительны к поляризации излучения. И противном случае при наклонном паде­нии излучения необходимо выполнить два независи­мых измерения с линейно поляризованным падающим пучком: сначала в плоскости, перпендикулярной плос­кости падения, а затем в плоскости, параллельной ей. Значение измеряемой характеристики при пеполяризо - ванном падающем излучении в этом случае равно сред­нему из двух полученных результатов.

В тех случаях, когда необходимо выполнить измере­ния при строго линейно поляризованном излучении, следует указывать угол между плоскостями поляриза­ции и падения излучения.

Примечания:

1. Излучение лампы обычно частично поляризовано. Пу­чок, вводимый в сферу, деполяризуется за счет многократных отражений внутри нее.

2. Пучок излучения может быть деполяризован с помо­щью введенной в него пол наклоном тонкой стеклянной плас­тинки. Степень деполяризации можно контролировать враще­нием поляризационного фильтра вокруг оптической оси пада­ющего пучка при сохранении неизменности отсчета.

Для облучения/освещения образцов при измерени­ях р и т используются измерительные лампы следую­щих типов:

при определении световых (фотометрических) ха­рактеристик ЛН (обычно газополные) в качестве ис­точников типа А;

при определении спектральных характеристик:

- дейтсрисвыс лампы при 200 нм <Х < 350 нм;

- галогенные лампы при 350 нм <Л<3000 нм;

- ксепононые лампы при 250 нм <Х< 1200 нм;

при определении энергетических характеристик:

- ксеноновые лампы, чаще всего с филырами;

- сочетания ксеноновых ламп, МГЛ и ЛН.

С целью контроля стабильности во времени излуча - тельных характеристик лампы должны быть снабжены аппаратурой для периодического измерения и реіули - ронапия интенсивности пучка.

Приемно-усилительные элементы и измерительные приборы

Измерительными приборами служат СИ облучен­ности/освещенности или энергетической яркости/яр­кости. Для приборов первой из этих двух ірупп оценка влияния пространственного распределения потока из­лучения производится вычислениями в пределах полу­сферы, а для приборов второй группы — в пределах участвующего в измерениях поля зрения, которое зави­сит от принятых геометрических условий. Более того, приборы первой группы должны быть снабжены коси­нусным корректором, располагаемым перед входной апертурой СИ.

Радиометр или фотометр в качестве измерительного преобразователя содержат измерительную (соответст­венно, радиометрическую или фотометрическую) го­ловку. На ее характеристику преобразования могут ока­зывать влияние:

отклонение относительной спектральной характе­ристики от нормированной относительной спектраль­ной весовой функции:

изменение чувствительности в зависимости от по­ложения приемной площадки приемника излучения: поляризация падающего излучения. Рекомендуемыми приемниками излучения в зави­симости от измеряемой характеристики и диапазона длин волн являются:

при измерениях световых характеристик — корри­гированные под (''(А. Ьфункцию фильтровые кремние­вые фотогальвапическис элементы;

при измерениях энергетических характеристик — термоэлектрические батареи;

при измерениях спектральных характеристик:

— фотоэлектронные умножители при 200 нм < А. < <900 нм:

— кремниевые фотогальвапическис элементы при 200 нм <Л< 1100 нм:

— PbS, InGaAs и др. твердотельные приборы при Л>800 нм.

Кроме вышеуказанных факторов, на точность ра­диометра/фотометра могут оказывать отрицательное влияние:

нелинейность характеристики преобразования: погрешность отсчстного устройства; усталость:

температурная зависимость;

погрешности, возникающие при переключении пределов измерений;

время проірева прибора;

колебания напряжения питания прибора.

Числовые способы уменьшения (коррекции) этих влияний достаточно подробно рассмотрены в (2.7). Од­нако существует ряд влияющих факторов, ;иія которых числовые способы коррекции пока не моїуг быть реко­мендованы, а именно: старение; сдвиг нуля;

недостаточная механическая и климатическая стой­кость конструкции радиомегра/фотометра; влияние внешних магнитных полей.

В качестве регистрирующих устройств для рассмат­риваемых СИ рекомендовано использовать небольшие компьютеры/микропроцессоры в сочетании с принте­рами/плоттерами. Эта рекомендация особенно эффек­тивна применительно к спектральным измерениям из-за большого массива регистрируемой информации.

О роли и значении монохроматора при выполнении измерений спектральных характеристик веществ и ма­териалов, а также о его принципе действия и основных параметрах достаточно подробно сообщено в парагра­фе, посвященном спектрорадиометрии. Здесь следует лишь отметить, что при измерениях оптических свойств нслюминесцентных материалов монохроматор может быть расположен в оптической системе либо из­лучателя, либо измерительного прибора. Однако если измерению с использованием одного монохроматора подлежат люминесцентные материалы, то его следует располагать между образцом и оптической системой СИ. Определение же всей совокупности рассматривае­мых оптических свойств люминесцентного образца требует применения двух монохроматоров, один из ко­

торых должен быть введен в оптическую систему излу­чателя. а другой — в оптическую систему измеритель­ного прибора.

Значительную роль при построении большинства описываемых далее оптических схем СИ р и т играет сфера.

Интегрирующая сфера

Интегрирующая сфера представляет собой полый шар. внутренняя поверхность которого служит пре­дельно неселективным диффузным отражателем. При оснащении сферы радиометром/фотометром она реко­мендуется для выполнения измерений:

коэффициентов отражения и пропускания;

коэффициентов диффузного отражения и пропус­кания.

При лом зеркальные (направленные) компоненты этих коэффициентов могут быть получены путем вычи­тания одних результатов из других.

Примечания:

1. Распространенный рапсе термин «box photometer», обо­значавший измерительный прибор, конструктивно объединя­ющий сферу и фотометр, отныне пе рекомендуем.

2. Интегрирующие сферы пе предназначены для измере­ний р и т люминесцентных материалов.

В основу применения сферы для измерения р и т положен метод сравнения показаний радиометра/фото­метра, которым она оснащена, функционально связан­ных с потоками излучения, отраженными/ пропущен­ными исследуемым и стандартным образцами. При этом предполагается, что непрямые (indirect) облучен­ность/освещенность или энергетическая яркость/яр­кость, порождаемые внутренней поверхностью сферы, пропорциональны потоку излучения.

Первоначально теория сферы была разработана применительно к измерению светового потока ламп и только позднее распространена на измерения лучисто­го/светового потока, огражеппою/прошедшего от/сквозь магериалов/лы.

Согласно теории Ульбрихта, лучистый/световой по­ток, отраженный/пропущенный образцом, связан с не­прямой облученностью/ освещенностью на внутренней поверхности сферы соотношением:

Фг(Ф,) = Еы-А-1 Рк, (2.2)

P/fc

где: ФГ(Ф,) - отраженный (прошедший) ногок; Е-тд - непрямая облученность/освещенность на рассеиваю­щем излучение входном окне радиометра/фотометра; А — площадь поверхности сферы: р^ — усредненное значение коэффициента отражения всей поверхности сферы.

Примечание: Уравнение (2.2) не учитывает плоскую форму исследуемого (стандартного) образца и входного окна измерительной головки радиометра (фотометра). При этом счшаетси, что все, что помещено внутрь сферы, включая ее поверхность, является изотропным рассеивателем.

Вместо измерения облученности/освешенпости не­которого участка внутренней поверхности сферы мож­но измерять ее энергетическую яркость/яркость. В лю­бом случае для получения корректных результатов су­щественно. чтобы участвующая в измерениях часть по­верхности сферы была полностью экранирована от прямого излучения, отражаемого/пропускаемого об­разцом. При измерении энергетической яркости/ярко­сти обычно требуется экран большего размера, чем при измерении облученности/освешенпости.

Поскольку характеристики реальной сферы отлича­ются от таковых у идеальной (расчетной) сферы, отра­женный/прошедший лучистый/световой поток не мо­жет быть вычислен непосредственно из уравнения (2.2). Для этого необходимо провести дополнительные измерения по крайней мере коэффициента отражения стандартною образца, причем в идеальном случае ко­эффициент отражения образна равен:

где: рх - коэффициент отражения исследуемого образ­на: руу - коэффициент отражения стандартного образ­ца: Einli v — непрямая облученность/освещенность, со­здаваемая потоком, отраженным исследуемым образ­цом; Ejnjjy - непрямая облученность/освещенность, создаваемая потоком, отраженным стандартным образ­цом.

Все сказанное в равной мере относится и к измере­нию коэффициента пропускания, причем в отсутствие стандартного образца їді = 1.

Таковы основные теоретические положения, обос­новывающие возможность и целесообразность приме­нения сферы для измерений р и т. Однако более точные результаты моїуг быть получены с использованием ме­тодик выполнения измерений. При этом необходимо учесть ряд конструктивных, геометрических и техноло­гических особенностей, характеризующих модернизи­руемую для проведения тех или иных измерений сферу. При измерении методом замещения исследуемый обра­зец и стандартный образец (если он участвует в измере­нии) помешаются в отверстии сферы последовательно один за другим. В результате усредненное значение ко­эффициента отражения внутренней поверхности сферы может измениться. В спектрофотометрических экспе­риментах эго затруднение преодолевается применением двухлучевой схемы (рис. 2.10, 2.11). При измерении ме­тодом сравнения исследуемый и стандартный образцы одновременно участвуют в эксперименте, будучи поме­шенными в двух различных отверстиях сферы и после­довательно облучаемыми один за другим. Благодаря этому усредненное значение коэффициента отражения внутренней поверхности сферы остается неизменным.

Метод замещения эффективен при условии сущест­венной малости отверст ия в сфере (его диаметр пе дол­жен превышать 0,1 ее диаметра). В противном случае необходимо выполнять дополнительные измерения с применением вспомогательной лампы или вспомога­тельного экрана. На практике этот метод используется при измерениях оптических свойств толстых образцов из рассеивающих излучение материалов (мутных сред), если доступна сфера большого диаметра (>2 м).

Покрытие внутренней поверхности сферы должно быть песелективпым, практически диффузным и рав -

номерно распределенным по всей плошали. Кроме того, оно не должно люмипесцировать. Эти свойства внутренней поверхности сферы характеризуются отно­сительным показателем K()n, t:

ал)

Р к max (1 Р к (^))

где: р^(Л) — снскгральпый коэффициент офажения внутренней поверхности сферы: р^тах — его макси­мальное значение.

Даже незначительные относительные изменения р^(Л) могут существенно влиять па Эго влия­

ние усиливается по мере возрастания коэффициента отражения. С другой стороны, эффективность сферы как интефатора падает по мере уменьшения р. Поэто­му для измерений световых характеристик рекоменду­ется покрытие се впугренпей поверхности с коэффици­ентом отражения =0,8.

Обычно в качестве покрытий используются выпус­каемые промышленностью краски, характеризуемые К(Х)ге!. Для проведения спекфальных измерений по­крытие внутренней поверхности сферы следует выби­рать с предельно возможным коэффициентом Офаже­ния. Для выполнения спекфальных измерений в УФ - области спекфа и энергетических характеристик мате­риалов сферу изпуфи покрывают прессованным поли- тефафторэтилепом (PTFH) или сульфатом бария. Бо­лее того, покрытие расположенных внутри сферы экра­нов всегда должно обладать предельно достижимым коэффициентом офажения. С целью сведения к мини­муму влияния старения и загрязнения внутренней по­верхности сферы ее нужно реіулярно очишать и перио­дически перекрашивать. Внешняя поверхность сферы должна быть покрыта черной краской во избежание пе - реофажений между нею и образцом.

Полезно также отметить, что многие виды «шерша­вых» (матированных) образцов (опаловых стекол, кера­мических изразцов и пр.) абразивны и моїут заіряз - няться в контакте с черной краской внешней поверх­ности сферы. Во избежание этого полезно отверстие для образца окружить тонким бумажным листом.

Чрезвычайно важно соблюдение сфогих гсометри - ческих соотношений между элементами консфукции сферы и фебований к этим элементам.

Диаметры сферы и отверстии для запрещении образцов

Требования к диамефу сферы достаточно противо­речивы. Чем он меньше, тем слабее затухание излуче­ния. но если сфера слишком мала, возникают осложне­ния. связанные с обшей площадью отверстий в пей. Суммарная площадь отверстий в сфере не должна пре­восходить 0.1 ее внутренней отражающей поверхности. Минимальные диаметры толстых образцов из рассеи­вающего материала, гребующих отверстия большого диамефа, должны вдвое его превышать, по при этом необходимы вспомогательные лампа или экран, если не используется двухлучевая схема. Для таких образцов рекомендуется, чтобы лиамеф сферы превышал 0,5 м. Поскольку промышленные спекфорадиомефы, пред­назначенные для измерений р и т, снабжены сферами диамефом <0,2 м, их нельзя использовать для точных измерений характеристик толстых образцов из рассеи­вающих материалов.

Отверстия

Число, расположение и диамефы отверстий в сфе­ре, фебусмых для выполнения измерений, зависят от вида измеряемых характеристик и типов образцов. По­скольку отверстия всегда приводят к нарушению алго­ритма измерений внутри сферы, их количество и диа - мефы (по сравнению с размерами сферы) должны быть минимизированы.

Следовательно, практика дикіует фебование все­мерного уменьшения размеров различных отверстий в сфере, откуда следует, что необходимо разумно увели­чивать ее диаметр, чтобы отверстия не занимали чрез­мерной части суммарной внутренней поверхности сфе­ры. Поэтому при конструировании и сборке сфер дол­жен быть достигнут компромисс между числом изме­ряемых характеристик (т. е. обшим количеством отвер­стий) и достижимой точностью получаемых результа­тов.

Пример: Методом замещения с использованием универсального сферического радиомефа (фотометра) измеряются:

р и т при направленном практически нормальном падении излучения:

р(Е) и i(f) при направленном падении излучения в зависимости от угла ej;

Tdif при полусферическом облучении;

Pdif и TdiC-

Для выполнения этих измерений в сфере должны быть проделаны следующие отверстия (рис. 2.12):

Отверстие / для образца:

— диамегр отверстия должен быть достаточно боль­шим, чтобы обеспечить попадание в сферу всего отра - жеппого/прошедтего излучения: для измерений тон­ких образцов (или образцов только лишь с повсрхносг-

Рис. 2.12. Гсомегрия уни­версальной сферы: а — вспомогательный экран 3j внутри; 6 — вспомога­тельный экран 3j снару­жи; D — диаметр сферы; / отверстие для образ­ца; 2 — отверстие для фо - томсфичсской головки: 3 — входное отверстие для светового потока при измеренияхр; 4 — ловуш­ка для зеркального офа - жепия; 5 ловушка для зеркального пропускания; 6—10 — входные отвер­стия для измерений угло­вой зависимости р; П — приемник: Э[ — экран между отверстием / и рассеивателем фотомет­рической головки

109 8

иым отражением) приемлем диаметр отверстия d <0,1 А іде D — диаметр сферы; для измерений тол­стых образцов из рассеивающего излучение материала наиболее подходят d = 25 см при D>2d,

— диаметр образца должен превосходить диаметр отверстия /; если наблюдаются потери излучения из торцевой поверхности образца, се нужно покрыть ма­териалом с высоким коэффициентом зеркального отра­жения, например, анодировать алюминием; облучаемая поверхность толстых образцов из рассеивающих излу­чение материалов должна быть меньше диаметра отвер­стия для образца; при точных измерениях пропускания образец следует облучать по большой площадке, пре­вышающей площадь отверстия для образца;

- стенка отверстия / должна бытьпредельно топкой с осірьім краем и иметь высокий коэффициент зеркаль­ного или. па крайний случай, диффузного отражения.

Отверстие 2 для радиометрической/фотометриче­ской головки:

— это отверстие должно быть предельно малым и расположено как можно ближе к отверстию /; при из­мерении облученности/освещенности с использовани­ем радиометрической/фотометрической головки отвер­стие 2 должно быть экранировано от прямою попада­ния излучения, порожденного образцом (рис. 2.12); из­мерение энергетической яркости/яркости выполняется сквозь защищенное экраном отверстие, через которое виден участок внутренней поверхности сферы, ближай­ший к отверстию / (рис. 2.13).

Отверстие 3 используется для ввода в сферу пучка излучения при измерении р:

- угол падения?| <10°; диаметр отверстия d^<Q,D: диаметр вводимого в сферу пучка должен быть меньше dy

Отверстие 4 для вывода из сферы зеркально отра­женного ихчучения:

- диаметр ^4=0,02/); диаметр площадки, облучае­мой зеркально отраженным пучком, должен быть не более 0,8rf4; отверстие 4 должно быть симметрично от­верстию 3 относительно диаметра сферы, проходящего через центры отверстий / и 5.

Отверстие 5 для вывода из сферы направленно про­шедшею излучения:

- диаметр (U, =d4: диаметр площадки, облучаемой направленно прошедшим пучком, должен быть не бо­лее 0.8rf5.

Отверстия 6-10 служат входными при измерениях зависимости р(г) в диапазоне углов падения излучения от 20 до 60°. Для углов падения в расширенном диапа­зоне значений возможно увеличение числа отверстий, причем диаметры вводимых пучков должны быть мень­ше dy При углах падения >60° в ИС не предусматрива­ется отверстий для вывода излучения, аналогичных от­верстию 4.

При измерении методом сравнения в сфере необхо­димо предусмотреть дополнительное отверстие СО для стандартною образца (рис. 2.14). Местоположение это­го отверстия не критично, а диаметр тот же. что и у от­верстия /.

Отверстия, не используемые при проведении дан­ного измерения, должны быть закрыты крышками (за­глушками), внутренние поверхности которых окраше­ны тем же составом, что и внутренняя стейка сферы.

Разумеется, приведенная в примере геометрия сфе­ры может быть упрошена, а при измерениях меньшего количества характеристик отпадает необходимость в целом ряде отверстий.

Рис. 2.14. Сфера для измерения р тонких образцов: Рис. 2.13. Измерение р с использованием сферы с присое - (</[<(),1/>, d^<0,D. е<10°); СО — отверстие для стан-

линенным к ней СИ энергетической яркости/яркости дартного образца; </<_■ ц = d

Рекомендуемым методом измерения облученно­сти/освещенности предусмотрено использование ра­диометрической/фотометрической головки. Располо­женная в отверстии 2. она предназначена для определе­ния измеряемой величины (в данном случае интенсив­ности падающего излучения) в соответствии с законом косинуса. Полому при измерениях спектральных и световых величин отверстие для головки должно быть прикрыто пропускающим излучение рассеивателем, поверхность которого расположена впритык к внутрен­ней стенке сферы. Более того, рассеиватель должен об­ладать в требуемом диапазоне длин воли высоким ко­эффициентом пропускания только диффузного ихчуче - ния, без направленной компоненты. Спектральный ко­эффициент пропускания рассеивателя должен быть со­гласован с относительной спектральной характеристи­кой приемпика излучения. Для защиты головки от пря­мого попадания исходящего от образца излучения ис­пользуется небольшой экран с возможно большей нс - селективностью (рис. 2.12).

Если вместо облучепносги/освещенности внутрен­ней поверхности сферы измеряется ее энергетическая яркость/яркость, то этот участок в поле зрения радио­метрической/фотометрической головки должен быть оіраничеп и защитен от прямого попадания исходя­щего от образца излучения. Лучше всего, чтобы такой экранированный участок поверхности находился вбли­зи отверстия /, тогда достаточно использовать неболь­шой экран белого цвета (рис. 2.13). Таким образом, во входную апертуру радиометра/фотометра должно попа­дать излучение только с этого ограниченного участка поверхности сферы.

Измерения с использованием сферы, имеющей от­верстие для образца, соизмеримое с сс диаметром, вы­полняются только методом замещения. Однако в этом случае усредненное значение коэффициента отражения внутренней поверхности сферы может изменяться при замещении измеряемого образца стандартным в отвер­стии /. Корректирующий коэффициент, компенсирую­щий различие р. может быть определен путем проведе­ния двух отдельных измерений с использованием ос­новной внешней лампы, располагаемой перед отвер­стием 3, или фиксируемой вспомогательной лампы внутри сферы (рис. 2.15). При использовании внешней лампы для этой пели вспомогательный экран Э2 распо­лагается вблизи центра сферы, а его центр находится на оси пучка, распространяющегося между отверстия­ми 1 и 3. Плоскость экрана Э2 должна быть перпенди­кулярной падающему пучку во избежание прямого об­лучения отверстий / и 2. При использовании вспомога­тельной лампы L (рис. 2.15) ее и экран следует рас­полагать так, чтобы также избежать прямого облучения этих двух отверстий. Внешняя и вспомогательная лам­пы должны иметь одинаковые <Ьс(к).

2.3.4.5. Российская система обеспечения единства измерений коэффициентов пропускания и отражения

В России за обеспечение единства измерений ха­рактеристик спектрального пропускания и отражения

ответственность несет ВНИИОФИ. С целью развития системы обеспечения единства измерений оптических свойств веществ и материалов в возможно более широ­ком диапазоне спектра во ВНИИОФИ с 1986 г. прово­дились исследования наиболее перспективных методов и средств измерений характеристик пропускания и рас­сеяния, охватывающих поддиапазоны воздушного УФ. видимого и ближнего ИК-ихтучения. Завершением 15-летнего цикла исследований и разработок явилось создание в 1990 г. Государственной поверочной схемы для средств измерений спектральных и мнтефалы/ых коэффициентов направленного пропускания в диапа­зоне длин волн 0,2-20,0 мкм, диффузного и зеркально­го отражений в диапазоне длин волн 0.2-2,5 мкм, воз­главляемой Государственным первичным эталоном единиц этих спектральных коэффициентов (ГОСТ 8.557-91).

В соответствии со стандартом регламентированы воспроизведение и передача размеров единиц тг, и рг. В российских официальных документах для этих спектральных коэффициентов приня ты другие соответ­ствующие обозначения: т, рл и рг Для интегральных коэффициентов приняты обозначения /'. Яд и Rv

Государственный первичный эталон состоит из комплекса следующих СИ:

- спектрофотометрической установки для воспро­изведения единицы спектрального коэффициента на­правленного пропускания в диапазоне длин волн 0,2—2,5 мкм с приставками для воспроизведения еди­ниц спектральных коэффициентов диффузного (мето­дом Тэйлора) и зеркального отражений в диапазоне шип волн 0,2-2,5 мкм;

— спсктрофотометрической установки для воспро­изведения единицы спектрального коэффициента на­правленного пропускания в диапазоне длин волн 2,5-20.0 мкм;

— спектрофотометрической установки для воспро­изведения единицы спектрального коэффициента диф­фузного отражения (методом Эрба) в диапазоне длин волн 0.38—0.8 мкм;

— наборов эталонных мер;

— системы регистрации и обработки информации.

Вторичными и разрядными эталонами в зависимо­сти от воспроизводимых единиц и спектральных диа­пазонов служат комплекты мер, каждый из которых со­стоит из образцов прозрачного нейтрального стекла, образцов с полупрозрачным металлическим покрытием па прозрачной подложке, набора секторных дисков, диффузно и зеркально отражающих поверхностей, а также спектрофотомстричсскис установки и фотомет­ры. В качестве рабочих СИ спектральных коэффициен­тов направленного пропускания, диффузного и зер­кального отражений применяют спсктрофотометриче - ские установки, наборы мер спектральных коэффици­ентов и спектрофотометры в следующих диапазонах измерений; 1 = 0,001—0,950 и рд =р3 =0.01-1,00.

В качестве рабочих средств измерений интеграль­ных коэффициентов направленного пропускания, диф­фузною и зеркального отражений применяют наборы мер интегральных коэффициентов, фотометры и зо­нальные фотометры в следующих диапазонах измере­ний; / =0,01—0,95 и Яд =/?., =0.01-1,00.

Подробное описание методов и средств рефлекто - мстрии и системы обеспечения единства в этом виде измерений содержит мопоірафия [2.7].

2.3.5. Рефрактометрия

Широкому распространению рефрактометрии в ка­честве метода измерений одного из важнейших оптиче­ских свойств твердых, жидких и газообразных веществ, материалов и сред — показателя преломления п — спо­собствует исключительно ценное совмещение ее высо­кой точности, технической простоты и доступности. Показатель преломления принадлежит к числу немно­гих физических констант, которые могут быть измере­ны с очень высокой точностью (минимальная погреш­ность в разряде рабочих средств измерений находится в пределах 10 10' 7) и с небольшой затратой времени.

ния. Так. например, riffi, . njP обозначают показате­ли преломления при 20°С для линии I) натрия и линий Си/-' водорода. Длины волн и обозначения наиболее употребляемых в рефрактометрии спектральных линий приведены в табл. 2.9.

Табдипа 2.9

При измерении показателей преломления твердых и жилких сред обычно определяются относительные показатели преломления /121 по отношению к воздуху лабораторною помещения. Поскольку предельный уіол на границе двух веществ i'Ilp зависит только от их показателей преломления (см. п. 1.4). то при выполне­нии измерений требуется определение только одного угла, а исследуемому телу не надо придавать строго оп­ределенную геометрическую форму, так как для наблю­дения полного внутреннего отражения важно лишь на­личие плоской іраниньї раздела двух сред.

Существенной деталью большинства рефрактомет­ров, основанных па измерении предельного угла, явля­ется измерительная призма из оптического стекла с точно известным показателем преломления N. Одна из граней измерительной призмы (так называемая вход­ная фапь) приводится в оптический контакт с изме­ряемым образцом, имеющим неизвестный показатель преломления п. и служит границей раздела, па которой происходит преломление и полное впугреннее отраже­ние. Преломление или отражение света па этой фапи наблюдается в зрительную трубу обычно через вторую (выходную) грани призмы (рис. 2.16).

При рассмафивапии вышедших из призмы лучей, близких к предельному, поле зрения трубы оказывается разделенным па освещенную и темную части, граница между которыми соответствует предельному лучу.

Формулу, связывающую угол Р с показателем пре­ломления исследуемого вещества п, нетрудно получить, рассмафивая преломление предельного луча па фапях призмы:

п = sin a. yi N[1] - sin2(і ± cos a sin p.

Эта формула лежит в основе всех расчетов при из­мерениях методом предельного уїла па призме.

2.3.5.2. Методы и средства рефрактометрии

Применительно к измерительным задачам, возни­кающим при количественном определении оптических характеристик СП и их элементов, приводится описа­ние методов и средств измерений показателя преломле­ния оптических материалов.

Методы измерений регламентированы ГОСТ 28869-90. введенным с 01.01.92, и распространяются на оптическое стекло и оптические кристаллы кубической симметрии формы. Стандартом установлены обяза­тельные методы измерений показателя преломления в видимой и ИК-обласгях спектра. Эти методы делятся на дне группы: гониомсфические (наименьшею откло­нения и автоколлимации) и рефрактометрические с ис­пользованием как рефрактометров различных типов (Пульфриха. V-рсфрактометра, Аббе, компенсационно­го рефрактометра), гак и интерференционного сравни­тельного метода измерений (метод Обреимова).

В ГОСТ 28869-90 применительно к каждому из реі - ламептируемых методов описаны его сущность, требо­вания к отбору образцов, средствам измерений, подго­товке и проведению измерений, а также к обработке и оформлению результатов измерений. Расчет показателя преломления выполняют по формуле, соответствую­щей реализованному в выбранном методе принципу измерений. Расчет производят до десятичного знака, на порядок большего, чем предельная погрешность изме­рений. При контроле оптических стекол и кристаллов наибольшее распространение получили визуальные рефрактометры критического уїла (рефрактометры Пу­льфриха) и рефрактометры Аббе, описание которых приведено в 12.7].

2.3.5.3. Обеспечение единства измерении показателя преломления

В качестве национального стандарта Российской Федерации в 2004 г. введен в действие межгосударст­венный (для стран СНГ) ГОСТ 8.583-2003 «Государст­венная система обеспечения единства измерений. Го­сударственная поверочная схема для средст в измерений показателя преломления твердых, жидких и газообраз­ных веществ» взамен МИ2129-9І. Возглавляет повероч­ную схему Государственный первичный эталон едини­цы показателя преломления, предназначенный для ее воспроизведения и передачи размера при помощи ра­бочих эталонов рабочим средствам измерений, приме­няемым в экономике, с целью обеспечения единства измерений в стране. Эталон состоит из двух эталонных комплексов СИ и вспомогательных устройств.

Первый эталонный комплекс предназначен для воспроизведения, хранения и передачи размера едини­цы показателя преломления для твердых пг и жидких пж веществ. Второй эталонный комплекс предназначен для воспроизведения, храпения и передачи размера единицы показателя преломления nv ;шя газообразных веществ.

В состав первого эталонного комплекса входят: го - ниомеф-спектромстр с кольцевым лазером ;іля вос­произведения и хранения единицы показателя прелом­ления твердых и жидких веществ и передачи ее разме­ра; меры показателя преломления в виде трехфаппых стеклянных призм из различных марок стекла в диапа­зоне от 1.41 до 3,00 и полой фехграпной призмы с на­бором рефракгомсфических жидкостей в диапазоне от 1.33 до 2.0 для контроля стабильности эталона: клима­тическая камера с активной гермостабилизацией и многоканальным цифровым термометром с выносны­ми термодатчиками; баромеф для измерений атмо­сферного давления в камере: гифомегр для измерений влажности воздуха в камере; система сбора и обработки измерительной информации на базе персональной ЭВМ.

Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы пт со средним квадратиче­ским отклонением результата измерений, пе превыша­ющим 1-Ю'6 при 50 независимых измерениях, и неиск - люченной систематической погрешностью, не превы­шающей 2-Ю-6.

В качестве рабочих эталонов 1-го разряда применя­ют эталонную установку, состоящую из интерферомет­ра Фабри-Перо, мер показателя преломления в виде плоскопараллельных пластин из различных марок стекла в диапазоне ит от 1,47 до 1,94 для контроля ста­бильности эталона, активного термостата с термодат - чиком для поддержания и измерений температуры в пространстве интерферометра, приемпо-регистрирую - шей системы сбора и обработки измерительной инфор­мации. и эталонные меры показателя преломления (на­бор трехфаппых призм из различных марок стекла в диапазоне пл от 1,41 до 3,00).

В качестве рабочих эталонов 2-го разряда применя­ют следующие меры показателя преломления: рефрак­тометрические пластины, входящие в наборы эталон­ных (образцовых) мер показателя преломления, в диа­пазоне лт от 1,47 до 1,94; рефрактометрические призмы с эффективным значением показателя преломления от 1,25 до 1,45, входящие в наборы эталонных мер показателя преломления.

Рабочими средствами измерений служат рефракто­метры Пульфриха, Аббе; гониометры-спектрометры для измерений показателя преломления; рефрактомет­ры, работа которых основана на нарушении условий полного внутреннего отражения; дифференциальные и интерференционные рефрактометры.

2.3.6. Измерения излучательных характеристик светоизлучающих диодов

Светоизлучающие диоды (СД) служат источниками квазимонохроматического (ширина полосы спектра из­лучения несколько десятков нанометров) излучения и получают все большее распространение в СП различ­ного назначения и в первую очередь — в технических средствах обеспечения безопасности движения практи­чески на всех видах транспорта.

Объектами измерений излучательных характери­стик служат как кристаллы, так и СД в целом, пред­ставляющие собой кристаллы на подложках в герме­тичных корпусах, которые сами но себе моїуг быть весьма сложными оптическими элементами, форми­рующими потоки излучения приборов.

Обычно сила света кристаллов составляет 10-30 мкд, сила излучения — 3—10 мВт ср-1. В совре­менных СД сила света нередко превышает 10—80 кд.

Наряду с одиночными СД, в светотехнических устройствах широко применяются матрицы этих при­боров. излучательные характеристики которых также нуждаются в измерениях.

С целью упорядочения методологии измерений из­лучательных характеристик СД и метрологической тер­минологии специалистами МКО разработаны рекомен­дации и исходные данные для соответствующих стан­дартов ИСО [2.17, 2.18|.

2.3.6.1. Параметры и характеристики СД.

Термины, определения, обозначения.

Уаювия измерений

Геометрические характеристики

Определение и нормирование геометрических ха­рактеристик продиктованы необходимостью точного совмещения в процессе сборки СД его оптической и механической оси.

Центр плоскости излучения СД: центральная точка внешней излучающей поверхности СД.

Оптическая ось: ось, проходящая через центр плос­кости излучения в направлении центра распределения потока излучения.

Ось максимальной интенсивности: ось, проходящая через центр плоскости излучения в направлении мак­симальной интенсивности потока излучения.

Механическая ось: ось, проходящая через центр плоскости излучения по направлению, перпендикуляр­ному плоскости излучения, или по оси симметрии тела излучателя.

Расстояние измерений d: расстояние между центром плоскости излучения и центром плоскости эффектив­ной приемной поверхности измерительной головки (поверхность А, па которую попадает поток излуче­ния).

Пространственный угол измерений СД, £2: простран­ственный угол измерений СД равен эффективной по­верхности измерительной головки А, деленной па квадрат расстояния измерений: Q = A/ d2.

Дальнее поле измерений силы излучения СД: дальним полем измерений силы излучения (силы света) являет­ся область расстояний измерения d. в которой закон обратных квадратов выполняется с погрешностью не более ±1%.

Ближнее поле измерений: ближним полем измерений является область расстояний измерения, в которой за­кон обратных квадратов выполняется с погрешностью, большей ± 1%.

Излучающая площадь излучателя: излучающая пло­щадь — это площадь изображения источника излуче­ния, наблюдаемая вдоль механической оси прибора.

Оптические характеристики и их измерения

Все приведенные в первом разделе настоящего справочника основные понятия и величины, характе­ризующие оптическое излучение, справедливы приме­нительно к оптическим характеристикам СД. Наличие корпуса и его элементов (крышек, линз, лупок, подло­жек и пр.) влияет па пространственное и спектральное распределения силы излучения (силы света), присущие непосредственно кристаллу, и обусловливает нормиро­вание измеряемых оптических характеристик и стан­дартизацию геометрии измерений.

Измеряемый поток и освещенность (облученность): измеряемый поток — эго поток излучения, создающий освещенность (облученность) Е эффективной поверх­ности измерительной головки А:

Ф = ЕА.

Пространственное распределение и поток излучения (световой поток)

Сила свста (сила излучения) является величиной, зависящей от направления распространения излуче­ния, т. е. / = /(0. ф). Эта функция носит название про­странственного распределения силы излучения. Для определения этой функции должны выполняться усло­вия дальнего поля измерений, i. e. условия «точечно - сти» приемника и источника излучения по сравнению с расстоянием измерений, а угол пространственного сканирования должен быть также небольшим в сравне­нии с расстоянием. Функция пространственного рас­пределения G(0, ф) = /(0, ф)/ /qo - Если 0 = 0Р или0=л. го просфанствеппое распределение не зависит от угла ф. Именно поэтому -/оо = /(0 = 0Р). Простейшая форма функции просфанствеппого распределения, когда G'(0, Ф) является константой, представляет собой про­сфанствеппое распределение силы света полностью изофопного точечного источника. Для ламбертовского источника эта функция имеет вид С(0) =Gq |cos 0|, где область определения аргумента представляет собой по­лусферу с О<0<л/2. Все практически получаемые функции просфанственного распределения невозмож­но отобразить в терминах простых математических функций, но симмефичное просфанствеппое распре­деление характеризуется, как правило, спецификацией в углах, соответствующих 50% или 10% от максималь­ного значения силы свега. Теоретически СД проекти­руется так, чтобы максимальная интенсивность соот­ветствовала направлению 0 = ОР, по на практике это условие выполняется не всегда, и порой оптическая ось не совпадает с механической осью реального излуча­теля.

Измерения просфанствеппого распределения ин­тенсивности излучения с помощью двухкоординатпого гониомефа позволяют наиболее точно определить сум­марный поток излучения СД и создать эталонные СД потока излучения и светового потока:

= J J /(0ф)</0<Лр,

Ф О

которые далее можно использовать совместно с интег­рирующей сферой. Интефирующая сфера с фотомет­ром выполняет при этом роль компаратора световых потоков эталонного и измеряемого СД. Размер сферы должен быть оптимальным с позиций классической те­ории сферического интефатора и с учетом сравнивае­мых потоков. Современные полупроводниковые излу­чатели следует измерять в больших сферах [2.19|, что существенно повышает точность измерений (рис. 2.17).

Сила излучения (сила света), характеризующая не только интенсивность, но и направленность пучка, признана обобщенной световой характеристикой СД любого тина, а стандартная геомефия ее измерений обеспечила возможность оценки качества продукции разных производителей. Поэтому МКО и ИСО приня-

ли в качестве измеряемой величины усредненную силу излучения (силу света) СД, а также узаконили две стандартных геомефии измерения этой характери­стики.

Усредненная сила излучения (сила света) СД опреде­ляется потоком излучения, деленным на просфанст - венный угол измереиий СД. Сила излучения, усреднен­ная по телесному углу измерений:

/сд = Ф / £2 = Ф(12 / А.

Усредненная сила излучения обозначается IeQд и измеряется в ваттах на стерадиан (Вт/ср), усредненная сила света обозначается д и измеряется в канде­лах (кл).

МКО стандартная геометрия А для измерений и

lyQjl - эффективная площадь приемной поверхности из­мерительной головки составляет 100 мм2, расстояние измерений </ = 316 мм. Эта геометрия измерений пред­назначена для телесного угла, равного 0,001 ср.

МКО стандартная геометрия В для измереиий и Лсд1 эффективная площадь приемной поверхности из­мерительной головки составляет 100 мм2, расстояние измерений </=100 мм. Это геометрия для телесного угла, равного 0,01 ср.

Спектральное распределение и связанные с ним величины

Абсолютное спектральное распределение потока из­лучения (светового потока) СД является важнейшей ха­рактеристикой, позволяющей решить многие задачи спецификации кристаллов и СД, особенно для квази - монохроматических источников ихтучения в ближнем УФ - и ИК-диапазонах. Сила света рассчитывается по формуле:

/уСД=683|£(Х) V(X)dX,

где: Е(к) — спектральная плотность энергетической

освещенности [Вт ср ■ им-1 ■ м-^], измеряемая спск - трорадиомегром. Для большого числа применений до­статочно знать относительное спектральное распреде­ление силы излучения или энергетической освещенно­сти. Погрешност ь определения относительной спектра­льной характеристики всегда ниже, чем абсолютной. Нормируется характеристика при длине полны макси­мума излучения. Длина полны максимальной интен­сивности излучения называется пиковой длиной вол­ны — А. п.

Спектральная полоса, соответствующая уровню по­ловины интенсивности излучения по обе стороны от пиковой длины волны, рассчитывается по формуле:

д^0.5 =^0.5 ~^6,5-

Центральная длина волны спектральной полосы на уровне половины интенсивности рассчитывается по формуле:

^■0.5 =(^0,5 + ^-6,5) / 2 ■

Центроидная длина волны Хс рассчитывается как «центр тяжести» кривой спектрального распределения излучения светодиода по формуле:

Х2 /Х2

с= jlSx()dk / jSx(X)dk.

А| / А,

Колориметрические величины определяются расче­том из спектрального распределения излучения СД. К ним относятся: координаты цветности в соответст­вии с известными формулами [2.20], доминантная дли­на волны (точка пересечения линии монохроматиче­ских стимулов цветового локуса и прямой, проведен­ной через точку N для белого цвета Е с координатами цветност и Хр, У/. и точку, соответствующую координа­там цветности данного излучателя), чистота стимула ре — характеристика, определяемая из соотношения координат цветности излучателя, источника Е и доми­нантной длины волны СД. Наиболее востребованными характеристиками продукции на основе СД являются координаты цветности, а кристаллы специфицируются производителями, в основном, по доминантной длине волны. Поскольку все перечисленные характеристики, в основе определения которых лежат спектрорадиомет - рическис эксперименты, имеют существенную про­странственную зависимость, гониометры должны быть оспашены пе только фотометрической головкой, но и мипи-спектрометром [2.211.

Электрические характеристики и их измерения

Условия измерений при постоянном прямом токе: СД

обычно работает при прямом постоянном токе /п и по­стоянном прямом напряжении Uu, которое измеряется на контактах СД. Для повышения точности измерений рекомендуется использовать патрон с четырьмя кон­тактами. Это особенно важно при пропускании через прибор больших токов. Электрическая мощность, по­требляемая СД, составляет ФХ1 =UnI„. При малых то­ках поток излучения (световой поток) растет быстрее, чем электрическая мощность. При больших гоках на­ступает насыщение, которое, в основном, обусловлено наїревом кристалла внутри СД. Нормальной для изме­рений характеристик СД считается область токов в зоне до наступления насыщения ватг-(люмеп-)ампср - ной характеристики.

Постоянная электрическая мощность. Для большин­ства источников излучения наблюдается довольно строгая корреляция между световым потоком и потреб­ляемой электрической мощностью. Для СД такая кор­реляция не существует, так как при постоянном токе прямое напряжение уменьшается с ростом температу­ры окружающей среды. Стабилизация потребляемой мощности приводит к изменению температуры крис­талла и к изменению напряжения па СД, что вызывает дестабилизацию его оптических характеристик. Свето­вая (энергетическая) характеристика принимается по­стоянной, когда сс усредненное значение изменяется пе более чем на 1,5% в минуту [2.18].

Прямое напряжение

Падение напряжения, соответствующее прямому току, зависит от материала кристалла. Если рассматри­вать точку 20 мА как наиболее удовлетворяющую усло­вию отсутствия насыщения практически для всех изве­стных в настоящее время кристаллов, то типичные зна­чения прямого напряжения находятся в области от 1,2 В до 6,5 В. Прямое напряжение Uu является функ­цией прямого тока 1и и температуры перехода кристал­ла Тк.

В условиях стабилизированной температуры зави­симость между прямым напряжением и током в зоне между началом излучения и до области насыщения для всех полупроводниковых диодов близка к аппроксима­ции

сШп

: 10 В/А.

Если СД работает в режиме, соответствующем току /„0 и прямому напряжению Uuq, и с определенным дифференциальным сопротивлением в цепи

^и0 = / ДЛтіЬ

то вольт-амперная характеристика может быть аппрок­симирована выражением:

V п (^п) = ^п0Лі0 K*/u/u0)-М,

- У,1° -1. ^поЛіО J

2.3.6.2. Факторы, влияющие на характеристики СД

Зависимость прямого напряжения от температуры

Для большинства СД, работающих в условиях нор­мальной температуры окружающей среды, температур­ный коэффициент прямого напряжения при постоян­ном токе обычно находится в пределах:

dUn

= - 1,5 ... -2,5 [мВ/К|.

дП

При спецификации СД рекомендуется нормировать температуру окружающей среды 25°С. Температура кристалла при этом будет выше. Ее стабили зация будет зависеть от коэффициента теплопроводности материа­лов. использованных в компонентах СД. и от времен­ного режима работы излучателя.

Влияние температуры на оптические характеристики

Постоянная мощность, потребляемая СД, не явля­ется условием стабильности его излучательных характе­ристик. Влияние температуры будет сказываться, в за­висимости от типа кристалла, как на изменениях фор­мы спектралыюй характеристики, гак и на ее сдвигах в длинноволновую или коротковолновую часть спектра (рис. 2.18).

Для типовых светодиодов этот сдвиг составляет

=0,1 ... 0,3 |нм/К]. Спектральное распределение за-

01 к

висит от потребляемой мощности и температуры, и стабилизация прямого тока и температуры определяет наилучший полход в вопросе стабилизации энергетиче­ской эффективности и световой отдачи, непосредст­венно связанных со стабильностью спектрального рас­пределения излучения СД.

Фактор времени при измерениях излучательных характеристик СД

Во многих применениях СД используются в режи­мах импульсного, однократного, многократного или модулированного излучения. Излучательпые характе­ристики СД зависят от этих временных параметров ра­боты. Очень важно, приводя излучательный параметр, указывать временной режим его измерений.

При увеличении тока возрастают световая отдача и температура кристалла, которая, в свою очередь, влияет па световой (энергетический) параметр. В случае рабо­ты на модулированном гоке температура кристалла бу­дет также флуктуировать, и излучательный параметр будет другим в сравнении с условиями постоянного во времени питания СД. Таким образом, энергетический выход Г)^, который является отношением потока излу­чения Фе к потребляемой электрической мощности ФЭ1, зависит от тока даже в условиях работы СД в обла­сти между начальными токами и токами насыщения. В процессах промышленного контроля измерения вы­полняются за доли секунды при однократном режиме и методом сравнения с эталоном. Температура кристалла при этом не успевает достичь состояния измерений в постоянных условиях, так как теплопроводности крис­талла и корпуса слишком велики, чтобы достичь тем­пературы постоянного состояния, которому соответст­вует измеряемый излучательный параметр. Временные режимы СД при измерениях должны быть учтены. Для эталонных СД излучательные характеристики должны быть определены с учетом всех временных режимов из­лучения, находящих применение па практике.

2.3.6.3. Технические и эталонные измерения излучательных характеристик СД

Ряд зарубежных фирм являются лидерами в произ­водстве автоматизированных СИ, адаптированных к измереииям излучательных характеристик СД. При этом по применению СИ различаются на средства для
лабораторных исследований и процессе создания крис­таллов и СД для применения в промышленном массо­вом контроле.

В табл. 2.10 приведены наименования фирм и пред­лагаемые ими средства измерений.

Измерения усредненной силы света выполняются в стандартизованной геометрии А или В (см. 2.3.6.1) на установке «эталонный СД-фотометр». В качестве эта­лонных используются специально отобранные, иссле­дованные и стабилизированные СД. Они должны рабо­тать при постоянном токе и темперагуре кристалла, ис­кусственно установленной выше температуры, соответ­ствующей мощности, потребляемой при температуре окружающей среды 25°С. Если при использовании сис­темы нагрева имеется возможность измерения темпера­туры кристалла, то излучательные характеристики эта­лонного СД могут быть стабилизированы с использова­нием температурной зависимости прямого напряжения в качестве индикатора стабилизации требуемого выход­ного параметра [2.22]. Специально разработанные про­мышленные эталонные СД [Instruments System) имеют отдельный резистор или транзистор, установленный внутри корпуса для оптимизации термического контак­та между нагревателем и кристаллом. Калибровка эта­лонных СД должна выполняться национальными мет­рологическими центрами или лабораториями, связан­ными с такими центрами.