Измерения оптической плотности непрозрачных объектов

Теория

При падении светового потока на поверхность какого-либо вещества или тела, часть светового потока отражается от поверхности раздела (рис.1) в соответствии с законами отражения т.е.

i1=i2

где i1 — угол падения, i2 — угол отражения. Часть излучения проходит внутрь вещества в соответствии с законом преломления:

где i3 - преломления, n — показатель преломления.

Часть излучения поглощается материалом тела в соответствия с законом Ламберта— Бугера— Бера

где — коэффициент поглощения на длине волны λ , l — толщина поглощающего слоя.

Кроме зеркального отражения под утлом, равным углу падения, поверхности веществ или тел рассеивают излучение, т. е. свет отражается и под углами, не равными углу падения.
Эта характеристика зависит также от длины волны, что и определяет цвет поверхности.
В измерительной технике существуют соответственно приборы, измеряющие все перечисленные физические характеристики свойств поверхностей


Приборы для измерения коэффициента отражения — рефлектометры, -измеряющие отношение интенсивности отраженного светового потока к интенсивности падающего светового потока

2. Приборы для измерения показателя преломления среды — рефрактометры.

3. Приборы для определения пропускания веществом оптического излучения—денситометры, измеряющие долю излучения, прошедшего через вещество (образец)

В полиграфических технологиях очень часто приходится проводить измерения коэффициентов пропускания прозрачных объектов — растров, фотоформ, прозрачных шкал, а также коэффициентов отражения поверхностей фотоформ и оттисков. При этом общепринятой единицей измерения является оптическая плотность, определяемая как:

Коэффициенты отражения и пропускания и, соответственно, оптические плотности есть в общем случае функции длины волны, что и определяет цвет слайда или оттиска. Измерения этих величин являются основой для определения координат цвета объекта и в итоге служат для количественной оценки качества печатной продукции. В полиграфии рефлектометры как таковые не используются, так как бумага представляет собой сильно светорассеивающую поверхность. Поэтому так называемые денситометры в полиграфии измеряют не только зеркально отраженный оттисками свет, но и рассеянный во всей полусфере, окружающей поверхность и составляющий угол в   стерадиан. Вообще говоря, стандартами предусмотрен контроль коэффициента отражения оттиском при нормальном падении света на поверхность и регистрации света под углом 45 градусов к нормали.
Тем не менее, с точки зрения характеристики оптических свойств окрашенной поверхности нужно собирать свет, отраженный поверхностью по всем углам. Только этом случае получаются сопоставимые результаты при использовании бумаги разной белизны, разной глянцевитости, разной волокнистости.
Таким образом задача, стоящая перед измерительной техникой, предназначенной для измерения цветовых характеристик оттисков состоит в измерении спектрального распределения (зависимости коэффициента отражения от длины волны ) полного, отраженного в   стерадиан, светового потока и определении оптической плотности Ш. во всем диапазоне видимого излучения от 400 нм до 800 нм, что соответствует фиолетовому и красному излучению.
Для таких измерений предназначены спектрофотометры с источником света, имеющими спектр, близкий к спектру Солнца (с лампой наливания) в с регистрирующим устройством, позволяющим собирать весь свет, отраженный поверхностью. Последнее называется интегрирующей сферой.
В данной рабате измерения нужно выполнять на спектрофотометре СФ —10, имеющим такую конструкцию.

Спектрофотометр СФ —10

Спектрофотометр СФ -10 представляет собой двойной монохроматора видимый диапазон длин волн, работающий но двулучевой схеме с интегрирующей сферой перед выходным фотоприемником.
Понятие "двойной монохроматор" означает, что излучение источника света—(лампы накаливания) — разлагается в спектр последовательно на двух диспергирующих элементах, которыми в СФ-10 служат призмы. Двойная монохроматизация необходима для уменьшения уровня рассеянного в приборе света и для повышения спектрального разрешения прибора.
В СФ-10 (рис.2 ) свет, попадающий от лампы на входную щель, излагается первой призмой в спектр и фокусируется на промежуточную (ель, выполненную в виде зеркала , близко к нему расположенной диафрагмой в виде ножа (конструкция нож - зеркало ).
Промежуточная щель нож-зеркало служит входной щелью второго монохроматора, идентичного первому. На выходе второго монохроматора устанавливается двулучепреломляющая призма, которая расщепляет выходной пучок (монохроматичный) на два пучка равной интенсивности. Эти пучки специальным модулятором поочередно направляются в интегрирующую сферу, окрашенную изнутри белой матовой краской. Внутри интегрирующей сферы установлен; светочувствительный приемник - фотоэлемент.
Если в обоих пучках расположены одинаковые элементы - отражающие или поглощающие поверхности, то уровень освещенности внутри интегрирующей сферы остается постоянным и сигнал с фотоприемника, который на постоянную составляющую не реагирует, равен нулю. Это записывается на диаграммой ленте, как 100 % линия. Если в одном из выходных пучков появляется либо поглощающий элемент, либо селективно отражающая окрашенная поверхность, то на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования, пропорциональный коэффициенту пропускания или отражения образца.
Для проведения количественных измерений прибор необходимо отградуировать, т.е. прописать зависимость коэффициентов отражения от длины волны от стандартных образцов, аттестованных на эталонных установках. В качестве таковых используется набор стандартных образцов из молочных стекол марок МС и ОНО. Стандартные справочные данные для них приведены из каталога молочных стекол в приложении
После того, как шкала спектрофотометра отградуирована по стандартным образцам, можно проводить измерения отражения испытуемого образца при различных длинах волн.

Цель и порядок выполнения работы

Конечной целью настоящей работы является регистрация зависимости коэффициента отражения образца окрашенной поверхности (плашки) от длины в видимом   до  . По результатам измерений необходимо составить таблицу значений коэффициента отражения и оптической плотности   с интервалом в 20 нм. Следует также определить доверительный интервал допустимой погрешности для трех независимых измерений, рассчитав его для доверительной вероятности 0,9(90%).
Для решения поставленной задачи необходимо выполнить следующее:

  1. Ознакомиться с устройством спектрофометра СФ - 10 и включить его на прогрев.
  2. Закрепить лист бумаги в держатель диаграммной ленты.
  3. Установить барабан длин волн на X = 400 нм. Установить в держатели интегрирующей сферы два одинаковых моточных стекла МС 20 и прописать 100% линию.
  4. Устанавливая последовательно стандартные образцы серых стекол ОНС, прописать их спектры отражения на той же диаграммной ленте.
  5. Установить в измерительный канал исследуемый образец и прописать его спектр отражения.
  6. Операции 4 и 5 повторить трижды.
  7. Измерить погрешность измерений для длин волн 400, 500 и 600 нм для чего найти отклонение коэффициента отражения каждого из трех измерений от среднего арифметического значения, равного
  8. Найти среднеквадратическое отклонение результатов измерений как
  9. Рассчитать погрешность измерений для доверительной вероятности 0,9 (90%)  как     (9), т.к. дробь Стьюдента для доверительной вероятности 0,9 и числа степеней свободы (число независимых измерений без единицы) равном 2 имеет значение 3
  10. Составить таблицу значений коэффициентов отражения образца от длины волны через 20 нм. Рассчитать по формуле (6) соответствующие значения оптической плотности   в соответствии с приложением 1
  11. Для длин волн 400, 500 и 600 нм привести значения случайных погрешностей  Kλ и Dλ.
  12. Оформить протокол измерений в соответствии с приложением 2 с указанием климатических условий, в которых выполнены измерения: температуры, относительной влажности и абсолютного давления

Приложение 1

длина волны излучения λ нм

коэффициент отражения

средние значения

1 измерение

2 измерение

3 измерение

400

 

 

 

 

 

420

 

 

 

 

 

440

 

 

 

 

 

460

 

 

 

 

 

480

 

 

 

 

 

500

 

 

 

 

 

520

 

 

 

 

 

540

 

 

 

 

 

560

 

 

 

 

 

580

 

 

 

 

 

600

 

 

 

 

 

620

 

 

 

 

 

640

 

 

 

 

 

660

 

 

 

 

 

680

 

 

 

 

 

700

 

 

 

 

 

720

 

 

 

 

 

740

 

 

 

 

 

760

 

 

 

 

 

780

 

 

 

 

 

800

 

 

 

 

 

Приложение 2

Протокол измерений коэффициента отражения и оптической плотности образца окрашенной поверхности на спектрофотометре СФ-10.
I. Условия измерения.
1.1. Измеряется спектр диффузного отражения в интервале длин волн
1.2. Температура окружающей Среды, 0С
1.3. Относительная влажность, %
1.4. Атмосферное давление, кПа
II. Результаты измерения.
2.1 .График зависимости коэффициента диффузного отражения от длины волны.
2.2. График зависимости оптической плотности от длины волны.
2.3. Число независимых измерений
2.4. Среднеквадратическое отклонение СКО
2.5. Случайная погрешность измерений для доверительной вероятности 0,9 (90%)
III. Дата проведения измерений.
IV. Фамилии и номер группы лиц, проводивших измерения

Контрольные вопросы

  1. Какие физические величины измеряет спектрофотометр СФ-10?
  2. Дать определения оптической плотности для прозрачного объекта в для отражающей поверхности
  3. От чего зависит цвет отражающей поверхности?
  4. Что такое спектрофотограмма?
  5. В чем особенность измерений оптической плотности на спектрофотометре СФ-10
  6. Какова роль интегрирующей сферы спектрофотометра.