Стандартні джерела випромінювання

Основні стандарти для колориметрії були встановлені МКО. Колориметричні стандарти МКО є основою методу класифікації кольору МКО, що одержав міжнародне визнання в науці та промисловості.

Під час обговорення фундаментальних положень науки про колір та колірного порівняння показано, що для визначення координат кольору несвітящого об'єкта необхідно знати відносний спектральний розподіл променистого потоку, що падає на об'єкт; спектральні апертурні коефіцієнти відбивання об'єкта і функції додавання спостерігача.

Колориметричні стандарти містять:

а) джерела висвітлення;

б) значення спектральних апертурних коефіцієнтів відбивання;

в) функції спостерігачів з нормальним колірним зором.

Випромінювання і джерела світла (спектральний розподіл променистого потоку; спектральний розподіл енергії) – спектральний променистий потік, що падає на одиницю поверхні об'єкта, тобто спектральне опромінення, створюване випромінюванням або джерелом світла.

Існує безліч джерел світла, при яких може спостерігатися об'єкт. Найважливішим з них є денне світло. Відомі різні фази денного світла:

– світло ясного неба,

– пряме сонячне світло,

– світло від ясного неба в сполученні із сонячним світлом,

– світло хмарного неба.

Різні фази денного світла мають різний спектральний розподіл енергії.

Існує також безліч штучних джерел світла:

– лампи накалювання;

– люмінесцентні лампи (джерела, що випромінюють потоки з різним спектральним складом).

МКО проводить розходження між джерелами і випромінюваннями. Джерелом вважають фізичне джерело променистої енергії як лампа або сонце і небо, термін «випромінювання» указує на визначений спектральний розподіл енергії, що попадає на досліджуваний об'єкт, причому цей спектральний розподіл не обов'язкове може бути точно отриманий за допомогою одного джерела.

Стандартне випромінювання А. Випромінювання А являє собою випромінювання повного випромінювача при абсолютній температурі 2856 К (за Міжнародною практичною температурною шкалою 1968 р.).

Повний випромінювач (абсолютно чорне тіло, випромінювач Планка) є ідеальним тепловим випромінювачем, спектральний розподіл енергії якого залежить тільки від його температури. Промениста енергія генерується в замкнутому просторі або порожнині, стінки якого рівномірно нагріті до температури Т. Променистий потік виходить через отвір у стінці порожнини. Якщо отвір достатньо малий, променистий потік, що пройшов через нього (енергетична світність М), як й спектральна щільність променистого потоку, залежить від температури стінок порожнини. Сам отвір є повним випромінювачем.

Спектральна щільність енергетичної світності М_λ повного випромінювача визначається законом Планка

(4.4)

де М – променистий потік (потужність), Вт;

λ – довжина хвилі, м;

Т – температура, К;

с₁ та с₂ – значення радіаційних постійних, Вт·м² та м·К, відповідно;

Т=2856 К

c₁=3,74150·10^–16 Вт·м²,

с₂=1,4388·10^–2 м·К.

Нормалізовані значення спектрального розподілу, тобто всі значення помножені на постійний множник так, щоб при λ = 560·10^{-9 М (560 нм) вийшло точно 100. У колориметричних розрахунках використовують відносний спектральний розподіл енергії S(λ). Величина с}₂ впливає на форму функції S(λ).

Стандартні випромінюванні В и С.Випромінювання В призначено для відтворення прямого сонячного випромінювання з корельованою колірною температурою 4870 К.

Випромінювання С призначено для відтворення фази денного світла з корельованою колірною температурою 6770 К.

Випромінювання В та С не точне (як це спочатку передбачалося в 1931 р.) при відтворенні звичайної фази денного світла. У недалекому майбутньому МКО мабуть прийме рішення про вилучення цих випромінюванні з переліки рекомендованих стандартних випромінювань. Замість них для колориметричного аналізу при отриманні середньої фази денного світла краще використовувати стандартне випромінювання D₆₅.

Випромінювання звичайно прийнято характеризувати корельованою колірною температурою. Вона допомагає порівнювати колориметричні характеристики різних випромінювань за допомогою одного числа. Корельована колірна температура випромінювання відповідає абсолютній температурі повного випромінювача, світло якого має ту ж колірність, що й дане випромінювання. Різні корельовані колірні температури різних випромінювань вказують про різницю кольоровості між ними.

Стандартне випромінювання D₆₅. Випромінювання D₆₅ являє собою фазу денного світла з корельованою колірною температурою порядку 6500 К.

Значення випромінювання D₆₅ отримані спектрорадіометричними вимірами денного світла, виконаних у різних районах США, Канади і Великобританії. Значення відносного спектрального розподілу енергії D₆₅ і відповідно його корельованою колірною температурою порядку 6500 К добре погодяться з відповідними значеннями розподілу і температури сумарного випромінювання неба та сонця при визначенні їх на горизонтальній поверхні.

Зміна висоти сонця протягом періоду часу між двома годинами після сходу і за дві години до заходу, а також зміна стану неба від хмарного до ясного мало впливають на відносний спектральний розподіл енергії сумарного денного світла, що падає на горизонтальну поверхню, у всьому діапазоні видимого спектра. Фази сумарного денного світла знаходяться у діапазоні корельованих колірних температур від 6000 до 7000 К.

Інші випромінювання D. Коли дана поверхня опромінюється лише деякою областю всього неба, розподіл спектральної густини опромінення значною мірою залежить від того, якою саме ділянкою неба опромінюється поверхня, і від стану хмарного покриву цієї ділянки. Граничними випадками є ділянка ясного синього неба та сонячний диск. Корельовані колірні температури цих граничних фаз денного світла можуть знаходитися в інтервалі від 100000 до 4000 К, відповідно. Денне світло, що проходить через вікно, лежить десь між зазначеними крайніми значеннями.

Діапазон корельованих колірних температур усіх фаз денного світла досить великий, однак існує функціональний зв'язок між корельованою колірною температурою Т_c і відносним спектральним розподілом енергії S(λ) денного світла. Для кожної визначеної фази денного світла з певною кольоровістю і відповідною Т_с, існує єдиний розподіл S(λ).

Колірність. Координати кольоровості x y денного світла D у системі МКО 1931 р. задовольняють наступному співвідношенню

(4.5)

де x змінюється в межах від 0,250 до 0,380.

Корельована колірна температура Т_с денного світла D пов'язана з x наступними формулами (на підставі рівняння нормалей до лінії колірності абсолютно чорного тіла у рівно контрастному графіці МКО 1960 р.):

а) для корельованих колірних температур приблизно від 4000 до 7000 К:

(4.6)

б) для корельованих колірних температур від 7000 до приблизно 25000 К:

(4.7)

Відносний спектральний розподіл енергії. Відносний розподіл S(λ) денного світла D розраховують за формулою

(4.8)

де S₀ (λ), S (λ)₁ S₂ (λ) – функції довжини хвилі λ;

M₁ М₂ – коефіцієнти, значення яких розраховують за значеннями координат колірності X_D, Y_D.

Розрахунки. Для полегшення практичного застосування зазначених рекомендацій МКО використовують значення х, у, М₁ та М₂ для корельованих колірних температур від 4000 до 25000 К, наведені в довідниках.

Вищенаведені формули дають можливість розрахувати S (λ) для будь-якої корельованої колірної температури, однак МКО рекомендує в інтересах стандартизації використовувати D₆₅. У тих випадках, коли D₆₅ не можна застосувати рекомендується застосовувати D₅₅ або D₇₅. Криві S(λ) відповідають фазам денного світла з корельованими колірними температурами порядку 5500 і 7500 К.

Рекомендації МКО по денних випромінюваннях D є істотним досягненням порівняно з колишніми рекомендаціями з випромінювань B і C. Випромінювання D значно більш повно, ніж В та С, представляють ультрафіолетовий діапазон спектра денного світла.

Рекомендовані значення належать до денного світла в незабрудненій атмосфері, що не є реальним.

Штучні джерела світла, що відтворюють стандартні випромінювання МКО. МКО рекомендує наступні джерела світла в якості стандартних для відтворення вищенаведених стандартних випромінювань при практичному контролі кольору пофарбованих матеріалів у лабораторіях.

Стандартне джерело A МКО. Стандартне випромінювання А відтворюється газонаповненою лампою накалювання з вольфрамовою ниткою при корельованій колірній температурі 2856 К. Для більш точного відтворення спектрального розподілу променистого потоку ультрафіолетової частини спектра випромінювання А рекомендується користуватися лампами з колбою або вікном із плавленого кварцу.

Стандартні джерела В і С МКО. Стандартні випромінювання В та С відтворюються стандартним джерелом А у комбінації з фільтрами, що складаються з двох шарів розчинів В₁, В₂ і С₁, С₂ відповідно товщиною 1 см кожний, що заповнюють дві половини плоско паралельної кювети з безбарвного оптичного скла. Рідинні фільтри для переходу від джерела А до джерел В та С називають фільтрами Девіса–Гібсона.

Стандартне джерело D МКО. У даний час немає рекомендацій МКО щодо відтворення якого-небудь з випромінювань D МКО. Складність розробки таких рекомендацій визначається унікальним характером і нерівномірністю спектрального розподілу денного світла. Не відомо будь-яке штучне джерело світла з таким спектральним розподілом, а перетворення спектрального розподілу існуючих джерел за допомогою фільтрів або інших засобів приводить лише до часткових успіхів.

Комітет з колориметрії МКО активно займається цією проблемою. Спектральний розподіл відфільтрованого випромінювання ксенонової дугової лампи високого тиску порівнюється з розподілом випромінювання D₆₅; випромінювання D₆₅ порівнюється з відфільтрованим випромінюванням лампи накалювання з вольфрамовою ниткою, D₆₅ порівнюється з відфільтрованим випромінюванням спеціально підібраної люмінесцентної лампи. Якщо розглядати весь спектр від 300 до 830 нм, найкраще відтворення випромінювання досягається за допомогою відфільтрованого випромінювання ксенонової дугової лампи високого тиску, хоча ще очевидні деякі розходження в спектрах. Якщо ж виключити з розгляду ультрафіолетову частину спектра (300–380 нм), досить добрі результати дає лампа накалювання фільтрами. Люмінесцентна лампа забезпечує лише грубе наближення до D₆₅.

Люмінесцентна лампа забезпечує основну частину потоку в ультрафіолетовому діапазоні спектра. Обидві лампи встановлені в одному освітлювальному приладі особливо в короткохвильовій частині спектра, вже після 75 годин експлуатації. Ці зміни приписувалися утворенню шару вольфраму і відкладенню невеликої кількості заліза на внутрішній поверхні кварцової колби лампи.

Інша проблема, що повинна бути вирішена перед розробкою рекомендацій для стандартного джерела D, полягає в оцінці якості відтворення визначеним джерелом заданого спектрального розподілу стандартного випромінювання, наприклад D₆₅.