Оптические измерительные приборы чрезвычайно разнообразны. По количеству типов оптических приборов их можно сопоставить с электроизмерительными. На самом деле, очень многие приборы из других видов измерения - из механики, из теплофизики, из физико-химии - в качестве оконечного каскада или в качестве первичного датчика имеют те или иные оптические детали.

С самого начала следует определить, что в дальнейшем изложении будет считаться оптическим прибором. Вообще оптическим считается метод или прибор, регистрирующий электромагнитное излучение, видимое человеческим глазом, т. е. электромагнитные колебания с длинами волн от 760 нм до 350 нм. Однако развитие науки о свете привело к тому, что под оптическим и задачам и стали понимать измерение в более длинноволновой области - инфракрасное излучение - и в более коротковолновой области - ультрафиолетовое излучение. Соответственно, расширилось число методов и приборов, которые являются прерогативой оптиков. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить, что в оптическом приборостроении и в оптических исследованиях последних десятилетий оптическая наука прирастала в основном крайними, т. е. инфракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ) областями спектра. Поэтому сейчас под оптическими приборами и методами подразумевают практически все, что «родом» из видимого человеческим глазом электромагнитного излучения.

Ограничиваясь тематикой и объемом изложения, мы будем полагать, что читатель знаком с основами физической и геометрической оптики. Во всяком случае, здесь нет возможности излагать суть таких явлений, как дифракция, интерференция, поляризация и др., равно как останавливаться на основных законах оптики, например на фотоэффекте, принципах работы лазеров, на законах излучения, на синхротронном излучении и т. д. Для более подробного знакомства с физикой оптических явлений здесь даны ссылки на учебный материал, специально посвященный данному конкретному разделу оптики.

Прежде чем перейти к конкретному изложению принципов действия оптических приборов, имеет смысл раскатегорировать их по измеряемым физическим величинам или по области применения, что зачастую является одним и тем же. С такой точки зрения оптические измерительные приборы можно разделить на классы, например так, как показано на схеме рис. 8.1.

Фотометрические оптические приборы - это класс оптики для изменения световых потоков и величин, непосредственно связанных со световыми потоками: освещенности, яркости, светимости и силы света. Фотометры целесообразно разделять на традиционно оптические, измеряемые характеристики в которых имеют чувствительность, соответствующую чувствительности человеческого глаза, и так называемые фотометры энергетических фотометрических величин, т. е. те же характеристики безотносительно к чувствительности глаза человека. Естественно, что в энергетических фотометрах величины выражаются не в люменах, люксах, нитах, а в единицах механических:

• в ваттах на метр квадратный - энергетическая освещенность;

• в ваттах на стерадиан - энергетическая сила света;

• в ваттах с квадратного метра - энергетическая светимость;

• в ваттах с квадратного метра на стерадиан - энергетическая яркость.

Спектральные оптические приборы - огромный класс оптической техники, для которого общим является разложение электромагнитного излучения в спектр по длинам волн. Существуют спектроскопы - визуальные приборы, монохроматоры - приборы, выделяющие излучения на какой-либо фиксированной длине волны, полихроматоры, выделяющие излучение на нескольких длинах волн, спектрографы - регистрирующие весь спектр монохроматического излучения. Если в приборе кроме разложения излучения в спектр имеется возможность измерения каких-либо энергетических характеристик электромагнитного излучения, то такой прибор называется спектрофотометром или квантометром.

Интерферометрами называют приборы, в которых основной измеряемой характеристикой является не амплитуда световой волны и связанная с ней энергия, а фаза электромагнитного колебания. Именно такой подход позволил создать самые точные на данный момент средства измерения, реально позволяющие измерять величины с погрешностями в 11-12 знаке. Именно поэтому интерферометры применяются в основном для решения задач, требующих от приборов предельно высокой точности, например, в эталонах, в обслуживании уникальных научных программ, в реализации сверхчувствительных методов анализа состава вещества и т.п.

Другие классы оптических приборов, представленные на схеме рис. 8.1 не так обширны, как фотометры и спектрометры. Тем не менее они выделены вследствие того, что у них определяющим является специфическое физическое явление.

В поляриметрах используется такое волновое свойство света, как поляризация, т. е. определенная ориентация колебаний электромагнитной волны относительно направления распространения. Многие вещества обладают свойствами изменять направление поляризации. На этом принципе работают не только преобразователи для измерения магнитных величин, но и некоторые приборы для анализа состава веществ и материалов, например сахариметры.

Рефрактометры - приборы для измерения показателя преломления твердых тел, жидкостей и газов. В них используется изменение направления пучка света на границе раздела двух сред. Эти приборы используются в качестве индикаторов в хроматографах, в многочисленных метеорологических приборах специального назначения, в газовом анализе и т. д.

Гониометры - приборы для угловых измерений - в большинстве своем представляют собой зрительные трубы или лазеры, оптическая ось которых снабжена отсчетным угловым лимбом. Таким прибором можно измерять углы, последовательно наводя оптическую ось на два раздельных объекта. Сюда же можно отнести и оптические дальномеры, использующие измерения углов наблюдения одного и того же объекта двумя зрительными трубами. Гониометры широко применяются в топографии, в военной технике, в геодезических работах.

Измерительные микроскопы представляют собой приборы для увеличения видимых размеров (или углов наблюдения) различных объектов и измерения размеров увеличенных деталей. В разделе «Механические измерения» рассматривались два типа такой измерительной техники: это измеритель длин ИЗА и микроскоп Линника - прибор для измерения шероховатости поверхностей. Наиболее массовыми приборами такого типа являются обычные микроскопы, снабженные окуляр-микрометром. Это позволяет оценивать размеры объема при непосредственном наблюдении его через микроскоп. Такими приборами широко пользуются врачи, биологи, ботаники и вообще все специалисты, работающие с небольшими объектами.

Приборы для измерения собственного теплового излучения тел называются пирометрами (от слова «пиро» - огонь). В этих приборах используются законы излучения нагретых тел - закон Планка, закон Стефана-Больцмана, закон Вина, закон Релея-Джинса. Этот класс приборов рассмотрен нами в разделе о температурных измерениях, где пирометры рассматриваются как средства неконтактного измерения температуры.

Термин «фотометрия» образован от двух греческих слов: «фос» - свет и «метрео» - измеряю. В измерительных приборах, регистрирующих область спектра, видимую человеческим глазом (λ = 350 - 760 нм) важно не только измерить энергетические характеристики, но и изготовить прибор таким образом, чтобы его чувствительность к излучению соответствовала бы чувствительности человеческого глаза. Такие приборы измеряют оптические величины в оптических единицах, основной из которых является кандела (свеча). Сила света определяется как энергия потока, видимого человеческим глазом, т. е. механическая энергия, умноженная на видность глаза, распространяющая в единичном телесном угле, т. е.

(8.1)

Если сила света выражена в канделах, а телесный угол в стерадианах, то световой поток выразится в люменах.

Освещенность какой-либо поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, есть поверхностная плотность светового потока, т. е.

(8.2)

Связь освещенности и силы света дается фундаментальным законом фотометрии, гласящем, что освещенность от точечного источника изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности, т. е.

(8.3)

где φ - угол между нормалью к поверхности и направлением распределения света. Освещенность выражается в люменах. Если поставлена задача охарактеризовать фотометрические параметры самосветящегося объекта: нити накаливания лампы, экрана монитора, колбы люминесцентной лампы и т. д., измерять следует величину, называемую светимостью:

(8.4)

где dS - элемент светящейся поверхности. Светимость в оптических единицах выражается в люменах с квадратного метра (лм/м² ).

Еще одной распространенной оптической физической величиной, измеряемой на практике, является яркость. Яркость определяется для светящегося объекта как сила света с единицы поверхности, перпендикулярной лучу:

(8.5)

Рис. 8.2. К определению яркости: а) самосветящаяся поверхность; б) поверхность, освещенная сторонним источником света

Для поверхности, освещенной сторонним источником света, яркость определяется как отношение освещенности поверхности к телесному углу, опирающемуся на эту поверхность, и имеющему вершину в точке наблюдения:

(8.6)

Еще одно определение яркости относится к лучу света безотносительно к тому, является он исходящим от самосветящейся поверхности или падает на какую-либо поверхность. Яркость элементарного луча определяется как освещенность, которую он создает на перпендикулярной к нему поверхности в единичном телесном угле, который он заполняет:

(8.7)

В тех случаях, когда создаются приборы, работающие в инфракрасном или в ультрафиолетовом диапазонах, вместо оптических единиц, как уже указывалось, используются механические единицы, т. е. мощность измеряется в ваттах, энергетическая освещенность - в ваттах на квадратный метр, энергетическая сила света - в ваттах на стерадиан, энергетическая яркость - в ваттах на метр квадратный на стерадиан. В главе «Метрология» указано, что связь между относительными фотометрическими единицами осуществляется использованием понятия механического эквивалента света и функции видности человеческого глаза. Напомним, что механический эквивалент света есть мощность светового потока на длине волны 555 мкм, равная 1 Ватту механической энергии. В оптических единицах эта мощность равна 683 люмена, т. е.

(8.8)

В приборах для измерения силы света - свечемерах - используется закон измерения освещенности в зависимости от расстояния. В этом случае сила света какого-либо источника измеряется сравнением (компарированием освещенности, создаваемой этим источником с освещенностью, создаваемой источником, с известной силой света I,). Схема подобного прибора дана на рис. 8.3.

Перемещением экрана и лампы добиваются равенства сигналов с фотоприемника при освещении обеими лампами. Затем измеряют расстояние r₁ и r₂, соответствующие этому положению. Сила света источника I₂ находится из очевидного равенства:

(8.9)

Существует достаточное количество различных реализаций этого метода как по компарированию ламп с различным спектральным составом излучения, так и с различными интенсивностями. Вместо фотоприемника часто используют какое-либо визуальное устройство, и равенство освещенностей фиксируют без измерений фототоков.

Тот же самый принцип в отношении измерения силы света мощных источников или при большом расстоянии от источника света до фотоприемника реализован в так называемом телеметрическом методе. Сущность этого метода основана на выделении и измерении светового потока ΔФ, распространяющегося от источника в пределах малого телесного угла Δω и определения таким образом силы света в соответствующем направлении. Рисунок 8.4 поясняет сущность телеметрического метода.

Излучение источника И, силу света которого надо определить, падает на положительную линзу Л, оптическая ось которой совпадает с направлением измеряемой силы света. В фокальной плоскости F устанавливается диафрагма D с площадью отверстия S, равной δ. Телесный угол, в пределах которого лучи, падающие на линзу Л, достигнут фотоэлемента, равен Δω=δ/f², где f - фокусное расстояние линзы. Фототек в цепи фотоэлемента должен быть пропорционален световому потоку ΔФ, используемому в пределах постоянного для данного прибора телесного угла Δω. В этом случае фототек равен

(8.10)

где К - постоянный коэффициент, I - искомая сила света. Коэффициент К определяется при градуировке, и шкала электроизмерительного прибора комбинируется непосредственно в единицах силы света - в канделах или в ваттах на стерадиан.

Для измерения светового потока проводят измерения освещенности внутренней поверхности белого матового шара. Если в фотометрическом шаре между источником света, поток от которого нужно измерить, и фотоприемником установить экран Э, то освещенность в точке расположения фотоприемника пропорциональна полному световому потоку:

(8.11)

где ρ - коэффициент отражения внутренней поверхности шара; r - радиус шара; а - фотометрическая константа шара - коэффициент пропорциональности между величиной светового потока от источника и освещенностью поверхности фотоприемника. В большинстве практических случаев коэффициент а определяется экспериментально измерениями светового потока источника с известными значениями полного светового потока.

Измерители освещенности - люксметры - являются наиболее массовыми оптическими приборами, используемыми на практике. Именно этими приборами контролируется уровень освещенности во всех случаях - в помещении, на улице, при выполнении каких-либо технологических измерений и т.д.

Люксметры по принципиальной схеме являются наиболее простыми из всех фотометрических приборов. Фотоэлектрические люксметры состоят, как правило, из фотоэлемента и чувствительного электроизмерительного прибора. Необходимым условием правильности показаний люксметра является соответствие спектральной чувствительности фотоприемника функции видности человеческого глаза, т. е. максимальная чувствительность должна быть в желто-зеленой области со спадом в ультрафиолетовую (до 380 нм) область и в инфракрасную (более 760 нм) область. Поскольку площадь фотоприемника строго фиксирована, сигнал с него пропорционален освещенности, и шкала прибора, соответственно, может быть проградуирована в люксах.

При создании фотометров для измерения энергетической освещенности в ультрафиолетовой или в инфракрасной областях в приборы устанавливаются светофильтры, выделяющие определенный участок спектра излучения. Например, в переносных фотометрах отечественной фирмы ТКА есть вариант установки трех поддиапазонов ультрафиолетового излучения: так называемая зона А от 400 нм до 314 нм, зона В с диапазоном от314 до 280 ими зона С с диапазоном от 280 до 200 нм.

Приборы для измерений энергетических потоков в инфракрасной области называют радиометрами, поскольку они, как правило, измеряют суммарный поток инфракрасного излучения. Поскольку связь общей энергии теплового излучения с температурой дается законом Стефана-Больцмана, показания спектрофотометров зависят от того, какой источник света освещает данный объект. В большинстве случаев приборы градуируются для освещения лампами накаливания, т. н. Источник типа А. Если объект освещен другими типами источников, например люминесцентными лампами или ртутными дуговыми лампами, то показания по шкале люксметра можно исправить с помощью поправочного коэффициента N, на который нужно умножить результат, чтобы найти правильное значение измеряемой освещенности. Значения поправочного коэффициента N для наиболее часто используемых источников света приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Поправочные коэффициенты для измерения
энергетических потоков источников света
с различными цветовыми температурами

Цветовая температура источника света, К	2360	2856	3100	3250	3400	4800	5800
Поправочный коэффициент, N	1,003	1,00	0,99	0,975	0,973	0,843	0,78

 

Для измерения яркости в соответствии с 8.5 - 8.7 необходимо измерить энергию светового пучка, ограниченного двумя диафрагмами. Для реализации этого яркомер содержит, как правило, ахроматический объектив, проектирующий изображение объекта в плоскость диафрагмы D, за которой устанавливают фотоприемник. Схема яркомера дана на рис. 8.5.

Прибор, построенный по такой схеме, реагирует на световой поток, исходящий с поверхности определяемого размера dS под определенным углом dω. Следовательно, регистрируемый фототек будет пропорционален яркости объекта, и прибор может быть проградуирован в единицах яркости. На практике яркомеры имеют визирное устройство, позволяющее видеть глазом тот участок поверхности, яркость которого измеряется.

При измерении яркости протяженных самосветящихся объектов можно воспользоваться прибором для измерения освещенности - люксметром,- расположив его непосредственно на светящейся поверхности. В этом случае фотоприемник соберет все излучение объекта, исходящее в телесном угле в 2π стерадиан, и яркость самосветящейся поверхности будет отличаться от освещенности на 2π, т. е.

(8.12)

Этим способом часто пользуются на практике. Существуют также промежуточные приборы, проградуированные в единицах яркости, хотя по своей схеме они идентичны обычным люксметрам.