Вы читаете:

"Оптика жизни: руководство биолога по свету в природе"

Глава девятая: измеряя свет

Измерение облучённости


После того, как калибровка системы выполнена полностью, измерения облучённости просты. Вспомните из главы 2, что наиболее полезными являются два вида облучённости – векторная и скалярная. Векторная облучённость измеряет свет, попадающий на поверхность со всех углов в одном полушарии, но взвешивает количество света с каждого направления на косинус его угла от перпендикуляра к поверхности. Скалярное излучение измеряет весь свет, пересекающий поверхность со всей сферы, придавая всем направлениям прохождения света равный вес. Оба свойства измеряются с использованием специальной оптики пробоотбора (рис. 9.9).

Рисунок 9.9: Различные системы отбора проб для измерения облучённости. (Слева) Косинусный корректор, который перемешивает входящий свет через маленький рассеивающий диск. (В середине) Интегрирующая сфера, которая перемешивает свет после того, как он входит в верхнее отверстие. (Справа) Отражение от Ламбертовского материала (например, Spectralon), отражающего свет одинаково во всех направлениях.

Большинство людей измеряют векторное излучение с использованием так называемого «косинусного корректора». Это по существу белый диффузно рассеивающий диск, который перемешивает направления входящего света. Пластик и точная форма корректора были созданы таким образом, что он даёт правильный косинусный ответ. К сожалению, косинусный корректор, предназначенный для работы на воздухе, не определяет косинусы под водой (и протечёт). Итак, если вы работаете как в воздухе, так и в воде, вы должны купить оба вида корректоров. Косинусные корректоры являются портативными, прочными и относительно дешевыми (~ 200-300 долларов США), но имеют несколько недостатков. Во-первых, косинус-ответ не всегда хорош, особенно при больших углах от перпендикуляра. Это, как правило, не имеет большого значения, поскольку для многих задач косинусный корректор всё равно обращён к самой яркой части светового поля. Большая проблема заключается в том, что косинусные корректоры поедают свет. Плата за перемешивание света заключается в том, что большая его часть никогда не пройдёт через корректор, во многих случаях передастся менее 10%. Это может стать проблемой при измерениях тусклого света.

Как я упоминал в главе 2, отверстие имеет косинус-ответ. Таким образом, идеальный детектор векторной облучённости будет отверстием в камеру, перемешивающую направления падающего света. Интегрирующая сфера в точности такова, поэтому они долгое время использовались для измерения векторной освещенности. Её косинус-ответ близок к совершенству, но сферы всё ещё неэффективны, поскольку что только часть света достигает волоконно-оптического детектора, встроенного в стену. Они также больше, дороже и легче загрязняются, чем косинусные корректоры. Кроме того, поскольку вы не можете закрыть отверстие прозрачным материалом, сферу трудно использовать под водой. Таким образом, хотя я считаю их полезными для измерений отражательной способности и диффузной передачи, я не часто использую сферы для измерения облучённости.

Последний способ измерения векторной облучённости – измерять энергетическую яркость света, отраженного от идеального диффузного отражателя. Как я упоминал ранее, хорошие новости об идеально рассеивающих отражателях (известных как «Ламбертовские») заключается в том, что их энергетическая яркость не зависит от угла обзора и линейно пропорциональна падающих на них облучённости. Другими словами, посмотрите на любую часть ламбертовского материала под любым углом, и он всегда будет иметь одну и ту же энергетическую яркость. Фактически, его энергетическая яркость просто равно интенсивности падающей облучённости, разделенной на π. Поскольку сильно рассеивающие поверхности имеют тенденцию отражать света больше, чем передавать, эта система более эффективна, чем косинусный корректор или интегрирующая сфера. Одно маленькое неудобство в том, что детектор находится над куском рассеивающего материала и, возможно, бросает тень. Мы обычно обходим его, используя небольшой кабель в качестве детектора и устанавливая его под углом 45 °. Этот метод позволил нам сделать измерения облучённости небесным светом на гораздо более низких уровнях освещённости, чем это было возможно ранее.

Измерение скалярной облучённости сложнее, поскольку вы хотите собирать свет со всех сторон, и места для прикрепления к детектору чего-либо портят картину. В идеале вам нужен плавающий в пространстве шар, передающий спектральные данные по беспроводной сети. Я ещё таких не встречал. Вместо этого обычная конструкция представляет собой белый диффузно рассеивающий шар на конце длинной чёрной палочки. Палочку пытаются держать в более тёмной стороне светового поля, чтобы она как можно меньше влияла на измерение. Необходимость отделить детектор от остальной системы делает, таким образом, всю систему хрупкой и громоздкой. Поэтому, несмотря на преимущества скалярной облучённости по сравнению с векторной для многих биологических употреблений, большинство людей придерживается векторной облучённости.

Предыдущая страницаСледующая страница

«Вавилонский Зоопарк»