А.И.Андреев, С.В.Мухин, В.В.Некрасов, В.А.Никитенко, А.В.Пауткина

Модульная многофункциональная оптоволоконная спектрометрическая система

Часть II

Практические лабораторные работы

Практические фоторадиометрические измерения

В настоящее время оптические методы исследования и контроля с использованием фотометрии и радиометрии нашли широкое применение в астрономии для исследования далёких звёзд, в биологии, медицине, сельском хозяйстве, аналитической химии и в технике отображения информации.

Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4.2.3.

Рис. 4.2.3 Примерный набор оборудования и приспособлений для исследования
                            фотометрических параметров излучающих объектов

Приборы и принадлежности:

1. Персональный компьютер с установленным программным обеспечением AvaSoft – 7.2;

2. Оптоволоконный спектрометр AvaSpec 2048- FT-2-SPU;

3. Стабилизированный источник питания  PS – 12VDC/1.25A;

4. Соединительный кабель питания НL – 2000;

5. Приспособление  для установки излучающего образца AvaSphere – LED – adapter;

6. Оптоволоконный кабель FS – IR600 - 2;

7. Интегрирующая сфера AvaSphere – 50 – IRRAD;

8. Излучающий образец для исследований (электролюминесцентный конденсатор, светоизлучающий диод);

Порядок сборки и запуска измерительной системы

1.                 Проверить и удостовериться, что все элементы установки, приборы и приспособления находятся в наличии и пригодны для выполнения работы.

2.                 Подготовить исследуемые образцы для измерений, с помощью соединительных проводов подсоединить к источнику электопитания, вставить в держатель и закрепить в интегрирующей сфере.

3.                 Собрать электрическую и оптическую схему для проведения экспериментальных измерений согласно рис. 4.2.3.

4.                 Включить тумблер электрического питания на панели блока розеток, после включения должна загореться сигнальная лампочка.

5.                 Включить тумблеры питания на блоке источников питания, блоке оптической обработки сигналов, нажать кнопку включения компьютера и подождать загрузки программного обеспечения. После загрузки программного обеспечения на экране появится изображение с пиктограммой AvaSoft-7.2.

6.                 Войти в программу AvaSoft, щёлкнув два раза по пиктограмме AvaSoft-7.2. В появившемся окне информации (рис. 4.2.4) нажать кнопку OK.

Рис. 4.2.4. Окно информации о готовности работы спектрометра.

7.                  Появляется главное окно основного меню программы (Рис. 4.2.5).

Рис. 4.2.5. Главное окно основного меню программы

Задание №1. Экспериментальное измерение спектра излучения

1.1.             После запуска программы AvaSoft щелкните кнопку Start в главном окне.

1.2.             Настройте параметры сглаживания в меню Setup для того, чтобы оптимизировать сглаживание для используемого диаметра световода или спектральной щели.

1.3.             Спектр излучения можно снимать или с помощью оптоволоконного зонда или с использованием интегрирующей сферы. Если спектр снимается с помощью зонда, то его нужно жёстко закрепить на источнике света. Обычно на экране сразу можно увидеть какой-то спектр, но, возможно, света будет или слишком много, или слишком мало при установленных настройках. То, что света слишком много означает, что в соответствующей спектральной области сигнал перегрузки выглядит как прямая линия на произвольной высоте, даже вблизи нуля. Эту проблему обычно можно решить выбором более короткого времени интегрирования. Время интегрирования может быть изменено в главном окне в белом боксе, расположенном ниже кнопки start/stop. Если AvaSoft накапливает данные, то кнопка start/stop выглядит как красная ‘stop’, а бокс времени интегрирования серый. Это означает, что оно не может быть изменено. После щелчка кнопки ‘stop’ поступление данных останавливается, и время интегрирования может быть изменено. Результат изменения времени интегрирования может быть виден после щелчка зеленой кнопки ‘start’. Попытайтесь настроить время интегрирования так, чтобы максимальная амплитуда во всей спектральной области была бы примерно 14000. Когда при минимальном времени интегрирования сигнал все равно слишком велик, используйте световод меньшего диаметра. Если в спектрометр поступает недостаточно света время интегрирования должно быть увеличено.

1.4.            После получения спектра, развёртка которого расположена на всё поле координатной сетки экрана, выключите исследуемый источник света. Теперь сохраните темновые (Dark) данные. Это делается при помощи File-Save Dark из меню или щелчком мыши на черном квадрате в левом верхнем углу экрана.

После сохранения или загрузки опорных темновых данных режим измерения излучения может быть выбран щелчком кнопки start/stop. После появления на экране спектра излучения нажать на кнопку stop.

Измерения Пика (Peak Measurements)

На рис. 4.2.6 показано типичное спектральное распределение энергии зеленого светоизлучающего диода (СИД).

Рис. 4.2.6. Спектральное распределение излучения зелёного светодиода.

Из этого спектра может быть рассчитано и получено некоторое количество параметров пика:

Полуширина пика (The Full Width Half Maximum) - это ширина (в нанометрах), для которой интенсивность больше, чем половина максимальной интенсивности этого пика.

Центральная длина волны (Center Wavelength). – это длина волны середины между длинами волн слева и справа, для которых интенсивность равна половине максимальной.

Длина волны Пика (Peak Wavelength) – длина волны максимума спектрального распределения энергии.

Длина волны центроиды (Centroid Wavelength) – длина волны, для которой полная спектральная энергия (интеграл) справа и слева одинаковы.

Для анализа полученного на экране спектра нажать на кнопку  в окне главного меню программы, на экране появляется визирная линия с помощью которой необходимо найти максимальную амплитуду в спектре излучения и определить длину волны, которая отображается на экране, рис. 4.2.6. Измерения повторить 10 раз. Результаты измерений занести в таблицу 4.2.1.

  Таблица 4.2.1. Результаты измерения длины волны при максимальной амплитуде.

1.5 Обработка результатов.

Рассчитать длину волны lB_махB, соответствующую максимальной интенсивности излучения для определённого исследуемого образца. Для этого для каждого исследуемого образца рассчитать среднюю величину длины волны с максимальной интенсивностью:

λB_ср.махB =   = (λB_1махB + λB_2махB + … + λB_10махB) / 10,    (9)

где ΔλB_iB – результат измерения с номером i, который в нашем случае изменяется от 1 до n; n – число измерений данной величины (в нашем случае n = 10).

Затем найти абсолютную погрешность каждого измерения по формуле:

ΔλB_iB = λB_i.махB – λB_ср.махB.                                          (10)

Нахождение доверительного интервала производится по формуле:

.                                (11)

Результат записать в виде: – длина волны, соответствующая максимальной энергии излучения равна среднему значению ± доверительный интервал.

Например, для образца № 1: λB_1махB=λB_{1ср.махB}±ΔλB_1B

Задание № 2. Определение координат цветности излучателя

После снятия спектральных характеристик можно опрелить координаты цветности, а также цветовую температуру исследуемого источника освещения, которые могут быть отражены в режиме реального времени, как это показано на рис. 4.2.7.

Рис. 4.2.7. Вид экрана монитора при цветовых измерениях излучателей

Из спектра излучения (в µWatt/cmP^2P) может быть вычислено большое количество световых параметров: колориметрических, фотометрических и радиометрических.

Ниже дается краткая информация о колориметрических, радиометрических и фотометрических параметрах и описана процедура определения доступных для измерения параметров.

Колориметрия (Colorimetry)

Цвет света может быть выражен хроматическими координатами x, y и z. Эти хроматические координаты получаются выбором отношений величин (X, Y и Z) к их сумме:

  (12)

Величины X,Y и Z рассчитываются как:

      (13)

где:

 = интенсивность излучения на длине волны λ,

,  – величины принятые МКО в 1931 и 1964 годах для стандартного наблюдателя под углом зрения 2 или 10 градусов соответственно на длине волны λ.

k = const = (1 / ∑yB_λB) = 0,00934           (14)

X, Y и Z и спектральное излучение рассчитываются для области длин волн от 380 нм до 780 нм, при величине интервала в 1 нм.

Международным комитетом по освещению (МКО) в1960г.принято, что  цветовые координаты u и v рассчитываются, как:

u = 4x / (-2x+12y+3)  и  v = 6y / (-2x+12y+3)       (15)

Для расчета цветовой температуры используется уравнение, которое является эмпирическим и имитирует излучатель абсолютно черного тела:

p = ((x-0.332) / (y-0.1858))                                (16)

Цветовая Температура (Color Temp)

TB_цвB =5520.33-(6823.3*p)+(3525*pP^2P)-(449*pP^3P).        (17)

При измерениях светоизлучающих диодов (СИД) и других излучающих объектов для описания цвета часто используется Основная Длина волны (Dominant Wavelength) и Спектральная Чистота (Purity) (также известные, как координаты (Helm Holz).

Основная длина волны может быть получена для измеренной точки образца S с хроматическими координатами цветности (S(x), S(y)). Для этого нужно провести прямую линию из середины хроматической диаграммы (ахроматическая точка E при x=y=0.333, точка белого цвета) и измеренную точку S(x,y) к краю хроматической диаграммы (линии локуса) на треугольнике цветности рис. 4.2.8.

Точка пересечения прямой проходящей через точки E и S со спектральной линией локуса соответствуют основной (доминантной) длине волны. Метод, описанный выше, пригоден для всех цветов, где основная длина волны, лежит в области от 380 до 699 нанометров. Если координаты x, y находятся в области треугольника, ограниченного точками E, A и B, то основная длина волны не может быть рассчитана, потому что точка пересечения прямой, проходящей через E и S между A и B не соответствует длине волны. В этом случае пользуются дополнительным способом и находят сопряжённую длину волны (Complementary) Dominant Wavelength (CDW). Линия из E в S(x,y) направляется в другую, (обратную) сторону, чтобы определить сопряжённую длину волны(CDW).

Рис. 4.2.8. К нахождению основной длины волны излучения.

Чистота цвета (Purity) – есть отношение расстояния от ахроматической точки (E) до точки образца (S), деленное на расстояние от точки S до точки пересечения прямой с линией локуса DW.

Чистота цвета (Purity) = (E–S) / (E–DW).

Задание №3.Радиометрические измерения (дополнительное задание)

Количественные значения радиометрических параметров могут быть сгруппированы в трех категориях и выражены в соответствующих абсолютных единицах измерения:

• Радиационный поток (Radiant) [мкВт]:– полная излучаемая источником энергия во всех направлениях. Наилучший способ измерять энергию, излученную источником, - проводить измерения с источником, помещенным внутрь интегрирующей сферы. Это часто делают при измерениях светоизлучающих диодов (СИД). Также возможно рассчитать поток от источника при измерениях излучения на поверхности диффузора (косинусный корректор или порт для образца интегрирующей сферы) на таком же расстоянии, что и до источника света. Важным предположением в этом расчете является то, что источник должен быть изотропным и расстояние между диффузором и источником должно быть в пять раз больше, чем наибольшее линейное расстояние источника (приближение точечного источника).

• Энергетическая Сила Света (Radiant Intensity) [мкВт/стер]: Энергетическая cила света – оптическая мощность в единичном телесном угле. Она используется для определения оптической мощности, излучаемой источником, в определенном направлении. Энергетическая сила света вычисляется по результатам измерений излучения умножением      на квадрат расстояния между источником и поверхностью диффузора. При этом предполагается, что источник является точечным.

• Поверхностная плотность потока излучения (Irradiance) [мкВт/смP^2P]: - используется для измерения мощности, получаемой поверхностью.

Радиометрические измерения могут быть выполнены двумя способами – с оптическим косинусным корректором или с интегрирующей сферой. Оба способа могут быть использованы для измерения спектра излучения от поверхности диффузора (косинусный излучатель или порт образца интегрирующей сферы) для того же расстояния, что и до источника света. В случае, когда измерения проводятся на том же расстоянии от источника, могут быть вычислены энергетическая cила cвета (Radiant Intensity) и световой поток (Flux), как было описано выше. Когда измеряемый источник находится внутри сферы, может быть измерен световой поток, но энергетическая сила света (radiant intensity) и поверхностная плотность (irradiance parameters) измерены быть не могут.

Радиометрические параметры, рассчитанные по распределению мощности (Radiometric parameters calculated from the power distribution).

Распределение мощности может быть легко преобразовано в распределение энергии (energy distribution) умножением мощности на время интегрирования. Результатом является величина анергии, которая была излучена или поступила за время одного цикла интегрирования. Другим радиометрическим параметром, который может быть рассчитан по спектру излучения, является число фотонов (number of photons), которое падает на поверхность.  Так как число фотонов на нанометр очень велико (даже при очень низких интенсивностях света), для удобства выражают число фотонов в молях (в нашем приложении в микромолях), используя для этого число Авогадро (NB_AB=6,02´10P^23P частиц) учитывая, что один микромоль (мкмоль) составляет 10P^-3P моля. Число фотонов на нанометр может быть рассчитано из зависимости энергии фотона от длины волны и из измеряемой абсолютной световой энергии. Распределение числа фотонов (мкмоль / с мP^2P нм) [µMol/(s.mP^2P.nm)] показывает поток фотонов, падающий на квадратный метр за секунду. Далее даются другие характеристики числа фотонов, которые могут быть рассчитаны:

• (мкмоль/с нм) [µMol/(s.nm)] поток фотонов, получаемый поверхностью диффузора за секунду;

• (мкмоль/мP^2P нм) [µMol/( mP^{2 P}nm)] фотоны, падающие на квадратный метр за один цикл интегрирования

• (мкмоль/нм) [µMol/nm] фотоны, падающие на поверхность диффузора за один цикл интегрирования.

Порядок выполнения работы.

Имеется два способа контроля радиометрических параметров.

Первый способ контроля – посредством выбора (назначения) до десяти различных параметров или участков длин волн в радиометрическом боксе окна chart window рис 4.2.9.

Рис. 4.2.9 Таблица (бокс) выбора радиометрических параметров.

Второй способ контроля – посредством выбора радиометрического параметра на графике, после чего для этого параметра будет показан спектр (см. рис. 4.2.10.).

Рис. 4.2.10. Выбор радиометрического параметра с помощью графика.

Для выбора выходного параметра на одной или десяти строках в радиометрическом боксе нужно просто дважды щелкнуть на строке, или в окошке сверху ввести номер строки. Появится диалог, в котором радиометрический параметр и область длин волн можно уточнить. Область длин волн, это спектральный диапазон, по которому радиометрические выходные данные будут проинтегрированы. Например, точным определением UV-C для источника типа “C”, UV-B для источника типа “B”и UV-A для источника типа “A” областей длин волн на трех различных строчках излучение в этих трех спектральных диапазонах может быть измерено одновременно (предполагая, что область длин волн спектрометра включает в себя эти три выбранных участка и для этих участков была сделана калибровка). Заметьте, что достижимые параметры зависят от настроек в установочном диалоге irradiance chart. Например, для того, чтобы иметь возможность измерять энергетическую силу света “radiant intensity, должна быть использована опция “Calculate Power and/or Energy emitted by a source”.

Цветовая диаграмма используется для визуализации данных колориметрических измерений. В соответствие с тем, что было выбрано в установочном диалоге irradiance chart, будет показано геометрическое место точек стандартного наблюдателя для 2 или 10 градусов. Измеренные координаты (x,y) будут высвечены на диаграмме. Затем можно  провести линию из ахроматической точки (x=y=1/3) через измеренную точку S(x,y) до пересечения с линией локуса диаграммы треугольника цветности, (пересечение) которого соответствует доминантной длине волны. График данных счета показывает необработанные данные A/D счета, которые поступают со спектрометра. Этот график может быть использован для того, чтобы определить, оптимальное ли время интегрирования было выставлено. Если время интегрирования слишком мало, то радиометрический спектр будет в шумах, если оно слишком велико, то детектор спектрометра может быть насыщен и в этом случае в Scope Data Graph появится табличка с сообщением о насыщении.

Радиометрический график рис. 4.2.11. показывает спектр для выбранного радиометрического параметра.

Точно так же, как и при выборе радиометрического параметра в радиометрическом боксе, доступные для измерения параметры зависят от установок в диалоге irradiance chart. На рисунке 4.2.11 измеряется светоизлучающий диод, помещенный внутрь интегрирующей сферы, - случай, при котором могут быть выбраны только излученная мощность в мкВт (Radiant Flux) и излученная энергия за один цикл интегрирования (в мкДж). Выбранный параметр на радиометрическом графике используется также для определения пиков.

Радиометрический спектр может быть сохранен и загружен кнопками “Save” и “Open Saved Graph”(см. ниже линейку кнопок).

Линейка кнопок (Button bar)

Кнопка Exit закроет irradiance chart и вернет главное окно AvaSoft.

Кнопка Pause остановит обработку данных, чтобы дать возможность сделать

моментальный снимок спектра и/или выходных параметров.

Кнопка Info показывает информацию о текущих установках, как показано на рис. 4.2.12:

Последняя строка в этом диалоге: “Save irradiance spectrum?:

Если выбирается эта опция, то затем все параметры (которые показаны) будут сохранены, в данном примере, в файле irrchart2.txt и спектр для выбранного на радиометрическом графике параметра будет сохранен в irrchart2xxxx.irr, где xxxx представляет порядковый номер. Если опция “Save irradiance spectrum” не выполнена, то будут сохранены только показанные выходные параметры.

Щелчок кнопки save data (справа от черной) добавит измеренные данные к текстовому файлу. К сохраненным данным может быть добавлен комментарий пользователя. Если радиометрический спектр был сохранен с выходными параметрами, то имя этого файла также сохраняется в текстовом файле.

Контрольные вопросы

1.                 Какие величины измеряются в радиометрии электромагнитных волн?

2.                 Как называется зависимость чувствительности человеческого глаза к оптическим излучениям различных длин волн?

3.                 Что называется ламбертовским излучателем света?

4.                 Назовите основные единицы измерения при фотометрии?

5.                 Как связаны между собой такие единицы измерения как нанометр и ангстрем?

6.                 Как выглядит график зависимости энергии фотонов от длины волны?

7.                 Что называется локусом спектрально чистых цветов?

Список литературы

1.                 Мешков В. В., Матвеев А. Б. Основы светотехники. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 431 с.

2.                 Техника систем индикации. / Перевод с англ. Под ред. Шеманина А. Н и Иванова Н. И.. -М: Изд. «Мир»,1970. – 520 с.

3.                 Крашение пластмасс. / Пер. с нем. Под ред. Парамонковой Т. А.. - Ленинград: Изд. “Химия” 1980.– 319 с.

4.                 Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.А. Основы оптики. – С.Петербург: Техническая книга, 2006. – 336 с.