Дәріс №8. Оптикалық сәуле шығаруды өлшеу

Оптикалық сәуле шығару шамаларын өлшеу мен бақылаудың сандаған құралдарын өлшеуі мен жасалуының негізіне қаланған, жарықтехникалық өлшеулердің негізгі принципі ретінде физиололгиялық және физикалық принциптер қарастырылады.

Жарықтехникалық өлшеулердің физиололгиялық принциптері. Толқын ұзындықтары 370-770 нм диапазонындағы электромагниттік сәуле шығару фотометрлік, яғни адам көзінің сезімталдығының физиологиялық таралуымен сәйкес бағаланады.

Көз сезімталдығынан басқа жарықтехникалық өлшеулердің физиололгиялық принциптері ретінде мыналар қабылданады: бейімделу, айқындық сезімталдығы, көрулік қабылдаудың инерциясы, жарықты сезіну, түсті сезіну, бір мезгілдегі түс айқындығы және басқалар.

Көз бейімделуі құбылысының мағынасы, көз түсіне бірдей жарықтық бейімделгенднй болып көрінетін, әртүрлі боялған беттердің жарықтыбойынша бөлінуі. Егер ол 3 кд/м² аз шама болса, онда түсті қабылдау болмайды.

Жарық-қараңғыны ажыратудың сыни шамасы айқындық сезімталдығы болып табылады. Жарықтануы әртүрлі қатар орналасқан өрістер бақылағанда, олар жарықтану айырмашылығы белгілі бір табалдырықтық шамаға жеткеде ғана қабылданады.

Көрулік қабылдаудың инерциясы жарық ұсынуларды қысқа уақытқа, мерзімдік және ұзақ уақыт интервалын өткізіп қабылдайтын көздеге тән. Жарық ұсынулары кезектескен кезде жыпылықтау туындайды.

Жарықты сезіну. Көз торының екі көршілес телімдеріне түсетін екі бірдей шоқ әртүрлі жарық сезінуін тудырады. Бұл субъективтік жарықтану шоқтын орталықтық қалпында ең үлкен және шоқтан көз өсіне дейінгі қашықтық өскен сайын төмендейді.

Түсті сезіну. Көз торының екі көршілес телімдеріне түсетін екі бірдей монохраматикалық шоқтар, егер жарық шоқтары қарашықтың ортасы немесе жиегі арқылы өткенде әртүрлі түсті сезінулерін тудырады. Бұдан басқа түсті сезінудің айырмашылығы бақылау ұзақтығына да тәуелді.

Бір мезгілдегі түс айқындығы – жарықты объект қараңғы көмкеруде жарықтануы жоғарырақ болып көрінуімен, ал бір ғана түс оны қоршаған көмкеруге тәуелді әртүлі түсті болып көрінуімен байқалатын көру айқындығы.

Фотометрлік өлшеулердің физикалық принциптері. Фотометрлік өлшеулер мен фотоэлектрондық түрлендіргіштерді жасаудың негізгі физикалық принциптері болып табылатындар: ішкі фотоәсер, сыртқы фотоәсер, жабушы қабатты фотоэлементтердегі фотоәсер, терморезисторлық әсер, термоэлектрлік әсер және басқалар қатары.

Сыртқы фотоәсер (8.1-сурет, а) фотондар эмиссиясына негізделеді. Жекелеген фотондардан тұратын жарық жарықсезгіш металл қабатына (фотокатодқа) түседі. Әрбір фотонның энергиясы:

Е = hv,

мұнда - Планк тұрақтысы; v – сәуле шығару жиілігі.

8.1-сурет – Фотометрлік өлшеулердің физикалық принциптерінің сұлбасы

Ол энегиясы бастаушы кинетикалық энергия болып табылатын электрондар шығуын тудырады. Бос электрондар кернеу көзінің 2 көмегімен оң анод кернеуімен анодқа қарай шапшаңдатылады және сыртқы тізбекте амперметрмен 7 бағаланатын ток тудырады. Бұл тізбектегі токтың шамасы жарықтехникалық енгізу шамасының өлшемі болып табылады. Сыртқы фотоәсер фотоэлементтер мен фотокөбейткіштерде қолданылады.

Ішкі фотоәсер немесе жартылайөткізгіштердегі әсер жартылайөткізгіштер мен оқшаулағыштардағы фотоөткізу құбылысына негізделген (8.1-сурет, б). Жарық жұтылғанда босатылатын фотоэлектрондар (х₁, х₂) жартылайөткізгіште қалып, алғашқы ток қалыптастырады. Олар меншікті қозғалғыштығы фотоэлектрондардан аз оң кеңістіктік зарядты «тесіктерді» тастап кетеді. Оң кеңістіктік зарядты толтыру кезінде электрондар электродтармен 1 және 4 «сіңіріледі». «Тісектер» саны бегілі бір шамаға жеткенде амперметрмен 3 көрсетілетін екінші кезектік фотоағын пайда болады.

Электрондардың берілу саны жеткіліксіз болғанда фотоөткізгіштік төмендейді және фотоэлектрлік шаршау пайда болады. Ол Түсетін сәуленің қарқынының өсуімен және сәуле шығарі толқынының ұзындығына тәуелді күшейеді.

Ішкі фотоәсер фотоэлемент-терде, фотодиодтарда, фототранзис-торларда және фоторезисторларда пайдаланылады.

Жабушы қабатты фотоэлементтердегі фотоәсер металл-жартылай-өткізгіш жүйесінде пайда болады (8.1-сурет, в). Материал мен жартылайөткізгіш арасында бірполяр-лы зарядталған жабушы қабат бар. Металл жартылайөткізгішпен жанасқанда электрондар металдың өткізгіш қабатынан жартылайөткізгішке өтеді және акцепторда жиналады. Металдың жанасқан қабатында оң зарядтардың , ал жартылайөткізгіштің қабатында – теріс зарядтың көбейуі байқалады. Бұл электр өрісі электрондар мен «тесіктердің» әрі қарай жылжуына кедергі жасайды.

Теріс жабушы қабатқа жарық түскен кезде бос фотоэлектрондар пайда болады. Олар жартылайөткізгіштің өткізгіш қабаты арқылы металға өтеді және оң кеңістіктік зарядты толықтырады. Сол кезде пайда болатын «тесіктер» жартылайөткізгіштегі теріс зарядты толықтырады.

Жартылайөткізгіш басқа жағынан металл қабатымен шектеледі. Бұл жақтағы жабушы қабатқа сәуле түспейді және бұзылмаған күйінде қалады. Бұзылған және бұзылмаған жабушы қабаттар арасында фотокернеу пайда болады. Егер пластина-негіз және бүркеме қабат бір-бірімен жалғанған болса, онда сыртқы тізбекте электр тоғы пайда болады. Ток күші жүйенің енуіндегі жарық ағынының өлшемі болып табылады.

Жабушы қабатты фотоэлемент-тердегі фотоәсерөлшеу шегі 10-нан 10⁸ лм дейін, сезімталдығы 10^-4 А/лм фотоэлементтерді жасауда пайдаланылады. Олардың инерттілігі жоғары (10^-2 с дейін).

Термоэлектрқозғаушы күш әсері. Термоэлектрлік фототүрлендіргіштерде түйісі 2 орны қараға боялған, ол түсетін сәулені жұтады (8.1-сурет, г). Соның нәтижесінде болатын дәнекердің температурасының өзгеруі түсетін сәуле энергиясына пропорционал. Бір контурға біріктірілген өткізгіштіктері әртүрлі екі өткізгіштен жасалған біріктіру орнының температурасының теңсіздігі, температуралар айырмашылығының өлшемі қызметін атқаратын, демек сәуле шығару шамасы болып табыдатын, потенциалдар айырмасын тудырады.

Терморезисторлық әсердің мағынасы түсетін сәуленің жіңінке металл сымды немесе жұқа металл жолағын қыздыру болып табылады (8.1-сурет, д). Нәтижесінде бастаушы өлшегіш түрлендіргіштің – болометрдің электрлік кедергісі өзгереді, ол вольтметрмен өлшенеді. Кедергінің өзгеоуі түсетін сәуленің сипаттамасы болып табылады. Бұл әсер фотоболометрлерде қолданылады.

Жарық энергиясы фотографиялық қабықша (пленка) мен пластиналардың оптикалық тығыздықтарын (қараюын) өзгерту үшін пайдаланылуы мүмкін. Қабықшалармен пластиналардың фотографиялық эмульсиясы бромдв күміс және желатин негізінде орындалады. Жарық сәулесі түскенде бромдв күміс түйіршіктері күміс пен бромға жіктеледі. Фотографиялық айқындаудан кейін күміс бөлшектер қараяды. Осындай жолмен алынған негативтің оптикалық тығыздық дәрежесі немесе қараюы, кинофотоаппаратурамен суретке түсіру негізделген, жарық экспозиясының өлшемі болып табылады.

Фотометрияның көзбен тексеру (визуальдық) әдістері мен құралдары.Барлық көзбен тексеру фотометриялық өлшеулері жарық күшін, жарықтығын, жарық ағынын, жарықтануын, және жарық энергиясын көрінетін жарықтығын көзбен салыстыруға негізделген. Жарықтықтың абсолюттік мәнін көзбен бағалау мүмкін емес. Көзбен екі беттің жарықтануын жуықтап анықтауға болады. Жалпы көзбен тексеру әдістерінің екі түрі бар: тікелей әдіс және алмастыру әдісі. Көзбен фотометрлеуде тікелей әдісті іске асырудың екі фотометрлік өрісі бар (8.2-сурет, а). Фотометр өрісінің жарықтығы сәуле шығару көзінің өлшенетін параметрінің Х функциясы болып табылады. Фотометрдің басқа өрісі жарықтехникалық параметрлері белгілі үлгілік сәуле шығару көзімен N жарықтандырылады. Сәуле шығару көзінен Х келген жарықты қайтарымдық элементтің көмегімен екі өрістің жарықтығы көзбен қарағанда теңескенше өзгертеді.

Алмастыру әдісін іске асыруда зерттелетін сәуле шығару көзі Х мен үлгілік сәуле N көзінен басқа қосымша салыстырушы сәуле шығарушы V енгізіледі (8.2-сурет, б). Алдымен Х және V сәуле шығару көздерінің ағындары фотометрлік салыстырады. Сонан соң сәуле шығару көзі Х сәуле шығару көзі N алмастырылып, N және V сәуле шығару көздерінің ағындары фотометрлік салыстырады. Ізделіп жатқан сәуле шығару көзінің Х параметрлерінің мәндері белгілі сәуле шығару көзі N параметрлерінің мәнінен және сәуле шығару ағындарын салыстыру нәтижесінде анықталады.

8.2-сурет – Фотометрияның көзбен тексері әдістерінің сұлбалары: а – тікелей әдіс; б – алмастыру әдісі

Жарықтехникалық параметрлерді бақылау мен өлшеудің физикалық фотометрлік әдістері мен құралдары.Жарық күшін, жарықтығын, жарық ағынын, жарықтануын, және жарық энергиясын өлшеулердің барлықфизикалық фотометрлік әдістері бастаушы өлшегіш түрлендіргіштің жазықтықтағы жарықтануын анықтауға негізделген. Бұл кезде физикалық фотометрлерде жарық энергиясы энергияның басқа түрлеріне немесе химиялық реакциялар энергиясына түрлендіріледі.

Бұл әдістер тікелей есептеу және қайтарымдық болып бөлінеді.

Тікелей есептеу әдісіне (8.3-сурет, а) сәуле шығару көздерінің Х және N фотоэлектрлік түрлендіргіштен бірдей қашықтықта орналасуы керектігімен сипатталады. Бұл кезде қабылдағыш кезек-кезек өлшеу ағынына және салыстыру ағынына бағытталады. Жарық қатынастарының алынған мәндері және сәуле шығару көзі N белгілі жарықтехникалық параметрлерінің мәндері бойынша сәуле шығару көзі Х параметрлерінің мәндерін табады. Егер жарықтану амперметрмен 2 анықталатын сәйкес ток күшіне пропорционал болса, онда жарықтану қатынастарының орнына ток күштерінің қатынасын пайдалануға болады.

8.3-сурет – Жарықтехникалық параметрлерді өлшеу мен бақылаудың физикалық фотометрлік әдістерінің сұлбалары: а – тікелей есептеу (1-фотоэлектрлік түрлендіргіш; 2-амперметр); б – қайтарымдық (1- қайтарымдық элемент; 2-бастаушы түрлендіргіш; 3-амперметр)

Қайтарымдық әдісті (8.3-сурет, б) іске асырғанда сәуле шығару көздері Х және N кезектесіп бастаушы түрлендіргіштің 2 алдына қойылады. Бұл кезде өлшенетін ағын және салыстырылатын ағын қайтарымдық элементтің 1 көмегімен қалыптастыпылатын ток бірдей мәнде болатындай етіпі, өзгертіледі. Сәуле шығару көзі Х жарықтехникалық параметрлерінің ізделініп жатқан мәндері сәуле шығыру көзі N параметрлерінің белгілі мәндерін сәйкес коэффициентке көбейту жолымен анықталады. Жарықтехникалық параметрлерді өлшеудің физикалық фотометрлік құралдарына мыналар жатады: кремний фотоэлементті «фотометрлік орындық» (жарық күшін өлшеуге арналған), фотокөбейткішті фотометр (жарықтығын өлшеуге арналған), жарық күшінің таралуын өлшеуге арналған кремний элементті аспап, фотоэлементті фотометрлік шар (жарық ағынын өлшеуге арналған), кремний фотоэлементті люксометр (жарықтануын өлшеуге арналған), Льемта және Врен аспабы (жарық энергиясын өлшеуге арналған) және т.б.

Негізгі әдебиет: 1

Қосымша әдебиет: 8

Бақылау сұрақтары:

1. Электромагниттік сәуле шығарудың оптикалық спектрі немен сипатталады және оның өлшем бірліктері қандай?

2. Жарықтехникалық өлшеулердің негізгі принциптері және олардың мағыналары қандай?

3. Машинажасауда фотометрияның қандай көзбен бақылау әдістері мен құралдары қолданылады?

4. Өндірісте жарықтехникалық параметрлерді өлшеу мен бақылаудың қандай физикалық фотометрлік әдістері мен құралдары қолданылады?