Файл: Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории.pdf

- f z o s y o s

Кривовяз Л. М., Пуряев Д. Т. и Зна­ менская М. А. Практика оптической изме­ рительной лаборатории. М., «Машино­ строение», 1974, 332 с.

В книге рассмотрены методы и при­ боры для контроля оптических материа­ лов, оптических деталей, оптических при­ боров и методы контроля качества изо­ бражения и исследования коррекции оп­ тических систем.

Значительная часть книги посвящена современным объективным способам опти­ ческих измерений, использующим новые виды приемников и источников излучений.

Книга рассчитана на работников опти­ ческих лабораторий, а также может быть полезна сотрудникам научно-исследова­ тельских институтов и высших учебных заведений.

Табл. 16 Ил. 186. Список лит. 82 назв.

Рецензент д-р техн. наук В. А. Афанасьев

'31305—258 258—74

*038 (01)—74

© Издательство «Машиностроение», 1973

Предисловие

_•

Производство современных оптических приборов, отвечающих по своим характер ристикам и качеству лучшим мировым об­ разцам, невозможно без хорошо организо­ ванных измерительных лабораторий, об­ служивающих оптико-механическую про­ мышленность. Успешная работа заводской оптической измерительной лаборатории за­ висит не только от хорошей оснащенности ее современными приборами и высокой квалификации работников, но и от знания и использования прогрессивных методов оптических измерений, их возможностей

иперспектив.

Впоследние годы появились новые со­ вершенные приборы, позволившие ус­ пешно решать трудные задачи оптической измерительной техники'. Например, ис­ пользование мощных оптических кванто­ вых генераторов (лазеров) с высокой мо­ нохроматичностью позволило создать не­ равноплечные интерферометры, габарит­ ные размеры которых значительно умень­ шены по сравнению с классическими двух­ лучевыми интерферометрами аналогичных типов. Если до изобретения лазеров потери света в приборах были непреодолимым препятствием для их практического ис­ пользования, то теперь эти приборы можно успешно применять на практике. Однако вместе с новыми возможностями появились

иновые актуальные задачи: контроль ка­ чества точных асферических поверхностей, измерение цветопередачи кино-фотообъек­ тивов, оценка качества изображения опти­ ческих систем по частотно-контрастным характеристикам и др. Решение этих задач требует прежде всего разработки теорети­

\

Глава /

Общие вопросы оптической измерительной техники

1. Источники излучения

Применяемые в лабораторной практике источники оптического излучения можно разделить на два больших класса: источники теплового излучения, к которым относятся все пламенные источ­ ники света и электрические лампы накаливания, и источники лю­ минесцентного излучения, к которым относятся газоразрядные лампы, использующие явления электрического разряда в инерт­ ных газах и парах металлов.

1. Лампы накалива и тепловые источники излучения

Наибольшее распространение получили лампы накаливания, это обусловлено их достоинствами: удобством эксплуатации, со­ стоящим в возможности включения в сеть без дополнительных устройств, простотой обращения, практическим отсутствием пе­ риода разгорания, возможностью изготовления источников света в широком диапазоне мощностей, сплошным спектром излучения, позволяющим использовать их для большинства работ с приме­ нением визуальных и фотоэлектрических средств регистрации. Однако лампы накаливания как лабораторные источники оптиче­ ского излучения имеют и недостатки: низкую световую отдачу (у осветительных ламп общего назначения она составляет 1—3%); несоответствие спектрального состава излучения спектральному составу солнечного света; относительно низкое содержание ко­ ротковолновых излучений по сравнению с солнечным, что вызы­ вает необходимость введения искусственной коррекции спектраль­ ного состава излучения ламп накаливания. Это приводит к рез­ кому снижению полезного светового потока.

Развитие фотоэлектрических методов контроля ряда оптиче­ ских параметров потребовало жесткой стабилизации абсолютной величины потока излучения. Свойственное лампам накаливания

5

изменение светового потока в течение срока службы не поддается коррекции за счет стабилизации источников питания. Эта проб­ лема в значительной мере разрешена в лампах накаливания с йодным циклом. Йодные лампы имеют в составе наполнителя колбы примеси паров иода. Йодный цикл определяется реакцией

W + 2J W J2.

Прямая реакция происходит на стенках колбы — с них уда­ ляется вольфрам, а обратная на нити — на ее поверхность воз­ вращается ранее испарившийся вольфрам. Эти лампы имеют по­ вышенную световую отдачу и срок службы до 1000 ч и более. Йодные лампы изготовляются в кварцевых колбах.

В зависимости от назначения и особых требований конструкция лампы может значительно изменяться, однако основные конструк­ тивные элементы являются общими: лампа накаливания имеет тело накала, внутреннюю арматуру, состоящую из держателей тела накала и вводов, стеклянный цилиндр или колбу и цоколь лампы.

, Тело накала представляет собой основную конструктивную часть лампы, ее выполняют из вольфрамовой проволоки, свитой в спираль или биспираль (есть лампы с телом накала, трижды свитым в спираль, и лампы с ленточным телом накала — «Банд»- лампы). Выбор вольфрама в качестве основного материала для изготовления тела накала ламп обусловлен рядом ценных свойств вольфрама, обеспечивающих экономичность и продолжительность службы ламп накаливания: высокой температурой плавления (3600 ± 50° К), малой скоростью испарения, пластичностью и хорошей формоустойчивостью. Излучательная способность воль­ фрама с достаточной для лабораторных расчетов точностью опи­ сывается соотношениями, основанными на законах излучения абсолютно черного тела [18]:

где Сх и С2— постоянные Планка;

Я— длина волны;

Т— абсолютная температура;

а\т — спектральный коэффициент светопоглощения. Значения спектрального коэффициента поглощения определены

рядом исследователей экспериментальным путем и найдены соот­ ношения между спектральным коэффициентом поглощения, дли­ ной волны и электропроводностью металла, справедливые для некоторых участков спектра. Так, для значений Я >> 10 мкм

( 1)

6

где axTj_ — спектральный коэффициент поглощения металла при

перпендикулярном падении излучения на его поверх­ ность;

у — электропроводность металла в ОМ- 1 -см-1; X — длина волны, выраженная в см.

Для участка спектра от 5 до 10 мкм соотношение (1) принимает вид

Для длин волн короче 5 мкм нет соотношений, достаточно точно описывающих зависимость сс^т± = / (у^)- Значение интеграль­ ного коэффициента поглощения металла приближенно опреде­ ляется из соотношения

а х = 1 — еРт,

где Т — абсолютная температура;

ß— коэффициент, зависящий от рода металла (для воль­ фрама ß — 1,47 • 10-4).

буемым газом.

К материалу колбы лампы предъявляют следующие требова­ ния: легкая свариваемость, постоянный коэффициент расшире­ ния, бесцветность и устойчивая прозрачность, достаточная меха­ ническая прочность, устойчивость к резким колебаниям темпе­ ратуры, достаточно высокая температура размягчения (не менее 400° С). Для наполнения колб лампы накаливания используют инертные газы и их смеси (криптон, ксенон, аргон, а также азот). Спектральное испускание ламп накаливания зависит от мате­ риала колбы (рис. 1).

В настоящее время промышленностью выпускается свыше 2000 ламп накаливания. Классифицируют лампы накаливания преимущественно по их назначению. Каждый класс ламп делят на ряд типов исходя из конструктивных особенностей ламп, их электрических, светотехнических и эксплуатационных характе­ ристик. К электрическим характеристикам ламп относят номи­ нальное напряжение £/н, потребляемую мощность Р, номиналь­ ный ток Ін (задается в основном для эталонных ламп накаливания); к светотехническим характеристикам ламп — полный световой поток Ф, максимальную силу света I для некоторых видов ламп, габаритную яркость В для ламп прожекторного и проекционного типов. К экономическим и эксплуатационным характеристикам

7

ламп относят световую отдачу, определенную отношением пол ного светового потока к потребляемой мощности

Ф

исрок службы лампы.

Влабораторной практике целесообразно пользоваться поня­

тием полезного срока службы лампы, включающего в себя время, в течение которого снижение светового потока лампы, сопрово­

где Б 0 и А о —- любые два параметра лампы при некоторых усло­ виях; Б и А — те же параметры при измененных условиях, дает возможность приближенного расчета светотехнических параме­ тров ламп при небольших, в пределах 10%, изменениях параме­ тров от номинальных значений. Соотношение между параметрами устанавливает показатель степени пА, зависящий от параметров, входящих в уравнение. Для ламп накаливания с вольфрамовой нитью установлены значения пА, которые с некоторым прибли­ жением можно считать постоянными величинами [9, 70]. Указан­ ное соотношение параметров позволяет определить изменение любой характеристики лампы в зависимости от изменения другой с точностью 1—2%.

Наиболее часто употребляются следующие зависимости: тока от напряжения

% ~ \ и 0 ) ;

мощности от напряжения

Р(_ и _ \8/5.

\ и0 ) ’

8

светового потока от напряжения

Ф _ / U \з,б.

Фо ~ V и0 ) ’

температуры тела накала от напряжения

Т__ / j / \ - v 3 .

ФГ ~ VЛГ/ ’

температуры от тока

5

срока службы лампы от тока

напряжения от температуры тела накала

светового потока от температуры тела накала

Следует помнить, что при изменениях параметров больше чем на 10% погрешность расчета существенно возрастает и носит

/