| |
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
Исследование фотометрических параметров светоизлучающих диодов
Цель работы:
- практическое освоение методики экспериментального определения фотометрических параметров источников света (на примере светоизлучающих диодов) на автоматизированном оптоволоконном спектрометрическом оборудовании;
- освоение принципов измерений спектральных характеристик излучения, определение длин волн максимальной интенсивности и полуширины пиков излучения;
- освоение принципов количественных радиометрических измерений.
Введение
Фотометрия – раздел физической оптики, в котором рассматриваются TэнергетическиеT характеристики Tоптического излученияT (испускаемого TисточникамиT, распространяющегося в различных средах и взаимодействующего с веществом). При этом TэнергияT электромагнитных TколебанийT оптического TдиапазонаT усредняется по малым TинтерваламT времени, которые, однако, значительно превышают период рассматриваемых оптических колебаний. Фотометрия охватывает как экспериментальные методы и Tсредства измеренийT Tфотометрических величинT, так и относящиеся к этим TвеличинамT теоретические TположенияT и расчёты. Основным TэнергетическимT понятием фотометрии является поток излучения Ф, имеющий физический смысл средней TмощностиT, переносимой электромагнитным TизлучениемT. Пространственное TраспределениеT Ф описывается Tэнергетическими фотометрическими величинамиT, производными от потока TизлученияT по площади и (или) Tтелесному углуT. Световые величины – это фотометрические величины, обычно приведёTнныеT в соответствие со Tспектральной чувствительностьюT среднестатистического человеческого глаза (важнейшего для человека Tприёмника светаT) адаптированного на дневное освещение. Изучение зависимостей фотометрических величин от длины волны TизлученияT и Tспектральных плотностейT TэнергетическихT величин составляет предмет спектрофотометрии и, если шире, спектрорадиометрии.
Точная фотометрия излучательных устройств и последующая правильная интерпретация получаемых результатов обычно представляют собой достаточно сложную задачу и требуют от исследователя большой изобретательности и терпения. Рассматриваемые здесь величины так многочисленны и тесно связаны между собой, что неопытный исследователь легко может впасть в заблуждение даже при использовании хороших измерительных приборов. Большое число единиц измерения, встречающихся в литературе, представляет значительные трудности также из-за того, что в практических измерениях разные исследователи используют как метрическую, так и английскую системы единиц.
Для дальнейшего весьма существенно понять разницу между радиометрией и фотометрией. Радиометрия представляет собой методику количественного измерения потоков электромагнитного излучения, в частности в спектральном диапазоне от радиоволн до рентгеновских лучей. При этих измерениях в основном используются энергетические единицы. Единицы энергии излучения измеряются в Джоулях, мощность потока излучения в Ваттах, поверхностная плотность потока излучения (облучённость) в ВТ/смP2P и так далее. К радиометрическим световым единицам относится также и световой поток, выражаемый в люменах, освещённость – в люксах или люменах на квадратный метр и т.д. Переход от световых единиц к энергетическим приведён разделе 1.7. (глава 1 Части I настоящего пособия). Хотя исторически фотометрия сложилась первой, в настоящее время она рассматривается как отдельная область радиометрии, в которой характеристика устройства, измеряющего излучения (обычно называемого чувствительным элементом), зависит от длины волны измеряемого излучения некоторым четко определенным образом. Визуальная (субъективная) фотометрия имеет дело со сравнительно узкой областью электромагнитного спектра, в котором заключены излучения с длинами волн от 3.8•10P-7P м до 7.6•10P-7P м. В настоящее время наиболее часто используемая единица длины световой волны называется «нанометр» (нм), который равен 10P-9P м. Видимая область спектра, выраженная в этих единицах, простирается в этом случае от 380 нм (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет). Выражают длины волн и в ангстремах (Å) (1Å=10P-10P м или 0,1 нм). Видимая область спектра, выраженная в ангстремах, лежит в пределах от 3800 Å до 7600 Å. Видимым этот диапазон назван потому, что за его пределами (в области рентгеновских лучей, в ультрафиолетовом и в инфракрасном диапазонах) визуальная фотометрия простым человеческим глазом невозможна.
Довольно часто при измерениях в видимой области спектра, если хотят получить достаточно четкие ответы при решении проблем зрительного восприятия, необходимо, чтобы чувствительный элемент имел спектральную характеристику, соответствующую определенным стандартам фотометрии. Такая, точно определенная, спектральная характеристика чувствительного элемента называется «функцией видности» глазаP Pили «функцией спектральной чувствительности». В отчете Международной комиссии по освещению (МКО) этот термин был заменен термином «функция спектральной световой эффективности», которая обозначается и записывается как V(λ).
Весьма важным, ограничивающим фотометрическую точность фактором является степень соответствия спектральной характеристики чувствительного элемента заданной характеристике, соответствующей «функции спектральной чувствительности».
Так, например, ватты (Вт) можно количественно связать с фотометрическими единицами только при заданной длине волны. Например, в области максимума чувствительности среднестатистического человеческого глаза к дневному свету, которая находится вблизи волны длиной 555 нм, коэффициент перевода составляет 680 лм/вт, где люмен (лм) – единица измерения светового потока. По мере удаления по спектру от этой соответствующей зеленому цвету области в любую из сторон глаз становится все менее и менее чувствительным, так что каждый Ватт энергии оказывает на него все меньшее и меньшее воздействие, пока в пределе зрительное ощущение не исчезает совершенно. Число фотонов, приходящихся на люмен, также зависит от длины волны, однако иным образом, поскольку «синие» фотоны обладают большей энергией, чем «красные».
Рис. 4.2.1 иллюстрирует соотношения, с помощью которых излучённую оптическую энергию можно скоррелировать с кривой видности человеческого зрения и оценить число световых квантов (фотонов) на ватт или ватт на люмен в любой точке видимого диапазона.
Рис. 4.2.1. Взаимосвязь между длиной волны, энергией и люменами.
Функция видности человеческого глаза, принятая теперь официально во всех странах, представляет собой результат усреднения данных нескольких исследователей. Эти данные были получены различными, не всегда эквивалентными путями. Глаза отдельных наблюдателей могут несколько отличаться друг от друга. В связи с этим идеальный объективный фотометр (чувствительный элемент, имеющий функцию спектральной чувствительности, идентичную по форме функции видности глаза может и не дать в точности то же самое значение для отношения интенсивностей двух спектрально различных источников, что и конкретный человек-наблюдатель, использующий свой глаз в качестве нуль-индикатора в визуальном фотометре. Это обстоятельство, однако, в общем случае не вызывает затруднений, поскольку действительное назначение системы фотометрических единиц и заключается в том, чтобы обеспечить твердый физический базис для количественных измерений. Некоторая несогласованность системы с каждым отдельным наблюдателем определяется индивидуальными различиями зрительного аппарата у разных людей.
Механический эквивалент света равный 1/680 вт/лм. представляет собой масштабный коэффициент, посредством умножения на который нормируются функция видности и функция спектральной интенсивности излучения стандартного излучателя. Чаще всего функция видности изображается в линейном масштабе (по оси ординат). На рис. 4.2.2 она представлена для среднестатистического глаза адаптированного на дневное и ночное освещение. Эта функция называется функцией относительной видности глаза. На приведённом рисунке она показана для глаза, адаптированного на дневное освещение (сплошная кривая) и на ночное освещение (пунктирная кривая). Обе кривые нормированы по максимумам к 100%.
Рис. 4.2.2. Чувствительность человеческого глаза к оптическому излучению
различных длин волн.
Исторически первоначально при фотометрических измерениях чувствительным элементом служил человеческий глаз. Для выполнения таких измерений было создано большое число различных устройств. Однако общей чертой всех этих устройств является то, что в них глаз и мозг наблюдателя используются в качестве нуль-индикатора правильности установки некоторой шкалы или измерителя. Даже при работе с невизуальными чувствительными элементами, такими, как фотографическая эмульсия и телевизионные устройства, существует широко распространенная тенденция к использованию привычных фотометрических единиц, основанных на свойствах человеческого глаза. Хотя часто и утверждают, что в этом случае возникает путаница в единицах измерения и вся система единиц оказывается непригодной, подобные мнения обычно проистекают от недопонимания простоты основных положений, лежащих в основе фотометрических единиц измерения. Рассмотрим подробно существо этих единиц.
Сила света. Основной единицей, из которой в дальнейшем выводятся все остальные световые единицы, является единица силы света - свеча. Свеча определяется как 1/60 фотометрической силы света с 1 смP2 Pповерхности абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины и наблюдении излучения в направлении, нормальном к излучающей поверхности.
Платина затвердевает при температуре 2046,5К. Эта температура носит название фотометрической стандартной цветовой температуры.
По самому определению стандарты любых единиц должны быть такими, чтобы их легко могли понять и воспроизвести работники любой области науки или промышленности во всех частях света. Хотя этот стандарт и обладает подобным достоинством, в технической практике обычно изготовляют и используют вторичные стандарты — в форме вольфрамовых ламп накаливания. Сила света такого стандарта должна наблюдаться вполне определенным образом. Требование наблюдения по нормали к поверхности подразумевает в неявной форме изотропность потока излучения, что немедленно приводит к определению единицы светового потока — люмена.
Световой поток. Все вопросы, связанные с определением световых величин, просто решаются в том случае, когда источник излучает свет равномерно во всех направлениях. Такой источник называется изотропным, а примером может служить раскалённый металлический шарик. Изотропный источник излучения с силой света I св излучает I лм светового потока в каждом стерадиане телесного угла. Таким образом, источник с силой света I св излучает световой поток 4πI лм.
Анизотропные излучатели. В действительности большинство излучателей света неизотропно или анизотропно, поэтому требуется очень большая осторожность при использовании и измерении характеристик стандартных источников, а также и любых других источников излучения.
Пусть мощность лучистой энергии, приходящейся на телесный угол ω, равна Ф лм, а сила света источника составляет I св (предполагается изотропность излучения), тогда
I = Ф/Ω св (1)
Эту величину весьма часто называют силой света в данном направлении. У большинства реальных источников сила света в данном направлении изменяется с изменением направления весьма сильно и характер ее пространственного распределения, как правило, никак не связан с действительной полной силой света источника. Полная сила света источника (такого, например, как лампочка) обычно определяется путем помещения его в интегрирующую сферу, имеющую почти равный единице коэффициент отражения от внутренней поверхности и последующих измерений через небольшое окно в этой поверхности (глава 1, Часть I). Полный световой поток сравнивается с известным стандартом.
Яркость. Количественно яркость может быть определена как сила света, излучаемого с единицы светящейся поверхности. Термин brightness (блеск) часто неправильно используется вместо термина luminance (яркость). Термин «блеск», согласно определению, применяется для оценки интенсивности точечных источников, таких, как звезды. Этот термин также используется специалистами в области физиологической оптики. При измерении яркости с помощью идеального точечного чувствительного элемента обычно не имеет значения, будет ли поверхность самосветящейся или отражающей внешние излучения. В нормальном к светящейся поверхности направлении сила света определяется следующим выражением:
I = L·S, (2)
где S - площадь светящейся поверхности и L - яркость. Если яркость по поверхности объекта неравномерна, тогда сила света I задается следующим интегралом:
I = ∫ L(x,y) dS, (3)
а средняя по площади (габаритная) яркость при этом будет равна
LBсрB = I/S = 1/S ∫ L(x,y) dS (4)
Яркость излучающей или отражающей свет поверхности может весьма сильно зависеть от направления наблюдения. Это, конечно справедливо для металлизированных и зеркально – растровых отражающих проекционных экранов, рассеивающих световой поток в желательных направлениях. Для сравнения таких отражающих поверхностей, а также для определения их фотометрических свойств в качестве эталона применяют некоторую идеализированную поверхность, отражающие свойства которой весьма просты и легко описываются математически. Такой поверхностью является так называемая ламбертовская поверхность (или излучатель, И.Ламберт – известный немецкий учёный), которую сравнительно легко воспроизвести приближенно как в лабораторных, так и в полевых условиях. Если яркость исследуемой поверхности в заданном направлении больше яркости ламбертовской поверхности, коэффициент отражения которой в любом направлении равен единице, то отношение этих яркостей называют коэффициентом яркости в заданном направлении.
Ламбертовский излучатель света. Ламбертовский излучатель обычно называют также ламбертовской или равномерно рассеивающей поверхностью. Особенностью такой математически идеализированной поверхности является характер зависимости силы света от направления его излучения (по отношению нормали к поверхности). Эта зависимость подчиняется так называемому закону косинуса, согласно которому сила света, излучаемого с единицы поверхности, пропорциональна косинусу угла, заключенного между направлением излучения и нормалью к поверхности.
Такой несколько парадоксальный результат можно легко объяснить, рассмотрев регистрирующий элемент, чувствительность которого в пределах некоторого телесного угла не зависит от направления. Когда такой чувствительный элемент воспринимает свет в нормальном к излучающей поверхности направлении, «наблюдаемый» участок поверхности представляет собой круг. Если же свет воспринимается в направлении, отличном от нормального, то «наблюдаемый» участок становится эллипсом, а его площадь возрастает в (1/cos φ) раз (φ — угол между указанным направлением и нормалью к поверхности). При этом возрастание «наблюдаемой» площади в точности компенсирует снижение интенсивности излучаемого света от каждой точки поверхности. Правильно спроектированные измерители освещенности имеют косинусную характеристику в предположении, что обычные отражающие поверхности (как, например, белая бумага) по своим свойствам близки к равномерно рассеивающей поверхности. Такой измерительный прибор позволяет хорошо оценивать зрительную эффективность освещения рабочей поверхности независимо от того, падает ли на нее свет по нормали или под некоторым углом. При использовании специальных методов может быть получено превосходное приближение к идеальной ламбертовской поверхности.
Геометрические законы освещения. Все обычно применяемые фотометрические единицы освещенности основаны на использовании свечи в качестве эталона силы света удаленного источника. Единицей светового потока является люмен, равный заключенной в телесном угле 1 стер части светового потока, создаваемого изотропным точечным источником с силой света 1 св. В соответствии с законом освещения, который может быть выведен геометрически, освещенность поверхности (выраженная в люменах на единицу площади), освещаемой нормально падающим светом, определяется выражением
E = I/RP2P (5)
где R — расстояние от источника света до поверхности.
В международной системе единиц измерения единица освещенности определяется как люмен на квадратный метр, которая равна люксу. В практической фотометрии при использовании реальных (неточечных) источников света указанное выше простое соотношение справедливо лишь тогда, когда наибольший поперечный размер источника не превышает 1/10 расстояния от источника до освещаемой поверхности. В более сложных случаях освещенность определяется суммированием элементарных освещенностей, создаваемых на освещаемой поверхности бесконечно малыми элементами светоизлучающей площади источника (с учетом угла падения света θ). Элементарная освещенность определяется следующим выражением:
dE = (dI/RP2P) cos θ = {L(R,θ)/RP2P} cos θ dS (6)
где L(R,θ) = dI/dS– функция распределения яркости по светоизлучающей площади источника, выраженная через расстояние R и угол падения света θ. В этом случае полная освещённость равна
E = ∫dE = ∫{L(R,θ)/RP2P} cos θ dS =, (7)
где dS – элемент светоизлучающей площади, выражаемой обычно через R и θ.
Рассмотренные выше соображения обычно достаточны для решения большинства задач по расчету освещенности. Однако основную роль среди измеряемых характеристик отображаемой информации играет не собственно освещенность, а яркость — характеристика, определяющая уровень зрительного ощущения.
Единицы яркости. В конечном счете, основной вопрос, на который необходимо ответить при решении любой технической задачи, связанной с фотометрическими измерениями, формулируется следующим образом: какова зрительно ощущаемая яркость (светлота) объекта наблюдения или каков яркостный контраст между объектом и фоном? Обычно для измерения яркости используют такие единицы, как свеча на квадратный метр, которая называется кандела на квадратный метр и обозначается – кд/мP2P.
При определении воспринимаемого светового потока функция спектральной интенсивности излучения умножается на некоторую весовую функцию, характеризующую приемник излучения (например, на функцию видности V(λ)). Число люменов, излучаемых любым светящимся объектом, определяется путем интегрирования произведения функции видности на функцию спектральной интенсивности излучения P(λ) объекта, т. е.:
Ф = K ∫P(λ) V(λ) dλ. (8)
|
ATP/ATR СПЕКТРОМЕТР 
О КОМПАНИИ