6.
Fotometriai műszerek
6. Radiometriai, fotometriai és színmérési műszerek A fotometriai méréseket régebben vizuálisan végezték a távolságtörvény alapján, összehasonlítva az ismeretlen fényforrás által létrehozott megvilágítást egy referencia fényforrás által létrehozottal. A 6 - 1 ábrán láthatjuk a hagyományos módszer egyszerű példáját. Középen áll egy részben áttetsző, fényt szűrő ernyő (a "zsírfolt fotométer" esetén egy papírlap, melynek közepén zsír-vagy olajfolt van, s ez áttetszővé teszi). Ha az ernyő két oldalának megvilágítása azonos, úgy az ernyőről visszaverődő és az ernyőn átszóródó fény összege azonos, a folt eltűnik. Ezt az állapotot kell megkeresni az lT illetve lR távolság változtatásával. Feltételezve, hogy a "Teszt" sugárzó és a "Referencia" sugárzó pontszerű, az l2 ernyő megvilágítása: E T = I T / l T2 = E R = I R / l R2 , s így I T = I R T2 ahol IT és IR a Test sugárzó lR illetve a Referencia sugárzó fényerőssége.
6 - 1. ábra: "Zsírfolt" fotométer .
6 - 2. ábra: Vizuális fotométer Lummer-Brodhun kockával. A gyakorlatban az egyszerű zsírfolt fotométernél bonyolultabb összehasonlító eszközökre van szükség. Egy, még napjainkban is használatos vizuális fotométer a Lummer Brodhun kockát használja (lásd 6 - 2 ábra), melynél fehér, a fényt szóró gipszlemez két oldalát világítja meg a két sugárnyaláb, s az elválasztó határvonal eltűnését kell beállítani. A 82
6. Fotometriai műszerek megvilágítás-egyenlőség finomabb beállításához a fényt kevéssé csökkentő szürke szűrőn keresztül vezetik az egyik látótérfélből a másikhoz és viszont, ez által kontrasztoló szegmens részeket hoznak létre. Az ábrában feltüntettük a látómező képét is, a jobb érthetőség kedvéért erősen eltérő színekkel. Szemünk a kontrasztegyenlőségre igen érzékeny, ezért ezzel az elrendezéssel viszonylag pontos méréseket lehetett végezni. (A 3. mellékletben röviden áttekintjük a vizuális fotométerek fejlődését is.) Vizuális fotométerrel a munka fárasztó és szubjektív hibákhoz vezethet. A különböző fényelektromos detektorok kidolgozásával objektív műszereket lehetett építeni. Az alábbiakban a képernyős munkahelyek vizsgálatánál legfontosabb két fotometriai mennyiség, a megvilágítás és a fénysűrűség mérésére használatos objektív műszereket ismertetjük. 6.1 Színképi illesztés A fotodetektorok tárgyalásánál láttuk, hogy azok színképi érzékenysége eltér az emberi szem színképi érzékenységétől, amit a V(λ) függvénnyel írtunk le (l. 4.2.1 fejezet). Ezért a detektor érzékenységét hozzá kell illeszteni a V(λ)-görbéhez. Ezt általában színes optikai szűrőüvegek segítségével csinálják: Jól megválasztott színes szűrőüvegek számítógéppel meghatározott vastagságú darabjait egymás mögé helyezik, hogy ez a rendszer azon hullámhossztartományokban ahol a fényelem érzékenysége nagyobb, mint azt a V(λ) függvény megkívánja, elnyelje a fölösleges sugárzást. Egy más rendszerben egymás mellé helyezett apró színszűrő darabkákkal valósítják meg a színképi illesztést. Ennek technológiai részletei azonban már túlzottan messzire vezetnének. A 6 - 3. ábra szűrőzetlen és szűrőzött Si fényelem relatív színképi érzékenységét szemlélteti. Feltüntettük az elérendő, V(λ) görbét is. Látható, hogy szűrőzetlen állapotban az érzékenység mind a vörös és közeli infravörös, mind a kék színképtartományban túlzottan nagy.
1 0.9 0.8 rel. érzékenység
szûrõzött det. 0.7 V(l) 0.6
Si-fényelem
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400
500
600
700
hullám hossz, nm
6 - 3. ábra Si-fényelem relatív színképi érzékenysége szűrőzés nélkül és szűrőzve, valamint a V(λ) görbe. A szűrőzés jóságára az jellemző, hogy a szűrőzött fényelem színképi érzékenysége mennyire jól közelíti a V(λ) görbét. Az objektív összehasonlíthatóság érdekében kidolgoztak egy mérőszámot is, mely az illesztés jósági jellemzője1. Fotometriai műszereket általában a CIE A sugárzáseloszlásának megfelelő fényforrással szoktak kalibrálni. Ezért minden fénymérő műszer CIE A fényforrással megvilágítva elvileg helyes értéket mutat. A színképi illesztésnél olyan mérőszámra van szükségünk, mely arra ad választ, hogy ha nem ezzel a 83
6.
Fotometriai műszerek
fényforrással világítjuk meg a detektort, hanem egy ettől eltérő színképi teljesítményeloszlású sugárzóval, pl. a monitor fényporai által emittált sugárzással, akkor mekkora eltérésre számíthatunk a mért és a "helyes" érték között. Az f1'-vel jelölt jósági index a szűrőzött detektor relatív színképi érzékenységének, s*(λ)rel , a V(λ) görbétől való eltérését méri: 780 nm
f = ' 1
(6 - 1)
∫ s * (λ )rel − V(λ )d λ
380 nm 780 nm
∫ V(λ ) dλ
⋅ 100 %
380 nm
ahol 780 nm
s * (λ )rel =
(6 - 2)
∫ S (λ ) ⋅ V(λ ) ⋅ dλ
380 nm 780 nm
∫ S (λ ) ⋅ s (λ )rel ⋅ dλ
⋅ s (λ )rel
380 nm
és S(λ) a vizsgáló színképi teljesítmény-eloszlás, pl. CIE A sugárzáseloszlás, s(λ)rel pedig a detektor relatív színképi érzékenysége. Átlagosan illesztett Si-fényelemes megvilágításmérő f1' értéke 2 % és 3 % között van, a legjobb illesztések az 1,2 %... 1,5 % között fekszenek. 6.2 Megvilágításmérő A megvilágításmérő (sokszor pongyolán luxmérőnek is hívják1) a féltérből az adott felületet érő fényáramot kell, hogy mérje (l. 4.2.2 fejezet). Ehhez a megvilágításmérő detektora "cosinus-korrigált" kell, hogy legyen. A cos-korrekció szokásos módszerét szemlélteti a 6 - 4 ábra. opál üveg
árnyékoló gyûrû
színszûrõ köteg
fényelem
6 - 4. ábra: Megvilágításmérő bemenő optikája. 1
A szabatos szóhasználat érdekében meg kell különböztetnünk a fizikai/pszichofizikai mennyiségeket azok mértékegységeiket. A mérőműszer a mennyiség mérését teszi lehetővé, tehát pl. a megvilágításét, és a kijelzett számérték az adott mennyiség mértékegységében nyújt számszerű információt, tehát pl. hogy hány lux a megvilágítás.
84
6. Fotometriai műszerek Bemenő optikaként opálüveget vagy műanyag lemezt használnak, mely a fényt erősen szórja. Ideális esetben az opálüveg test fényáteresztése a beeső sugárzás irányától független, s így a cosinus törvénynek eleget tesz. Ez azonban csak az opálüveg testbe behatolt sugárzásra igaz. A homlokfelületen létrejövő reflexió a beesési iránytól függ. Az irányfüggés csökkenthető, ha a felületet mattitjuk, akkor azonban nehezebb a felületről a szennyezést eltávolítani, ezért a gyakorlatban ezt a megoldást nem szokták használni. A tükrözően sima felület esetén a fényvisszaverés a Fresnel reflexió törvényét követi, és az opálüvegnek a levegőre vonatkoztatott törésmutatójától valamint a beesési szögtől függ. Inkoherens sugárzás esetén növekvő beesési szöggel a reflexiós veszteség monoton nő. Ezt kompenzálhatjuk, ha ferde beesésnél nem csupán a homlokfelületen át juthat a fény az üvegtestbe, de az oldalfalon át is. Ezért az opálüveg test kiáll a műszer homloklapjából, így oldal irányból is tud fényt felvenni. Ugyanakkor ezen többletfény bevezetésnek is határt kell szabnunk: az érzékelő normálisához képest 90° alatt érkező sugárzásra már nem szabad, hogy érzékeny legyen a rendszer, ezért az opálüveg test körül bizonyos távolságra árnyékoló gyűrűt helyeznek. Azzal, hogy mennyire áll ki az opálüveg test és hogy milyen távol van ez a gyűrű, lehet szabályozni a cos-korrekció jóságát. Monitorok megvilágításmérésénél fontos, hogy jól cos-korrigált megvilágításmérőt használjunk, mert a mérendő megvilágítást igen sokszor ferdén beeső fénysugarak hozzák létre. A 6 - 4. ábrán láttuk a megvilágításmérő szokásos bemenő optikáját. A fényelem kimenő jelét - mint azt az 5.2.1 fejezetben tanultuk - rövidzár üzemmódban kell mérnünk ahhoz, hogy a kimenő jel a megvilágítással egyenesen arányos legyen. Ezt a feladatot kiválóan ellátja a műveleti erősítős áram/feszültség konverter. A rendszer áram-feszültség átalakítási érzékenységét a műveleti erősítő visszacsatoló ellenállásával lehet változtatni. A gyakorlati felépítésben ezt analóg - digitál konverter (A/D átalakító) követi, melyhez digitális kijelző kapcsolódik. (Olcsóbb megvilágításmérőkben sokszor a nagyobb dinamikus átfogást biztosító analóg-frekvencia konvektert és számlálót használnak.) Egy megvilágításmérő elvi felépítésére mutat példát a 6 - 5 ábra. mérõfej
méréshatár váltás A/D átalakító
erõsítõ
kijelzõ
6 - 5. ábra: Megvilágításmérő elvi felépítése. 6.3 Fénysűrűség-mérő Az informatikai gyakorlatban a másik mérendő fotometriai mennyiség a fénysűrűség. Elméletileg a fényűrűség a végtelenül kis térszögből érkező fényáram (l. 4.2.2 fejezet). Természetesen ilyen körülmények között a detektor besugárzása végtelenül kicsiny lenne, ami végtelenül nagy zaj/jel értékhez vezetne. A gyakorlatban kompromisszumot kell kötnünk, 85
6.
Fotometriai műszerek
csak véges térszögből átlagos fénysűrűséget tudunk mérni. Az a térszög, melyből a fénysűrűség-mérő adott intenzitásviszonyok között megfelelő jel/zaj viszony mellett mérni képes, a műszer érzékenységének fokmérője. Mivel nagyobb érzékenységű műszer általában drágább, fénysűrűség-mérő vásárlása előtt tudnunk kell, hogy mire kívánjuk használni, s annak ismeretében kell specifikálnunk a műszert. Képernyők vizsgálatakor a legkritikusabb fénysűrűség mérési feladat a néhány pixel méretű tartomány mérése. Ehhez 0,1° ... 0,2° látószögű műszert kell használnunk. Ha azonban csak a képernyő fénysűrűség-egyenletességének meghatározása a feladatunk, akkor elegendő egy 2°-os látómezejű fénysűrűség-mérő. A 6 - 6. ábra fénysűrűség-mérő elvi felépítését szemlélteti. bemenõ optika
fotoelek tronsok szorozó látótér határoló blende k ijelzõ
látószög
erõsítõ
V(λ ) szûrõ nagyfeszültség
6 - 6. ábra: Fénysűrűség-mérő elvi felépítése A látómező méretét a leképező optika fókusztávolsága és a látóteret határoló blende mérete szabja meg. Általában a rendszert kombinálják egy távcsővel is, hogy a felhasználó pontosan be tudja állítani azt a képrészletet, melynek fénysűrűségét meg kívánja határozni. További kényelmi kiegészítés, ha a műszer több látószöggel tud dolgozni. Ehhez a műszeren elhelyeznek egy váltóberendezést, melynek segítségével ki tudjuk választani az optimális látószöget. Fénysűrűség-mérőnél épp úgy, mint a megvilágításmérőnél fontos, hogy a detektor színképi érzékenységét hozzáigazítsuk az emberi szem érzékenységéhez, így itt is szerepel egy V(λ) szűrő. A 6 - 7 ábrán feltüntetett elrendezésnél 1 jelzi a bemenő optikát, 2 a látómező határoló blende, mely mögött van a kis fényterelő tükör, mely a mérendő sugarat lefelé irányítja. A teljes kép fénye a 3 blendén keresztül jut a 7 távcsőbe, majd a 8 szemébe. A kiválasztott megfigyelő képelemet a környezettől a 4 blende választja le. Mögötte foglal helyet az 5 V(λ) illesztő szűrő és a 6 fotodetektor. 6 - 7. ábra: Fénysűrűség-mérő optikai vázlata.
86
6. Fotometriai műszerek Ha az a követelmény, hogy a műszer kis fénysűrűségek mérésére is alkalmas legyen, vagy kis látószögek kiválasztását is lehetővé tegye, akkor nagyérzékenységű detektort kell választanunk. Gyakorlatban rendszerint fotoelektronsokszorozó kerül felhasználásra. Ezek színképi illesztése nehezebb mint a Si-fényelemeké, a fotokatódok spektrális érzékenysége időben kevésbé állandó mint a Si-fényelemeké, ezért fénysűrűség-mérőknél általában meg kell elégedni a 3 % körüli f1' értékkel. Fénysűrűség mérésnél lényeges, hogy a látómezőben a műszer érzékenysége állandó legyen, hogy jól átlagolja a vizsgált terület fénysűrűség képét, de a látómezőn kívül elhelyezkedő nagy fénysűrűségű területek ne zavarják a mérést. Ezt szokás úgy ellenőrizni, hogy nagyobb fénysűrűségű fényforrást először úgy helyezünk el a fénysűrűség-mérő előtt, hogy képe teljesen belül legyen a látómezőn, majd fokozatosan oldalirányba kitoljuk a fényforrást a látómezőből, közben figyelve a mért jelet, mely ideális esetben nem változik, amíg a fényforrás teljesen látszik a látómezőben, majd fokozatosan csökken a jel, míg végül zérusra csökken, ha a fényforrás már nem látszik a látómezőben. Természeten gondoskodni kell arról, hogy ezen esetben szórt fény se legyen a hasznos látómező részen. Ha ebben az esetben maradék jelet tapasztalunk, ez az oldalt lévő fényforrás szórt jele, melyet korrekcióba kell venni. A megvilágítás és fénysűrűség mérés további kérdéseivel CIE publikációk2,3 és fotometriai tankönyvek4 foglalkoznak. 6.4 Képi információ felvétele Sokszor nem elegendő, hogy a fénysűrűséget egyes pontokban határozzuk meg, hanem annak eloszlására vagyunk kíváncsiak. Ehhez a fénysűrűséget sok pontban kell meghatározni. Ilyen feladat előtt állunk, ha pl. a képernyőn a fényűrűség eloszlást akarjuk megmérni, vagy – mint azt majd az informatikus világítástechnikai feladatainak ismertetésével kapcsolatban látni fogjuk (9. fejezet) – arra kell választ adnunk, hogy egy munkahely világítása, az ott észlelhető kontaszt kielégítő-e, vagy az esetleg fellépő kápráztatás nem túlzottan nagy-e. A mai modern képfelvevő eszközök, elsősorban a CCD jellegű kamerák, lehetőséget adnak arra, hogy a látótér nagyobb területéről egy lépésben rögzítsünk fénysűrűség-eloszlás információt. Egy CCD kamera metszeti képét szemlélteti a 6 - 8 ábra. A CCD érzékelő légmentesen zárt belső kamrában van, melybe a sugárzás a belépő ablakon keresztül jut. Ez a kamra gondoskodik arról is, hogy a belső tér hőmérsékletét a környezet hőmérséklete alá hűthessük, a jobb jel/zaj viszony érdekében. Ezt termoelektromos (Peltier) hűtőkkel szokás megvalósítani. A zárt kamra közvetlen közelében (az ábrán alatta) helyezkedik el a kiolvasó elektronika, mely pl. videó kimenő jelet hoz létre. A CCD kamera a videó technika standard képfelvevő eleme. A fotometriában még nem terjedt el, mert színképi illesztése nehezebb, mint az egy-csatornás fénysűrűség-mérőé. A CCD mátrix pixeleinek érzékenysége spektrálisan is és abszolút értékben is helyfüggő ingadozást mutathat. Az abszolút változásokat a számítógépben korrigálhatjuk, a színképi változások azonban az egyes pixelek f1′ értékének változásában jelentkeznek. További kutató munkára van szükség ahhoz is, hogy miként lehet az igen nagy mennyiségű adatból a hasznosakat kiválogatni. Az ezzel kapcsolatos kutatómunkát nemzetközileg a CIE hangolja össze. Ebben tanszékünk is aktívan részt vesz. Vizsgáljuk a CCD kamerák fotometriai és színmérési illesztését, az elérhető mérési pontosságot, illetve a maradék hibák becslését és részbeni figyelembevételét valamint linearitási, áthallási kérdéseket. Fontos, tisztázatlan kérdés ezen a téren az analizálandó képben fellépő kontrasztok és a számítógépes képben jelentkező kontrasztok összevetése. Szemünk
87
6.
Fotometriai műszerek
kontrasztérzékenysége eltér a kameráétól, eltérő az a fénysűrűség arány is, amit az emberi szem illetve a kamera fel tud dolgozni, s megint csak eltérő az az érték, amit meg tudunk jelenítni, ha a mért értékeket vizuális élménnyel is gazdagítani kívánjuk. Mindezekkel speciálkollégiumok során találkozik majd az érdeklődő.
6 - 8. ábra: CCD kamera metszeti képe5. A CCD kamerák legfőbb alkalmazási területe a televízió. Az alábbiakban röviden ismertetjük a félvezetős kamerára vonatkozó fontosabb megállapításokat6. Az általános célú kamera felépítése a következő: lencsék detektortömbbe gyűjtik a fényt. Az innen elvezetett jelet különböző eljárásokkal (gamma korrekció, szűrés, simítás) soros kimenő analóg jellé alakítjuk (videó jel), esetleg még a kamerában digitalizáljuk. A videojel megjelenítésére jelenleg három szabványt használnak: NTSC, PAL, SECAM. Ezen rendszerek névleges sávszélessége rendre 4,5; 5,5 és 6 MHz. Az általánosan használt videó kimenő jelforma összetett, tartalmazza a fénysűrűség (luminance) jelet, színhordozókat és időzítés információkat. Ez a jel már TV kábelen továbbítható. A másik jelforma, melyet alkotóelemes video jelnek neveznek, külön vezetéken szállítja az RGB értékét. Általában ezen esetben a G csatorna jele fénysűrűség információt tartalmaz, mely a szinkronizáló jelet is viszi. Ezen esetben a jelek dekódolása nem szükséges, így a képek minősége nem romlik. A különböző szabványok a fénysűrűség és a színhordozó, valamint a szinkronizáló jelek kódolásának más-más módszerét használják. Általában megegyeznek abban, hogy az egyik jel a fénysűrűség (luminance) információt hordozza, de a szín-kódolásban már eltérnek. 88
6. Fotometriai műszerek A kódolást, majd a vevő elemben a dekódolást mátrix-transzformációs módszerekkel végzik. Ez lehetővé teszi különböző színterek használatát is. A kamerához tartozik a jelátvitel is. A digitális videó jelátvitel előnye az analóggal szemben, hogy viszonylag jól ellenáll a zajnak. (bit vagy van, vagy nincs). Ennél az átvitelnél az alkotóelemes videójelet soros folyammá multiplexelik, és így egyszerű kábelen továbbíthatóvá teszik. A jelek lineáris vagy nem-lineáris feldolgozásának is számos módszere terjedt el. A katódsugárcsöves monitorban a létrehozott fénysűrűség exponenciálisan függ a vezérlő jeltől, ezt hívják gamma-függésnek (monitorokkal kapcsolatban ezzel a kérdéssel a 8. fejezetben foglalkozunk majd). Ezt a nemlineáris függést a televíziós technikában az adó oldalon korrigálják. . A televíziós képátvitelnél további torzításokat is beépítenek a rendszerbe, hogy a csúcsfényeket is kezelni tudja a rendszer. Mérésre használt CCD kameránál az ilyen nemlineáris torzítások azonban előnytelenek, az ezzel kapcsolatos áramköröket ki kell kapcsolni A televíziós technika területén meg kell még emlékeznünk a nagyfelbontású, un. HDTV televízióról (High Definition Television), amely talán a közeljövő szabványa lehet. Ez a rendszer a jelenlegi NTSC, PAL, SECAM rendszerek felbontásának kétszeresét biztosítaná. A gyártók részéről még nincs elfogadott szabvány, mert nehéz a mai szabványokkal, a mai készülékekkel egyeztetni. Ugyanakkor már számos országban kísérleteznek HDTV. A tudományos célra szolgáló CCD kameráknál sokszor igen kis intenzitásokat kell észlelni. Ehhez a kamera aktív elemét hűtik. Ezzel elérhető, hogy igen hosszú (akár több órás) integrációs időket hozzanak létre, s a hosszú idő alatt beérkező foton-fluxust integrálják. Az érzékenység növelésének másik módja, hogy a CCD kamera aktív eleme elé képerősítőt helyeznek, mely hasonlít a fotoelektronsokszorozóhoz, a beérkező fotonokat fotokatód elektronárammá alakítja, ezeket vagy u.n. micro-channel plate szerkezetű elektronsokszororozó sokszorozza, vagy elektronoptikai képerősítő erősíti, s fényporos felület alakítja ismét képpé. Ezt látja a CCD érzékelő s alakítja elektromos jellé. 6.5 Színképi bontással működő berendezések Számos esetben szükségünk van arra is, hogy ismerjük a beérkező optikai sugárzás színképi összetételét. Így pl. ahhoz, hogy a monitoron és a nyomtatón megjelenített kép által okozott színészleletek különbözőségét analizálni tudjuk, szükségünk van a színkép ismeretére. A monitor által emittált és a nyomtatott képről visszavert sugárzást spektrométerekkel vizsgáljuk. 6.5.1 Színképbontó műszerek felépítése, működése A színképi bontás különböző fizikai elvek szerint történhet. •
Interferenciás szűrő
Interferenciás szűrővel a sugárzás szűk színképtartományát különíthetjük el. Működésének alapelvét a féminterferenciás szűrő alapján a 6 - 9. ábrán szemléltetjük. A beérkező sugárnyaláb az üveglap felületére felvitt vékony fémrétegen (f) részben visszaverődik, de részben behatol az alatta fekvő vékony dielektrikumrétegbe (d). A második határfelületen, a fémréteg és az üveglemez határfelületén ugyancsak létrejön a nyaláb további osztódása visszavert és áthaladó nyalábra. Az alsó fémrétegről visszavert nyaláb ismét áthalad a rétegen, s az első határfelületen ismét lejátszódik a nyaláb osztódása. De az itt visszaverődő sugár (a) együtt halad ismét a rétegben egy első belépést végzett sugárral (b). Ha a két sugár azonos 89
6.
Fotometriai műszerek
síkhullám része volt, most a két sugár között úthossz különbség van: A beesési merőlegestől számolt α szögtől, a dielektrikum törésmutatójától és rétegvastagságától (t) függ, hogy mely hullámhosszúságú sugárzás esetén erősíti egymást a két sugár, s mely hullámhossz esetén oltja ki, illetve gyengíti egymást. A pontos számításhoz figyelembe kell venni azt is, hogy a különböző határfelületeken a visszavert sugár fázisugrást szenved.
a
b α
f β
d
t
f
üveglemez
6 - 9. ábra Interferenciás szűrő működése. Az interferenciás szűrő gyakorlati megvalósításakor a vékonyréteg két oldalára vagy félig áteresztő fémréteget párologtatnak fel ahhoz, hogy kellő erősségű legyen a visszavert, illetve áthaladó sugár erőssége, vagy különböző törésmutatójú dielektrikum rétegek egymásra történő rétegezésével állítják elő az interferáló rendszert. Az elsőt fém-interferenciás szűrőnek hívjuk, a másodikat dielektrikum szűrőnek. Mivel ha erősítő interferencia jön létre a λ hullámhosszon, úgy erősítő interferencia fog létrejönni a λ/2 hullámhosszon is, az un. magasabb rendek vágásáról külön kell gondoskodni. Általában színes üvegre párologtatják az interferenciás réteget, mely a nem kívánt hullámhosszúságú sugárzást elnyeli. Több interferáló réteg egymásra történő felvitelével keskenyebb sáváteresztést, monokromatikusabb sugárzást tudunk létrehozni. A szűrő alkalmazásánál ügyelni kell arra, hogy a sugárforrás felé mindig az interferenciás réteget fordítsuk, mivel erről a nem kívánt sugárzás nagy része visszaverődik, s így a szűrőt nem melegíti. Ha azonban a színes üvegszűrőt fordítanánk a sugárforrás felé, annak elnyelési sávjába eső sugárzás a szűrőben alakulna hővé, s ez erős sugárzás esetén tönkre is teheti a szűrőt. További szempont, amire interferenciás szűrő használata esetén ügyelnünk kell, hogy az erősítő interferencia létrejöttének hullámhossza függ a beesés szögétől. Az interferenciás szűrőt kissé ferdén a sugárnyalábba helyezve változtathatjuk (hangolhatjuk) az áteresztési hullámhosszat. Ugyanakkor, ha nem párhuzamos sugárnyalábba helyezzük az interferenciás szűrőt, akkor az áteresztett nyaláb sávszélessége megnő, a
90
6. Fotometriai műszerek maximális áteresztés értéke csökken. A 6 –10. ábrán féminterferenciás szűrő színképi áteresztését láthatjuk merőleges beesés és kb. 10°-os ferde beesés esetén. 16.00 14.00 0° transzmisszió, %
12.00
10°
10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
hullámhossz, nm
6 - 10. ábra: Féminterferenciás szűrő színképi áteresztése merőleges és ferde szögű beesés esetén. Interferenciás szűrőt lehet úgy is készíteni, hogy az interferenciás réteg vastagsága helyről helyre változzék. Ha ilyen interferenciás szűrő ék elé rést helyezünk, s azon keresztül világítjuk meg a szűrőt, és gondoskodunk arról is, hogy a szűrőt a rés síkjára merőlegesen elmozdítsuk, úgy egyszerű szerkezetű monokromátort tudunk készíteni. Ilyen elrendezés példáját láthatjuk a 6 - 11 ábrán.
ékes interferenciás réteg
belépõrés
interferenciaszûrõék mozgatási iránya
fotodetektor
6 - 11. ábra: Interferenciaszűrő-ékes monokromátor elvi felépítése. 91
6. •
Fotometriai műszerek Optikai rács
Nagyobb igényű monokromatizáláshoz napjainkban szinte kizárólag rácsos monokromátort használnak. Az optikai rács működhet áteső fényben is, visszavert fényben is. Az optikai rács nagyszámú, egymástól azonos távolságra elhelyezkedő rovátkából áll. Elvi vázlatát a 6 - 12.a) ábra szemlélteti. Az α szög alatt beeső síkhullám az egyes nyílásokon áthaladva elhajlik (l. 2.2 fejezet). Az α szöggel jellemzett irányban keletkezik a nulladik rendű főmaximum. Az elhajlási képben a β szöggel jellemzett irányban az egyes, egymástól d távolságban lévő réseken áthatolt sugárzás interferál. Az egyes, szomszédos réseken áthaladt sugárzás közötti úthossz különbség d(sinα+sinβ). Ha ez az érték a λ hullámhosszúságú sugárzás hullámhosszának egész számú többszöröse, úgy az egyes réseken adott irányban elhajlott sugárzás erősíti egymást. Az optikai rács általános egyenlete d (sinα+sinβ) = m⋅λ
(6 - 3)
α
α
d sin α
β
α
d sin β
β
d
a)
b)
6 - 12. ábra. Az optikai rács vázlata. a) ábra: hat résből álló rács nulladik rendjének és egy elhajlási képének iránya; b) két rés felnagyított képe, hogy a két sugárnyaláb közötti útkülönbség látható legyen. Az m értékét az elhajlási színkép rendszámának nevezzük. A megfigyelési szög változtatásával változik annak a hullámhossznak az értéke, melyre az erősítés feltétele teljesül, s így a megfigyelés szögének függvényében színképet láthatunk. Az interferenciás szűrőhöz hasonlóan itt is azt tapasztaljuk, hogy a különböző rendek egymásra átlapoló színképet hoznak létre. Merőleges beesés esetén a (6 - 3) egyenlet azt mutatja, hogy pl. ha valamely irányban a másodrendű színkép 500 nm-es vonala látszik, úgy ugyanezen irányban látszik majd a harmadrendű színkép 333 nm-es vonala. A nem kívánt magasabb rendű színképeket szűrős, vagy prizmás monokromátorral kell eltávolítani. Optikai rácsot általában reflexióban használunk. Ezeknek ma két fajtája a szokásos. A klasszikus technológiával készül az un. osztott rács, melynél a rácsvonalkákat megfelelő anyagba karcolt vonalak formájában készítik. A karcolási technikától függően adott rend és adott hullámhossz-tartomány számára lehet a visszavert fényt maximalizálni (un blaze-szöget beállítva). Az ilyen osztott rácsokról készítenek másolatokat, replikákat is, mivel a rács-osztás a mikro-mechanika csúcs-technológiái közé tartozik. Ha a rács-osztás nem elég pontosan, 92
6. Fotometriai műszerek hanem pl. helyfüggően hol sűrűbben helyezkednek el a rácsvonalak, hol ritkábban, akkor a rács adott irányba különböző hullámhosszúságú színkép-tartományokat juttat, un szellemképek keletkeznek. A replika rácsok sokkal olcsóbbak, mint az elsődlegesen osztott rácsok, de közepes igényű spektométerek számára kielégítő teljesítményt nyújtanak. A modern optikai rácsok holografikus technikával készülnek, így szellemképektől mentesek. Ezzel szemben a megfelelő blaze-szög beállítása okoz több nehézséget. •
Rácsos monokromátor felépítése
Legtöbb optikai rácsot síkhullámmal kell megvilágítani. Ehhez a monokromátor bemenő ablaka optikai rés (a monokromátortól elvárt felbontóképességtől függően néhány mikron és néhány száz mikron, sok esetben változtatható szélességű rés). Az ezen áthaladó sugárzás gömb, drágább monokromátornál tengelyen kívüli parabola tükörre esik, mely a sugárzást párhuzamosítja (kollimátor tükör), lásd 6 - 13. ábra, mely az un. Ebert elrendezésű monokromátorra mutat példát. A rácsról visszaverődő, adott – általában első – rend irányában helyezik el az analizátor gömb (vagy ismét parabola) tükröt, s ennek fókuszsíkjában a kilépőrést. Az ábrán mutatott két síktükör lehetővé teszi azt, hogy a belépő és kilépő sugárzás azonos irányba essen. A rács forgatható asztalon áll, s ennek elforgatásával hozzák a különböző hullámhosszúságú sugárzást a kilépő-rés irányába. Miként említettük, adott hullámhosszúságú sugárzás 1. rendű rácsképe összeesik a fele akkora hullámhosszúságú sugárzás 2. rendű rácsképével. Ezt a nem kívánt sugárzást a monokromátor elé helyezett un vágó-szűrővel lehet eltávolítani. Mai modern monokromátoroknál a hullámhossz beállítást léptetőmotoros, számítógép vezérelt mechanizmus végzi, mely egyúttal különböző hullámhosszaknál a rövidebb hullámhosszúságú színképrészek kiszűrését végző vágó-szűrők váltását is vezérli. A vágó-szűrők helyett drágább készülékeknél használnak prizmás előmonokromatizálást is (lásd prizmás monokromátorok).
belépõrés kollimátor tükör
optikai rács analizátor tükör
kilépõrés 6 - 13. ábra: Rácsos monokromátor elvi felépítése.
93
6.
Fotometriai műszerek
A monokromátor felbontását több tényező befolyásolja: a kilépőrés síkjában a belépő rés képe jelenik meg, a rés szélességének függvényében így változik az átbocsátott fény tisztasága, monokromatikussága. A monokromátor szögfelbontását (diszperzióját) az szabja meg, hogy milyen finom osztással készült a rács. A látható színképtartomány számára a 600 vonal/mm osztású rácsokat szokták használni. Adott rendben egy oktáv (pl. 400 nm – 800 nm) szögdiszperziója a 600 vonal/mm esetén kétszer akkora, mint 300 vonal/mm esetén. Az optikai rács felbontóképessége (λ/∆λ) az alkalmazott rend értékével és a rácsszínkép kialakításában résztvevő rácsvonalak számának (N) szorzatával egyenlő: (λ/∆λ) = m⋅N
(6 - 4)
Ezért fontos, hogy a rácsot a monokromátorban egyenletesen és minél nagyobb területén világítsuk ki. Ez az elvi határ, amit felbontásban végtelen vékony rés esetén el tudunk érni. Nagyfelbontású analitikai rendszereknél dolgozták ki a nem síkrács elrendezéseket. Így pl. készítenek gömbfelületre felvitt rácsokat is, ezeknél nincsen szükség kollimátor és analizátor tükrökre. Spektrográfoknál a kilépő rés helyett a keletkező színképet régebben fényképező lemezre, újabban vonalszerű intenzitás-eloszlást felvevő detektor-sorra vetítik. Ezt a rendszert fejlesztették tovább a ma igen divatos kompakt spektrométereknél, melyeknél csak belépő rést használnak, a kilépő rácskép síkjában pl. CCD érzékelőt helyeznek el. Az egyes pixelek fogják fel a különböző hullámhosszúságú sugárzást. A 6 - 14. ábra CCD érzékelős spektrométer vázlatát szemlélteti. belépõrés
rács
CCD érzékelõ
6 - 14. ábra: CCD érzékelős spektrométer optikai vázlata.
94
6. Fotometriai műszerek - A monokromátor jellemzése Felbontás: Az optikai rács felbontóképességének értékét a (6 - 4) egyenletben láttuk. A gyakorlatban ahhoz, hogy mérhető intenzitásokat kapjunk, a belépő és kilépő rést szélesebbre kell megválasztani, mint amit az elhajlási kép szolgáltatna. Ezen esetben, ha a monokromátor hullámhossz mechanizmusát működtetjük, és a belépő rés elé kisnyomású gázkisülő lámpát helyezünk, a keskeny színképvonal (kisnyomású gázkisülőlámpa atomszinképének szinglettszinglett átmenete) intenzitás-eloszlása, miközben elhalad a kilépő rés előtt, a belépő résen keletkező elhajlási kép elhanyagolásával, háromszög függvénnyel közelíthető a kilépő rés síkjában. A 6 - 15. ábrában a monokromátor áteresztésének idealizált képét tüntettük fel, ha a be- és kilépő rés szélessége kissé eltér egymástól. Ha a két résszélesség azonos a trapéz alak háromszög formává módosul. A monokromátor felbontására az a nm-ben mért érték a jellemző, mely az ábrán mutatott félérték-szélességhez tartozik (∆λ).
T( λ , λ s ) T( λ s ,λ s )
0,5 T( λ s ,λ s )
λ ∆λ
s
λ
6 - 15. ábra: Monokromátor átviteli függvénye (a kilépőrésének síkjában észlelhető intenzitáseloszlás). Szórt fény: A másik legfőbb jellemző a szórt fény: az a sugárzás, mely nem kívánt hullámhossztartományokból jut át a kilépő résen, a hasznos kilépő teljesítményhez képest. A szórt fényt a magasabb rendekből származó sugárzáson kívül a tükrökön és a rácson keletkező nem reguláris visszaverődés (szórt, diffúz reflexió, szennyeződések okozta visszaverődés stb.) hozza létre. Mai modern monokromátornál 10-4 nagyságrendű szórt fénnyel kell számolni. Ez látszólag kis érték, de ha figyelembe vesszük, hogy a monokromátor kalibrálásához használt sugárzó (pl. CIE A sugárforrás) és a vizsgálandó sugárzás (pl. katódsugárcsöves monitor fényporai) nagyon eltérő színképi teljesítmény-eloszlásúak, a szórt fényből származó hiba nem elhanyagolható. A szórt fény hatása csökkenthető, ha előmonokromatizálást használunk, pl. prizmás rendszerrel vagy sáváteresztő szűrők használatával. - További jellemzők A monokromátor teljesítőképességét még jellemzi, hogy adott belépő rés besugárzáshoz mekkora kilépő intenzitás tartozik, és hogy a hullámhossz beállításnak mi a pontossága, 95
6.
Fotometriai műszerek
mennyire lehet az azonos hullámhosszat ismételten beállítani (mi ennek hőmérsékletfüggése stb.). A fenti tulajdonságokat befolyásolja a rendszer felépítése, olyan jellemzők, hogy hány segéd-tükör van a fényútban, milyen azok minősége, a rács-forgató mechanizmus minősége, a beállítás hőmérsékleti együtthatója stb. Egyes gyártók monokromátoraikat úgy készítik, hogy azokban többféle rács is helyezhető, s a különböző rácsokkal más-más hullámhossztartományban használható a készülék. Mindezek függvényében látszólag hasonló felépítésű monokromátorok ára közt nagyságrendi eltérés is lehet. •
Prizmás monokromátorok
Bár napjainkban szinte kizárólag rácsos monokromátorokat használnak, röviden meg kell emlékezni a prizmás rendszerekről is. A monokromátor felépítése nagyon hasonló a rácsos rendszerűhöz, csak a szög szerinti irányítást nem optikai rács, hanem üveg, vagy kvarc, esetleg más kristály vagy ömlesztett dielektrikum anyagból készített prizma hullámhosszfüggő törésmutató-változása, diszperziója hozza létre. A 6 - 16. ábra egyszerű, két lencsét és nem tükröt használó prizmás monokromátor elvi felépítését szemlélteti. kollimátor lencse
belépõrés
analizátor lencse
prizma
kilépõrés
6 - 16. ábra: Egyszerű, Bunsen-rendszerű prizmás monokromátor felépítése. 1
CIE Vλ illesztési publ.
2
CIE fénysűrűségmérés1
3
CIE fénysűrűségmérés2
4
Fotom. tankönyv
5
Photometrics:
[email protected] 6
Product
and
Service
Guide,
1997.
http://www.photomet.com,
e-mail:
G. C. Holst: CCD ARRAYS CAMERAS and DISPLAYS, JCD Publishing (1996)
96
