ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРОПУСКАНИЯ СВЕТОФИЛЬТРА.

Лабораторная работа №3.

1. Цель работы:

Практическое знакомство с методами и средствами измерения коэффициента пропускания и оптической плотности нейтральных светофильтров, нейтральных почернений фототехнических пленок.

1. Содержание работы:

На спектрофотометрической установке произвести измерения коэффициента спектрального пропускания нейтрального светофильтра. Из полученных данных определить оптическую плотность образца в различных областях спектра. Измерить оптическую плотность образца на денситометре

ДП-1. Сравнить полученные результаты измерений.

1. Теоретическая часть.

При взаимодействии потока оптического излучения Ф₀ (под оптическим диапазоном принято рассматривать электромагнитные излучения в диапазоне длин волн примерно от 100 нм (0,1 мкм) (далекий УФ) до 1000 000 нм (1000 мкм)(дальняя ИК область) с оптической средой возможны следующие его преобразования (или модификации): часть потока отражается - Ф_r , часть поглощается - Ф_a, часть проходит сквозь среду - Ф_t . Отношения этих частей к падающему потоку называются коэффициентами отражения r = Ф_r/ Ф₀, поглощения a = Ф_a/ Ф₀ и пропускания t = Ф_t /Ф₀. Поскольку речь идет о преобразованиях потока вне зависимости от длины волны, то эти коэффициенты называются интегральными оптическими коэффициентами.

Различают три типа данных коэффициентов.

Если в качестве падающего потока выступает световой поток (т.е. эффективный поток, оцениваемый приемником излучения, подобным по чувствительности человеческому глазу) то коэффициенты называются световыми (иногда –визуальными) и обозначаются как r_n, a_n, t_n (V(l) – обозначение относительной спектральной световой эффективности).

В случае модификации средой монохроматического излучения некоторой длины волны l, коэффициенты называются монохроматическими и обозначаются как r_l, a_l, t_l. И, наконец, существуют еще т.н. зональные коэффициенты, оценивающие преобразование падающего потока в трех зонах видимого спектра, условно называемых синей (С): Dl = 410-440 нм, зеленой (З): Dl = 500-570 нм и красной (К): Dl = 600-660 нм. В этом случае коэффициенты соответственно обозначаются как r_i, a_i, t_i, где i = к,з,с. Зональные коэффициенты используются при оценке степени преобразования оптического излучения цветными средами, используемыми при полиграфическом способе воспроизведения цвета. Во всех случаях сумма r + a + t = 1.

Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания в общем случае зависят не только от спектральных свойств материалов но и от спектрального состава падающего излучения

Оптические и световые коэффициенты совпадают друг с другом и со значениями для монохроматических излучений, если среда обладает неизбирательными модифицирующими свойствами по длинам волн. Такими свойствами обладают нейтрально-серые среды. Если среда окрашена, то оптические и световые коэффициенты не совпадают и зависят от состава падающего излучения.

Поглощение.

Процесс поглощения излучения в слое вещества l описывается законом Бугера-Ламберта (закон, строго говоря справедлив при определенных допущениях: среда должна быть гомогенной, прозрачной, удельный коэффициент поглощения не должен зависеть от длины волны и величины падающего потока), связывающий поглощение монохроматического излучения с толщиной слоя вещества:

Ф_t = Ф₀e^-αl (1)

На практике, для упрощения расчетов пользуются не натуральным, а десятичным показателем поглощения, используя выражение e^x = 10 ^0,434x:

Ф_t = Ф₀10^-0,434αl (2)

Таким образом коэффициент пропускания:

τ = Ф_t /Ф₀ = 10^-0,434αl = 10 ^-αl, (3)

где α^΄= 0,434 α. Видно, что если толщина слоя равна l = 1/α΄, то после прохождения этого слоя пучок излучения ослабляется в 10 раз (τ = 10^-1),(в случае использования натурального показателя, мы имели бы ослабление пучка в e = 2,718281828…раз). Показатель степени в выражении τ = 10^αl принято называть оптической плотностью слоя поглощающего вещества, и обозначается - D. В результате коэффициент пропускания τ = 10 ^-αl = 10 ^–D, или оптическая плотность

D = -αl = -lg τ = lg(1/τ). (4)

Итак среда,

- ослабляющая излучение в 10 раз (коэффициент пропускания τ = 0,1 или 10%) имеет оптическую плотность D = 1;

-ослабляющая излучение в 100 раз (коэффициент пропускания τ = 0,01 или 1%) имеет оптическую плотность D = 2;

-ослабляющая излучение в 1000 раз (коэффициент пропускания τ = 0,001 или 0,1%) имеет оптическую плотность D = 3;

и т.д.

(Интервалы оптических плотностей в соответствии с градационной шкалой в репродукционной фотографической технологии воспроизведения изображения в полиграфии условно разбиты на три области: света D = 0,1…0,4; средние тона (полутона) D = 0,4…1,2; и тени D = 1,2…2,0.)

В случае если имеется несколько слоев светопоглощающего вещества с коэффициентами пропускания τ₁, τ_2, τ₃ … τ_n , то для определения суммарного коэффициента пропускания можно использовать выражение: τ_Σ = 10^-(D₁^{+ D}₁^{+… D}_n⁾, т.е. D_Σ = D₁+D₂+…+D_n, откуда следует аддитивность оптических плотностей: при сложении оптических сред их оптические плотности складываются.

Все вышеизложенное справедливо для сред, состояние которых удовлетворяет условиям выполнимости закона Бугера-Ламберта и для монохроматического излучения. Однако эти выражения можно распространить и на область видимого диапазона, если модифицирующие свойства среды (как было отмечено выше) не зависят в этой области от длины волны, т.е. являются нейтрально-серыми, или нейтральными.

Пластины из оптических материалов, ослабляющих поток излучения (если коэффициент поглощения не зависит от λ) или изменяющих спектральный состав проходящего через них излучения (при зависимости коэффициента поглощения от λ) называются светофильтрами (нейтральными или цветными соответственно). В качестве светофильтров используются чаще всего оптические стекла*. Имеются специальные каталоги цветных стекол с нормированными характеристиками по τ(λ), которые содержат более 100 сортов (марок) оптического стекла. Эти стекла имеют маркировку в виде букв и цифр, которые определяют ориентировочно область спектра пропускания (например стекло марки ЗС – зеленое стекло или НС – нейтральное стекло) и степень пропускания (цифра, например НС-6).

* Оптические стекла регулируют пропускание излучений в основном видимого и ближних областей УФ и ИК диапазонов. Для длин волн короче 0,3 мкм и длиннее 30 мкм оптическое стекло становится практически непрозрачным. В этих областях спектра применяются специальные оптические материалы: кристаллы, сплавы и т.п.

 

 

1. Методика определения коэффициента пропускания τ(λ).

 

τ(λ) определяется как отношение потока излучения узкого спектрального диапазона Δλ, прошедшего через светофильтр Ф_t (λ) к потоку без светофильтра Ф₀ (λ):

τ(λ) = Ф_t (λ)/ Ф₀ (λ). (5)

Спектральный диапазон излучения выделяется монохроматором. Величина потока излучения оценивается по току в цепи приемника i(λ), поскольку токовый отклик приемника пропорционален падающему на него потоку излучения: i(λ) ~ Ф (λ).

В результате

τ(λ) = i_ф(λ)/ i₀(λ), (6)

 

где: i_ф(λ) – ток в цепи приемника при введенном светофильтре в пучок лучей,

i₀(λ) - ток в цепи приемника без светофильтра.

Примечание 1. Ввиду наличия рассеянного света, приемник излучения будет давать т.н. фоновый ток - i_фон, который необходимо вычитать из каждого из измерений, т.е.

τ(λ) = i_ф(λ)- i_фон / i₀(λ)- i_фон, (7)

 

i_{фон –} определяется в каждом цикле измерений, перекрытием потока излучения, идущим в установку.

Примечание 2. При падении потока излучения на светофильтр, кроме поглощения будет наблюдаться отражение его от двух поверхностей светофильтра. Коэффициент отражения ρ зависит от угла падения пучка лучей и возрастает с увеличением последнего (формула Френеля). Для нормального падения пучка лучей, идущего из воздуха формула Френеля приобретает вид: ρ = (n-1)²/(n+1)², где n – показатель преломления стекла (для оптических стекол, используемых в качестве светофильтров среднее значение n = 1,5). В результате, для одной поверхности стекла мы имеем ρ = 0,04 (или 4%). Учет отражения от двух поверхностей осуществляется введением поправки: (1-ρ)² = 0,92 в формулу (1), (2) или (3):

τ = Ф_t /Ф₀ = (1-ρ)² ·10^-0,434αl = (1-ρ)² ·10 ^–αl = 0,92 · 10 ^–αl (8)

 

Учет отражения Френеля при проведении измерений можно осуществить либо введением непоглощающего светофильтра (т.е. стекла с коэффициентом поглощения = 0(светофильтры марки БС –белое стекло)) при измерении сигнала i₀(λ) от приемника; либо компенсировать потери потока излучения, увеличив сигнал i_ф(λ): i_ф(λ) = i_ф^изм.(λ)/0,92, где i_ф^изм.(λ)- измеренный сигнал от приемника при введенном светофильтре.

 

 

1. Спектрофотометрическая установка.

Состав установки:

1. Источник излучения.
2. Контрольный прибор (вольтметр).
3. Объектив.
4. Монохроматор.
5. Конденсор.
6. Светофильтр.
7. Приемник излучения.
8. Измерительный прибор (микроамперметр).

 

Блок-схема установки.

 

 

 

 

1. Порядок выполнения работы.

1. Включить источник излучения. Установить необходимое напряжение питания по контрольному прибору.
2. При помощи объектива и конденсора отъюстировать установку так, чтобы: а)свет от источника равномерно освещал входную щель монохроматора, б)выходящий из выходной щели пучок монохроматического излучения равномерно освещал площадку приемника излучения.
3. Включить измерительный прибор, предварительно выставив максимальный предел измеряемого тока.
4. Переключать пределы измерительного прибора до появления уверенного отклонения стрелки прибора.
5. Обеспечить надлежащее затемнение частей установки для уменьшения посторонних фоновых засветок.
6. Сделать контрольную проверку правильности измерений, перекрыв непрозрачным экраном входную щель.
7. Начать проведение измерений.
8. Результаты измерений записать в таблицу:

 

Длина волны λ, нм

iфон

iф(λ)

i0(λ)

τ(λ)

Примечание

 

 

1. Построить график τ(λ) = f(λ).
2. Определить оптическую плотность измеренного светофильтра в трех зонах видимого спектра.
3. На денситометре ДП-1 измерить оптическую плотность при визуальном светофильтре.
4. Оформить отчет и сделать выводы по лабораторной работе.

 

Контрольные вопросы.

1. Какие длины волн включает оптический диапазон электромагнитного излучения?

2. Что такое коэффициент отражения, пропускания и поглощения?

3. Какие существуют виды коэффициентов?

4. Напишите выражение закона Бугера-Ламберта.

5. Что такое светофильтры?

6. Что такое оптическая плотность и как она связана с коэффициентом поглощения и

пропускания?

7. В чем смысл использования десятичного логарифма вместо натурального в выражении

для оптической плотности?

8. Какие значения оптических плотностей соответствуют делению на света, полутона и

тени в полиграфии?

10. Что такое монохроматор и каков принцип его работы?

11. Что такое отражение Френеля и как выглядит формула для коэффициента отражения

Френеля при нормальном падении потока на светофильтр?