ПРИБОР СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ СВЕТА И ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИН ВОЛН
INSTRUMENT OF LIGHT SPECTRAL DECOMPOSITION AND LIGHT WAVELENGTH MEASUREMENT

Изобретение относится к области физической оптики, в частности - к устройствам для исследования источников света оптическими методами, и может быть использовано для определения качества спектра электрических ламп.
Известно устройство для оптической спектроскопии материалов (RU 2290625, МПК G01N 21/47), содержащее источник оптического излучения, монохроматор в виде набора светофильтров, кювету для размещения исследуемого материала, фотоэлектрический преобразователь, усилитель и регистрирующий прибор.
6
Известен спектроскоп (RU 2069323, МПК G01J 3/18), состоящий из канала излучения, включающего оптически связанные входную щель, вогнутое сферическое зеркало, плоскую дифракционную решетку, выходное окно, и канала шкалы, включающего шкалу длин волн, плоское зеркало, вогнутое сферическое зеркало, которое через зону прозрачности плоской дифракционной решетки оптически связано с выходным окном.
Недостатками данных устройств являются громоздкость, сложность настройки, а также сложная схема, что снижает ее надежность.
Известен также спектральный прибор с продольным разложением света в спектр, принятый за прототип (RU 2359239, МПК G01J 3/22, опубл. 20.06.09), содержащий канал излучения, плоское зеркало, диспергирующий элемент, в качестве диспергирующего элемента используется компакт-диск, на котором при помощи маски сохранена узкая кольцевая щель, при этом зеркальная поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света, введен светочувствительный датчик с шаговым приводом или линейка фотодиодов.
Недостатком указанного прибора является невозможность непосредственно наблюдать спектр излучения с целью определения его качества, громоздкость и неудобство проведения измерений.
Задачей данного изобретения является создание легкого, компактного и удобного спектрального прибора, с помощью которого можно наблюдать спектр излучения.
Это достигается тем, что в предлагаемом приборе спектрального разложения света и измерения длин волн, состоящего из непрозрачного корпуса и диспергирующего элемента, в качестве которого применен компакт-диск, установленный внутри корпуса, отличающегося от прототипа тем, что для регистрации спектра излучения использован расположенный вне корпуса цифровой фотоаппарат, к экрану которого прикреплена шкала измерения длин световых волн, объектив фотоаппарата вставлен в прикрепленную к внутренней стенке корпуса трубку, внутренний диаметр которой соответствует внешнему диаметру объектива, через отверстие, выполненное в передней стенке корпуса; слева от отверстия расположен канал излучения в виде щели, а в качестве диспергирующего элемента использован фрагмент компакт-диска, вырезанный перпендикулярно направлению дорожек диска, шириной не менее высоты канала излучения и прикрепленный к противоположной стороне корпуса перпендикулярно трубке с объективом.
Использование фрагмента вместо целого диска позволяет уменьшить габариты прибора, а применение его в качестве отражательной дифракционной решетки - разложить свет в спектр, поскольку ширина зеркальных дорожек соизмерима с длиной волны видимого света. Положение фрагмента выбирается так, чтобы ширина спектра и входного отверстия объектива фотоаппарата были равны.
Применение цифрового фотоаппарата удобно для исследователя, т.к. позволяет производить регистрацию спектра быстро. На экран фотоаппарата наложена шкала длин волн, положение которой можно изменять при настройке прибора. За счет экрана в задней части фотоаппарата можно не только измерять длины волн спектральных составляющих излучения, но и непосредственно видеть полученное фотографическое изображение спектра излучения. Положение цветов на экране фотоаппарата зависит от длины волны, а интенсивность света в этих местах пропорциональна интенсивности исследуемого излучения на соответствующих длинах волн. Затем, перенеся полученное фотографическое изображение в компьютер, можно детально рассмотреть спектр излучения исследуемого источника света. Наличие фотоаппарата в составе предлагаемого прибора упрощает конструкцию, т.к. в отличие от прототипа, в данном приборе светочувствительный датчик, регулятор и индикатор его положения, а также усилитель сигнала заменены одним элементом.
Применение щели позволяет получить канал излучения, по которому будет идти свет только от исследуемого источника.
Трубка внутри корпуса предназначена для исключения световых помех при съемке.
В результате проведенного поиска по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, обладающие аналогичной совокупностью существенных признаков и дающие такой же положительный эффект, что указывает на соответствие изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлена схема прибора спектрального разложения света и измерения длин волн (вид сверху).
На фиг.2 представлен спектр излучения белого светодиода, с помощью которого осуществляется настройка фотоаппарата.
На фиг.3 представлена настройка фотоаппарата по спектру излучения эталонного светодиода.
На фиг.4 представлены фотографии спектров исследуемых компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) теплого белого (а) и холодного белого (б) света и измерение длин волн частей их спектров излучения (в).
Спектральный диапазон предлагаемого прибора составляет 420-700 нм, что достаточно для определения длин волн с помощью фотоаппарата.
Прибор спектрального разложения света и измерения длин волн (фиг.1) состоит из непрозрачного корпуса и диспергирующего элемента, в качестве которого применен компакт-диск, установленный внутри корпуса. Для регистрации спектра излучения использован расположенный вне корпуса цифровой фотоаппарат 6, к экрану 7 которого прикреплена шкала измерения длин световых волн, объектив 5 фотоаппарата вставлен в прикрепленную к внутренней стенке корпуса трубку 4, внутренний диаметр которой соответствует внешнему диаметру объектива, через отверстие, выполненное в передней стенке корпуса; слева от отверстия расположен канал излучения в виде щели 2, а в качестве диспергирующего элемента использован фрагмент диска 3, вырезанный перпендикулярно направлению дорожек диска, шириной не менее высоты канала излучения и прикрепленный к противоположной стороне корпуса перпендикулярно трубке с объективом.
Прибор работает следующим образом (фиг.1). Излучение исследуемого источника света 1 попадает через щель 2 на зеркальные дорожки фрагмента компакт-диска 3 и отражается от них под разными углами, зависящими от длины волны. Отраженное спектральное излучение попадает через трубку 4, в объектив 5 фотоаппарата 6, и изображение спектра выводится на экран 7. Длина волны части спектра излучения определяется по шкале.
В спектре белого светодиода распределение энергии излучения по разным участкам неравномерно (Айзенберг Ю.Б. Справочная книга по светотехнике. - М.: Знак, 2006, - 972 с.: ил.). В спектре белого светодиода можно выделить несколько опорных точек для настройки фотоаппарата (фиг.2): это максимум интенсивности излучения (8) на длине около 440 нм, минимум интенсивности излучения (9) (провал) на длине около 490 нм и спад интенсивности излучения (10) на длине 600 нм.
При настройке фотоаппарата на полученное изображение спектра эталонного белого светодиода накладывается шкала для определения длин волн опорных точек.
Результаты измерений представляются графически при фоторегистрации изображений.
Предложенный прибор спектрального разложения света и измерения длин волн позволяет с высокой степенью точности исследовать характеристики спектра излучения.
В настоящее время лампы накаливания постепенно заменяют на энергосберегающие. Это могут быть светодиодные лампы, КЛЛ, индукционные лампы и т.д. При выборе энергосберегающей лампы необходимо обратить внимание не только на ее энергоэффективность, но и на безопасность использования, одним из условий которой является состав спектра излучения лампы. Свет лампы не может быстро нанести вред здоровью, но может вызвать искажение цветопередачи, что влечет повышенную утомляемость глаз и мозга, т.к. приходится на основании опыта достраивать цветовую картину. Обман глаза в следующем: линейчатый спектр - это отсутствие длины волны каких-то цветов. То есть попадая на любую поверхность, свет отражается не во всем диапазоне.
С помощью данного прибора можно быстро получить фотографию спектра любой лампы, даже при покупке. Кроме того, с течением времени из-за деградации люминофора или по другим причинам состав спектра может изменяться, тогда по фотографиям спектра излучения лампы можно судить о возможных его изменениях.
Осуществленные описанным способом фоторегистрации спектров исследуемых КЛЛ холодного белого (а) и теплого белого (б) света приведены на фиг.4. На ней видно, что, хотя мы видим белый свет, лампа одновременно излучает лишь три цвета с разной интенсивностью. В спектре есть участки, где излучение полностью отсутствует. На основании этого можно сделать вывод о том, что КЛЛ имеет плохой спектр излучения.
Прибор, предлагаемый в данном изобретении, был реализован и проверен экспериментально. Работоспособность указанного прибора была подтверждена.
С помощью данного прибора также можно получить фотографии спектров излучения горящих тел - от спички до газового резака.