Способ определения спектрального коэффициента яркости Советский патент 1988 года по МПК G01J1/10 

4 00 4ib

Is9

4

Изобретение относится к спектро- фотометрии и предназначено для измерений спектрального коэффициента яркости конструкционных и оптических . материалов, а также для аттестации стандартных образцов по спектральному коэффициенту яркости и спектральному коэффициенту диффузного отражения в инфракрасной области спектра. Q

Цель изобретения - повьппение точности определения коэффициента яркости в инфракрасной области спектра за счет -исключения погрешности, обусловленной собственным излучением об-jj разца. . . . На фиг. 1т-2 показаны схемы уста- новки для реализации способа при использовании сферических диффузных излучателей с температурой Т и Т. jg

Установка состоит из сферического осветителя 1, держателя 2 образца, установленного в.центре сферического осветителя 1, яркомера 3, который может занимать положение, при котором 25 он визирует поверхность сферического осветителя 1. Яркомер состоит из объектива, создающего изображение фотометрической поверхности на фотоприемнике 4 с монохроматической чувствительностью. Кроме того, в состав установки входит еще один сферический осветитель 5..

Способ Осуществляется следующим образом.

Устанавливают образец в держателе 35 образца первого сферического осветителя 1, нагревают его до температуры Т, устанавливают яркомер в положение Б, в котором он визирует участок поверхности образца в направлении А через отверстие в сферическом осветителе 1, измеряют сигнал яркомера ЛуС/Л). Устанавливают яркомер в положение В, при котором яркомер визируют на участок равнояркой поверхности сферического осветителя 1 и измеряют при этом сигнал яркомера ). Затем помещают образец 2 в держатель образцов второго сферического осветителя 5, устанавливают значение его темпе- 50 ратуры поверхности Т меньше, чем Т, а еще лучше - меньше, чем температура образца Тд. Устанавливают яркомер в положение Г, в котором он визирует участок поверхности образца в направ-55 лении А через отверстие в сферическом осветителе 5, измеряют сигнал яркомера JjC ). Устанавливают ярко30

40

мер в положение Д, при котором яркомер визирует участок равнояркой поверхности сферического осветителя 5 и измеряют при этом сигнал д(). Определяют коэффициент яркости образца в направлении А при диффузном освещении из соотношения

л () -, I J ) - J,(

Физическая сущность изобретения заключается в следующем. Коэффициент яркости образца в направлении А (при освещении в направлении С) равен отношению яркости L образца в направлении А и яркости идеального рассеивателя, освещаемого тем же потоком излучения, что и образец. Под идеальным рассеивателем понимают поверхность такого воображаемого тела, которое отражает 100% падающего на него потока излучения, причем яркость его LJ, во всех направлениях одинакова, т.е. согласно определению коэффициента яркости

л тА

(1)

Гс Г

Ч

где 5(. коэффициент яркости образца в направлении А, при освещении его в направлении С. Пусть участок образца находится в условиях идеального диффузного освещения, а это означает, что спектральная плотность энергетической яркости освещающего образец излучения во всем спектральном диапазоне и во всех направлениях строго одинакова, следовательно, такова же и яркость идеального рассеивателя, помещенного на место образца. Таким образом, если сформировать диффузный облучающий поток на образце, то измерение отношения яркостей облучающего диффузного потока Lg и отраженного потока LJ в направлении А дает значение коэффициента яркости

в - - Pd

СО

где индекс d при коэффициенте означает диффузное освещение образца. т.е., если измерить яркомером сигнал ) пропорциональной яркости ) образца в направлении А, освещаемого диффузным осветителем с температурой Т, и измерить сигнал яркомера Л( Л)

и яркость диффузного осветителя Ь- (Л, Т), то сигнал

J,( A) KLj(),

(3)

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрии яркомера и его чувстви- тельности. Сигнал

(4)

(5)

) К ЪоС-я, Т).

Отсюда

Ji( bjc-)

J(7k) ЬД, f) Однако выражение (3) является приближенным, так как относится к случаю, когда образец не излучает, что справедливо только тогда, когда абсолютная температура образца Т, равна 0. В том случае, когда „ О, сигнал J() яркомера зависит как от собственного излучения образца, так и от излучения, отраженного от образца

ЛД-д) , Т) +fijLo . Т), (6)

где L («А, Т) O(.LQ( A, l) описывает яркость за счет излучения образца, имеющего температуру ot - коэффициент, поглощения (или излучения) согласно закону излучения нагретого тела; t,(, Т) - яркость излучения абсолютно черного тела с температурой TQ .

Таким образом

:Л) .IiI ц.й«(7)

M .LoC-A. )

L ( И Т ) При Тр f О член отличен от

о

нуля и описывает систематическую погрешность коэффициента ,, Исключить эту систематическую погрещность позволяют дополнительные операции измерений сигналов Л( Л), J () по предлагаемому способу.

Действительно, сигнал яркомера () пропорциональный яркости образца, освещаемого диффузным осветителем с температурой Т, iT, равен

Л,Ь) , Т„) +/ijL( A, Т,).

(8)

Сигнал J ( Д) , пропорциональньй яркости диффузного осветителя с температурой Т., равен

Л4( А) К , Т, ).(9)

Из соотношений (6) и (8)следует - ) .o(, Т) - 1.,( Л, Т, )|.(10)

Из соотношений (4) и (9)следует

Ji( A) - (, Т )- Ь„( А. Т,).(11)

Отсюда из выражений (10)и (11) следует

0

(12)

il -Ji. А 0 J(i) J,(y r

Выражение (12) представляет собой коэффициент яркости , образца, не искаженный систематической погреш- , костью, обусловленной собственным излучением образца. Для того, чтобы погрешность определения разностей сигналов J,( A) - J( A) и J() - - Ji ( А) была как можно меньше, температура Т: должна быть меньше Т, а еще лучше, если Т, Т (Т - температура образца).

Из выражения (7) видно, что сис- . тематическая погрешность определения коэффициента яркости измерения особенно велика, если температура образца TO высока и близка к температуре диффузного осветителя Т, а коэффициент яркости много меньше единицы.

В этом случае систематическая погрешность определения ftj может достигать 100% и более.

Пример. Пусть для реализации способа используется установка, показанная на чертеже. В качестве сферического диффузного.излучателя с температурой Т 1000-1100 К может

быть применена замкнутая теплоизолированная сферическая полость, а в качестве диффузного излучааеля с Т 77 К может быть применен сферический сосуд, заполненный жидким азотом, при этом оба диффузных излучателя по- мещены-в вакуумный объем, яркомер имеет зеркальный об1,ектив и монохро- мотор для вьщеления длины волны 20 мкм.

Пусть измерения , проводятся при Формула изобретения

комнатной температуре, Т 300 К, значение 0,05.

Погрешность измерения

).110д% LoUjt Т.

г1

д ..Lo( . (13)

р;«

При оценке погрешности можно считать, что диффузные источники излу- чепия излучают как черное тело с .температурой Т, а образец как черное тело с температурой Т (так как коэффициент излучения образца .-i; 0,95).

Для оценки погрешности на «Л 20 мкм излучение диффузного источника при температуре Т и образца при температуре Т можно воспользоваться формулой Релея-Джинса

10

15

20

Способ определения спектрального коэффициента яркости, заключающийся в том, что освещают образец в телесном угле 2(Г диффузным потоком излучения от равнояркого источника с температурой Т, измеряют сигнал Л,( Д) на длине, волны , пропорциональный яркости поверхности образца в направлении А, измеряют сигнал J( /), пропорциональный яркости освещающего образец равнояркого источника в том же телесном угле, и определяют значение коэффициента яркости Й() образца в направлении А при диффузном освещении, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности определения коэффициента яркости- в инфракрасной области спектра за счет исключения погрешности, обусловленной собственным излучением образца, дополнительно измеряют сигнал ), пропорциональный яркости образца в направлении А, освещаемого в теле- сном угле 2 равноярким дополнительным источником с температурой Т, причем с Т, дополнительно измеряют сигнал J (Л) пропорциональный яркости дополнительного равнояркого источника с температурой Т, в том же телесном угле, а значение коэффициента яркости образца в направлении А при диффузном освещении определяют из соотношения:

L(T) р Т,(14)

где Ср - скорость света,

k - постоянная Больцмана.

Согласие с точной формулой Планка для i 20 мкм и температур Т 300 К и Т 1000 К лучше 5%.

Подставив соотношение (14) в соотношение (13) имеем

Те 100% Т 0705

660%,

т.е. составляющая погрешности измерений составляет 660%.

Предлагаемый способ позволяет не- ключить эту составляющую погрешности.

Таким образом, предлагаемый способ определения спектрального коэффициента яркости позволяет значительно повысить точность его определения.

Способ определения спектрального коэффициента яркости, заключающийся в том, что освещают образец в телесном угле 2(Г диффузным потоком излучения от равнояркого источника с температурой Т, измеряют сигнал Л,( Д) на длине, волны , пропорциональный яркости поверхности образца в направлении А, измеряют сигнал J( /), пропорциональный яркости освещающего образец равнояркого источника в том же телесном угле, и определяют значение коэффициента яркости Й() образца в направлении А при диффузном освещении, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности определения коэффициента яркости- в инфракрасной области спектра за счет исключения погрешности, обусловленной собственным излучением образца, дополнительно измеряют сигнал ), пропорциональный яркости образца в направлении А, освещаемого в теле- - сном угле 2 равноярким дополнительным источником с температурой Т, причем с Т, дополнительно измеряют сигнал J (Л) пропорциональный яркости дополнительного равнояркого источника с температурой Т, в том же телесном угле, а значение коэффициента яркости образца в направлении А при диффузном освещении определяют из соотношения:

p;w

40

1(( A) - )

Визирование , 8 направлении А j Lv

фуг. 1

МГ

tf Освещение д на- п(за8ленаа С

3У

Изобретение относится к области спектрофотометрии и может быть применено для измерений спектрального коэффициента яркости конструктивных и оптических материалов, а также для аттестации стандартных образцов по спектральному коэффициенту яркости и спектральному коэффициенту диффузии отражения в инфракрасной области. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента яркости в инфракрасной области спектра. Способ основан на измерении коэффициента яркости образца при диффузном освещении. Новым в способе является исключение систематической погрешности, обусловленной собственным тепловым излучением образца за счет дополнительньк измерений сигналов яркомера при диффузном освещении его от дополнительного осветителя с малой яркостью излучения. 2 ил. 9 (Л