Приборное и методическое обеспечение измерений спектральных и спектрозональных характеристик источников оптического излучения

ПРИБОРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ И СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

В.Н. Кузьмин

Излучение источника как объект измерения можно охарактеризовать неким набором физических величин или их совокупностью. К основным величинам можно отнести:

• спектр излучения (спектральный состав излучения);

• интенсивность излучения - поток излучения (лучистый поток);

• эффективный поток излучения.

Выбор критериев для оценки характеристик источников оптического излучения вытекает из поставленных задач. Измерение характеристик источника в широкой области спектра используется достаточно редко. Как правило, оценка производится в конкретном спектральном диапазоне. При этом источник оценивается по уровню реакции приемника, спектральная характеристика которого строго определена, т.е. эффективной величиной.

Наиболее распространенными на сегодняшний день являются три системы эффективных величин: световая, бактерицидная и эритемная.

В световой системе спектральная характеристика измерительного приемника соответствует относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения У(Х), или кривым, спектральные чувствительности которых подобны х(^), у(^), - координатам цвета монохроматического излучения единичной

мощности [1].

При измерении параметров ультрафиолетового оптического излучения применяется система эффективных и энергетических величин.

Измерение потоков излучения в эффективных единицах до сих пор является дискуссионным из-за большого количества эффективностей и разночтением некоторых авторов в их табулированных значениях. В связи с этим наиболее распространена система энергетических величин.

Спектрозональные оценки излучения источников предполагает использование фотоприемников с заданной спектральной характеристикой, что является достаточно сложной технической задачей.

При другом, альтернативном методе с помощью спектральной аппаратуры определяют спектральное распределение потока излучения в относительных единицах Фед(^) измеряемого источника света с последующим расчетом необходимых величин. Спектрофотометрический метод позволяет теоретически получить высокую точность, так как отпадает необходимость в коррекции спектральной характеристики приемников излучения, а все необходимые величины находятся расчетным путем.

Под непосредственным научным руководством автора были разработаны приборы по определению характеристик источников оптического излучения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В приборах были реализованы оба вышеприведенных метода и проведен сравнительный анализ их метрологических характеристик.

Прибор «ТКА - ИЦТ» предназначен для измерения координат цветности источников излучения, коррелированной цветовой температуры, яркости протяженных самосветящихся источников и освещенности, создаваемой источниками, произвольно расположенными относительно измеряемой плоскости.

Фотоприемное устройство состоит из нескольких фотоприемников, спектральные характеристики которых с помощью светофильтров корригированы под кривые сложения х1(^), х2(к), у(к), г(Х). Для коррекции пространственной характеристики при

работе в режиме люксметра используется молочное стекло, установленное перед фотоприемниками. При измерении яркости протяженных, самосветящихся объектов пространственная характеристика формируется навинчивающимся тубусом, геометрические размеры которого определены решаемыми задачами (рис. 1).

Рис. 1. Устройство ФПУ колориметра «ТКА - ИЦТ»

Сигналы с ФПУ подаются на предварительный усилитель, где происходит одновременно с усилением сигналов и их масштабирование. Усиленные сигналы постоянного тока подаются на входы АЦП для преобразования в цифровую форму. Цифровые сигналы с выходов АЦП подаются в микропроцессор для дальнейшей обработки.

Программное обеспечение позволяет представлять результаты измерений в необходимой форме для вывода их на дисплей прибора и на персональный компьютер. Технические характеристики колориметра приведены в таблице.

Измеряемый параметр Диапазон измерения Погрешность

Освещенность, лк 10 - 200 000 3 %

Яркость, кд/м 10 - 20 000 5 %

Координаты цветности, х,у х,у 0,5 %

Коррелированная цветовая 1500 - 20 000 5 %

температура, К

Таблица. Технические характеристики колориметра

Спектрофотоколориметр «ТКА ВД» предназначен для определения спектрального состава источника оптического излучения с последующим вычислением цветовых координат в выбранной системе координат.

ТКА-ВД Ц

\ л

Рис. 2. Спектрофотоколориметр «ТКА - ВД»

Оптическая схема спектрофотоколориметра представлена на рис. 3.

Рис. 3. Оптическая схема спектрофотоколориметра «ТКА - ВД»: 1 - дифракционная решетка, 2 - входная щель, 3 - фотодиодная линейка

Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на дифракционной решетке с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Рабочий спектральный диапазон прибора составляет 390-740 нм. Диапазон линейности сигналов достигает шести порядков. В зависимости от конфигурации входного устройства прибор работает как в режиме яркомера, так и в режиме измерения освещенности. Обратная линейная дисперсия составляет 49 нм/мм.

Фотоэлектрические колориметры надежны в эксплуатации, достаточно просты в изготовлении. Недостатком же способа является трудность коррекции фотоприемника под заданную эффективную чувствительность и невозможность обойти явление метамеризма.

Недостатком второго способа является техническая трудность реализации измерительного прибора. В то же время нужно заметить, что знание спектрального состава исследуемого источника оптического излучения позволяет решить практически все колориметрические задачи, стоящие перед исследователем. Современные методы обработки информации дают возможность смоделировать с достаточной точностью любые эффективные спектральные характеристики приемников. При этом основная нагрузка по метрологическому обеспечению цветовых измерений ложится на точность измерения спектральной характеристики спектрофотоколориметра в целом. Градуировку можно произвести с помощью источника с известным спектральным распределением или чисто спектрофотометрическим методом. В этом случае появляется возможность реализации поверочной схемы для средств измерений координат цвета и цветности, основанной на измерении спектральной чувствительности фотоприемника.

Разделение УФ излучения на зоны А, В, С предполагает использование фотометров с П-образной спектральной характеристикой фотоприемных устройств, что является очень сложной технической задачей. Практически невозможно произвести коррекцию спектральной чувствительности единичного фотоприемника с помощью цветных светофильтров в любой из зон под П-образный вид. Так, например, ведущие фирмы мирового уровня выпускают Уф радиометры со спектральными характеристиками, вид которых очень далек от П-образных.

Погрешность таких приборов, определяемая коррекцией спектральной характеристики ФПУ, как правило, имеет значение порядка 10 %. Так, например, при суммарной погрешности измерения энергетической освещенности серийно выпускаемым УФ радиометром «ТКА-АВС», равной 17 %, основной вклад вносит погрешность коррекции, составляющая 10 %. Погрешность коррекции ФПУ для измерения эффективных величин гораздо меньше и находится в пределах 3-5 %. Однако использование эффективных величин тормозит отсутствие нормативной базы на уровне ГОСТов. Думается, что требуется предпринять энергичные усилия по решению этого вопроса.

СМиосЕсгалЕныв спнвпральныв караЕгергнлнки приборов ришины:: фирм.

- ТЕА А

-Агэиг А

-й-Апдиг В

- -х- - АТЬАЗ

--На§рйг

—•-Ь&осйтшп

-1-ТКАВ

---Екес-7б0

ДЛИН! еопнш, ш.

В целом же напрашивается мысль о необходимости перехода в ряде случаев на принципиально новые методы построения приборов для измерения интегральных параметров источников ультрафиолетового излучения в силу рассмотренных выше причин.

НТП «ТКА» развивает новое поколение измерительных приборов, основанных на измерении спектральных характеристик источников УФ излучения с последующим расчетом их интегральных характеристик в выбранной системе единиц.

На рис. 4 показана принципиальная оптическая схема опытного макета нового УФ радиометра. В качестве диспергируещего элемента используется дифракционная решетка, а приемника - ОаР фотодиодная линейка. Так называемая косинусная насадка, формирующая пространственную чувствительность ФПУ, выполнена в виде алюминиевого шара. При этом освещенность внутренней поверхности шара не зависит от угла падения излучения во входное отверстие, т.е. фотометрическое тело, описанное концами вектора падающего излучения, соответствует закону косинуса.

Рис. 4. Оптическая схема нового УФ радиометра

Исследовательские работы в данном направлении кажутся нам наиболее перспективными, так как появляется возможность решить корректно ряд задач измерения зонального УФ излучения спектральным способом с заданными погрешностями.

Литература

1. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М.:Мир, 1978.

2. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1968.

3. ГОСТ 8.205 - 90 Государственная поверочная схема для средств измерения координат цвета и цветности.