Фотометрия

1. Общая часть

1.1 Фотометрия.
Фотометрия, раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны около 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1.1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

рис. 1.1.1- Длинна волн, мкм.

1.1.1 Общие метод фотометрии.

Существуют два общих метода фотометрии:
1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости;
2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода – вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура.


1.1.2 История развития фотометрии.

История визуальной фотометрии начинается с Пьера Бугера (1698–1758), который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии.


рис. 1.1.2.1 - Пьер Бугер (1698–1758)

Иоганн Ламберт (1728–1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов.


рис. 1.1.2.2 - Иоганн Ламберт (1728–1777)

В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно – при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии.

Начало физической фотометрии положил Ю.Эльстер и Г.Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект.
В 1908 Ш.Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях.


1.2 Фотоэффект.

Фотоэффе́кт, Фотоэлектрический эффект — испускание электронов веществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения). В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффект.
Законы Столетова для фотоэффекта:
Формулировка 1-го закона фотоэффекта: Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.
Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

рис 1.2.1.1 – внешний фотоэффект.
Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений.


1.2.1 Фотоэлемент.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), представляет собой электровакуумный прибор с двумя электродами - фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещёнными в вакуумированный либо газонаполненный стеклянный баллон. Фотокатодом служит фоточувствительный слой, который наносится либо непосредственно на участок стекло оболочки, либо на металлический слой (подложку), предварительно осаждённый на стекло, либо на поверхность металлической пластинки, смонтированной внутри баллона; анод имеет вид металлического кольца или сетки (рис. 1.2.1.1). Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода; при замыкании цепи фотоэлемента в ней протекает фототок, пропорционально световому потоку (рис. 1.2.1.2). Для улучшения временного разрешения и увеличения пика импульсов фототока катод и анод фотоэлемента обычно располагают плоскопараллельно с зазором 0,3-3 мм, а их выводы выполняют в виде отрезка коаксиальной или полосковой линии, согласованной по волновому сопротивлению с нагрузкой. В газонаполненных фотоэлементах в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного разряда фототок усиливается.



Рис. 1.2.1.1 - Конструкции вакуумных фотоэлементов: А - выводы анода; К - выводы фотокатода; ОК - выводы металлического охранного кольца (устанавливается для исключения попадания токов утечки на нагрузку).




Рис.1.2.1. 2. Схема фотоэлемента с внешним (а)и внутренним ( б)фотоэффектом: К - фотокатод; А - анод; Ф - световой поток; ри п -области полупроводника с донорной и акцепторной проводимостями; Е-источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между К и А электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; Rн - нагрузка. Пунктирной линией обозначен р - n-переход.

Наиб. распространение среди фотоэлементов с внеш. фотоэффектом получили вакуумные фотоэлементы (ВФ) с сурьмяно-цезиевым, многощелочным и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами. Применение газонаполненных фотоэлементов ограничено из-за недостаточной стабильности приборов и нелинейности их световой характеристики - зависимости фототока от падающего светового потока.
Фотоэлементы широко применяются в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерит. технике, метрологии, при оптической астрофизике. исследованиях, в кино- и фототехнике, факсимильной связи и т. д.; перспективно использование ПФ в системах энергоснабжения космической аппаратов, в морской и речной навигационной аппаратуре, устройствах питания радиостанций и др.


1.3 Назначение светоизмерительных приборов. Фотометры

Фотометр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других — одной или нескольких световых величин.
При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью.
Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами.


1.3.1 – Спектрофотометр (фотометрический прибор)





1.3.1 Виды фотометров

Если в качестве приёмника используется глаз, фотометры называются визуальными, или зрительными, если же применяется какой-либо физический приёмник, фотометры называются физическими. Оптический блок фотометра, иногда называемый фотометрической головкой, содержит линзы, светорассеивающие пластинки, ослабители света, светофильтры, диафрагмы и приёмник излучения.
Чаще всего в фотометрах с физическими приёмниками поток излучения преобразуется в электрический сигнал, регистрируемый устройствами типа микроамперметра, вольтметра и т. д. В импульсных фотометрах применяют регистрирующие устройства типа электрометра, запоминающего осциллографа, пикового вольтметра. В визуальном фотометре равенство яркостей двух полей сравнения, освещаемых по отдельности сравниваемыми световыми потоками, устанавливается глазом, который располагается у окуляра фотометрической головки.
Фотометры находят широкое применение в лабораторной практике. Например, с помощью фотометров можно определять спектробразцов, что позволяет установить их химический состав. Особый класс этих приборов – пламенные фотометры – предназначен для выявления в образцах наличия щелочных металлов (литий, натрий, калий). Для этого образец сжигается при высокой температуре, а анализ спектра пламени с помощью фотометра позволяет выявить наличие щелочных металлов в образце. Решить эту задачу другими способами гораздо труднее. В современных фотометрах световое излучение обычно преобразуется в электрические импульсы, которые регистрируются по принципу вольтметра и амперметра и затем преобразуются в компьютерный формат.


рис. 1.3.1.1 – визуальной фотометр






1.4 Яркомер. Принцип работы

Яркомер - прибор для измерения яркости.
Яркость – это физическая фотометрическая величина, характеризующая излучательную способность протяжённых тел в данном направлении к площади проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению.
Яркость тела в данном направлении определяется энергией, излучаемой в единицу времени внутри единичного телесного угла элементом поверхности тела, проекция которого на плоскость, перпендикулярную выбранную направлению, имеет единичную площадь. За единицу яркости в Международной системе единиц (СИ) принят 1 кандела на квадратный метр – яркость поверхности, каждый квадратный метр которой излучает в перпендикулярном к ней направлении в пределах угла 1 стерадиан поток, равный 1 люмену.
Яркомеры сегодня применяются в автомобильной промышленности и сервисных мастерских для определения соответствия яркости фар нормативному значению, а также определения правильности фокусировки ближнего и дальнего цвета фар. Яркомеры могут применяться для измерения фотометрических свойств светодиодов.


рис 1.4.1 – Яркомер.



1.5 Колориметр. Принцип работы

Колориметр (от лат. color – цвет и от греч. metreo – измеряю) – прибор для измерения характеристик цвета света (не путать с калориметром – прибором для измерения количества теплоты). Существуют колориметры двух типов. Трёхцветные колориметры служат для количественного выражения цвета в виде набора трёх чисел – основных компонентов цвета. Они представляют собой интенсивности световых потоков трёх основных цветов (красный, зелёный, синий), дающих при их смешении цвет, неотличимый от измеряемого. Результаты фиксируются на трёх шкалах колориметра.



Рисунок 1.5.1 – Три основных цветовых спектра

Рассмотрим внутреннее устройство и принцип действия колориметра фотоэлектрического концентрационного (КФК-2) более подробно. Он предназначен для измерения светопропускания, оптической плотности и концентрации окрашенных растворов и рассеивающих смесей в области спектра 315-980 нм. блок схема этого фотоколориметра представлена на рисунке 1.5.2



Рисунок 1.5.2 – Блок схема КФК-2

Свет от малогабаритной лампы (1) проходит последовательно через систему линз со щелью (2,3,4,5) теплозащитный (6), нейтральный (7) и цветной (8) светофильтры, ограждаюющие стёкла (9,11), а между ними – специальный сосуд (оптическую кювету) с исследуемым раствором (10) и попадает на улавливающий фотоэлемент (12), создающий слабый или сильный фототок в зависимости от количества попадающего на него света. Смена сосудов с эталонным и исследуемым растворами в этом колориметре производится лаборантом вручную, а измерение светопропускания производится косвенно – по показаниям миллиамперметра.
Фотоэлектрические колориметры различных типов применяются в химических лабораториях для измерения концентраций различных веществ и/или примесей в них, а также в промышленности для контроля цвета источников света (ламп, осветителей), оттеночных красителей и красок, оптических светофильтров и/или отражающих материалов, экранов цветных телевизоров и/или мониторов и многих-многих других изделий.

рис.1.5.3 – колориметр КФК-2


1.6 Люксметр. Принцип работы

Люксметр (от лат. lux — «свет» и др.-греч. μετρέω «измеряю») — переносной прибор для измерения освещённости, один из видов фотометров.
Принцип работы люксметра основан на явлении фотоэлектрического эффекта. Свет, при попадании на полупроводниковый фотоэлемент, передает свою энергию электронам. В результате происходит высвобождение электронов в объеме полупроводника, вследствие чего через фотоэлемент начинает проходить ток. Величина силы тока пропорциональна освещенности фотоэлемента. Единица измерения освещенности называется люкс. К примеру, в яркий солнечный день освещенность составляет от 32 тысяч до 130 тысяч люкс, а при полнолунии в ясном небе - всего 0,27 люкс.
Чтобы понять принцип действия люксметра, рассмотрим его конструкцию. Итак, полупроводниковый фотоэлемент, входящий в состав фотометрической головки люксметра, служит приемником светового потока. Далее, световая энергия, преобразованная в электрический ток в блоке обработки сигнала, регистрируется цифровым микроамперметром (или аналоговым прибором), шкала которого проградуирована в единицах освещенности. В некоторых люксметрах результаты замеров представлены в виде графического индикатора. Фотометрическая головка и блок обработки соединены между собой гибким кабелем. Токовые диапазоны, соответствующие различным уровням освещенности, переключаются за счет изменения сопротивления цепи автоматически или вручную. Питание от батареек. Вот в принципе и все. Принцип действия люксметра основан на способности фоторезистора изменять свою электрическую проводимость под влиянием видимого света.
Кроме фотоэлемента, фотометрическая головка люксметра может состоять из светорассеивающей насадки (для расширения диапазона измерений), защиты от косого света (косинусной насадки) и коррегирующих (улучшающих) светофильтров – для снижения погрешности, обусловленной отличием чувствительности фотоэлемента и восприимчивости человеческого глаза.


рис 1.6.1 – люксметр

1.6.1 Самодельный люксметр.

Требуемые характеристики прибора:
 Диапазон измерения 1 — 65535 лк
 Разрешение измерения 1 лк
 Потребляемый ток в режиме измерения 60мА
 Ток в режиме ожидания (PowerDown) 100мкА
 Габариты 134 x70х 25 мм

Компоненты для изготовления люксметра:
 Плата Arduino Pro Mini
 Цифровой датчик освещенности BH1750FVI
 Графический дисплей NOKIA5110
 Приборный корпус 134x70x25 мм
 В качестве источника питания литиевые батареи


рис 1.6.1.1 – используемее компоненты


рис 1.6.1.2 –используемый корпус



Конструктив изготовление корпуса:

Разметка окна под дисплей и отверстия установки под кнопки.


рис. 1.6.1.3 – разметка корпуса

Проделывания отверстий и выравнивание их гравером.


рис 1.6.1.4 – изготовление корпуса.

Сопоставление корпуса к деталям.

рис. 1.6.1.5 – сопоставление деталей (1)


рис 1.6.1.6 – сопоставление деталей (2)

Батарейный отсек
Изготавливаем из старой промышленной резин. Размягчаем феном, подводим под аккумулятор и вставляем две пружины — контакты аккумулятора.


рис 1.6.1.7 – изготовление батарейного отсека.(1)
Припаиваем провода к контактам, и крепим батарейный отсек в корпусе на «холодную сварку»


рис 1.6.1.8 - изготовление батарейного отсека.(2)

После высыхания получаем вполне надежное крепление аккумулятора в корпусе с возможностью его быстрого извлечения для зарядки.

Монтаж и пайка компонентов.
Размещаем все компоненты на макетной плате.


рис. 1.6.1.9 – сопоставление компонентов