Измерение передачи света

Похоже, что целью более чем 90% измерений биологических материалов является измерение отражающей способности. Многие ткани непрозрачны, и видимость объекта под отражённым светом, как правило, более важна, чем то, как он выглядит под проходящим светом. Однако есть исключения. Ткани многих океанических животных передают больше света, чем отражают, и часто наблюдаются в природе снизу-вверх, и в таком случае проходящий свет более важен, чем отражённый свет. Кроме того, ботаники и экологи интересуются передачей света через полог листьев. Те, кто занимается повреждением от ультрафиолетового излучения, озабочены тем, как соответствующие длины волн света проходят через окружающую среду и через биологическую ткань. Наконец, во многих подобластях биомедицины интересуются тем, как свет проходит через ткани. Помимо людей, изучающих передачу света через хрусталик, роговицу и другие среды глаза, существует быстро растущая область, работающие в которой исследователи пытаются диагностировать раковые заболевания кожи и другие нарушения дермы, измеряя передачу и рассеивание света в ткани.

Прежде всего следует иметь в виду, что не существует одного определения термина «передача». Положите большой палец на включенный фонарик, и вы увидите, что передается много яркого красного света. Однако вы не можете различить какие-либо детали лампы фонарика. Всё, что вы видите – это рассеянное свечение. Поэтому первое большое различие возникает между диффузной передачей света и прямой передачей. Диффузно переданный свет проходит через объект, но рассеивается столько раз, что всякая информация об изображении уничтожается. Другими словами, вы не можете читать книгу через большой палец. Прямо переданный свет либо вообще не рассеивается (например, проходя через вакуум), либо не обнаруживает наблюдаемого рассеяния. В любом случае, информация об изображении сохраняется (рисунок 9.7). Отношение диффузной к прямой передаче зависит от материала и от его толщины. Свет, проходящий через оконное стекло, в основном передаётся прямо, свет, проходящий через плотное облако, в основном передаётся диффузно, и свет, проходящий через тонкое облако, представляет собой смесь двух вариантов в зависимости от плотности облака. Полная передача – это сумма прямой и диффузной передачи.

Итак, способ измерения передачи зависит от того, что вы хотите знать. Если вы хотите узнать, насколько ярким будет интерьер иглу, нужно измерить полную передачу его стен. Если вы хотите узнать, насколько виден стеклянный сом на фоне водорослей, нужно измерить его прямую передачу.

Независимо от того, измеряете ли вы прямую, диффузную или полную передачу, полученные значения сильно зависят от геометрии измерительной системы. В идеальном случае измерение полной передачи собирает весь свет, рассеянный менее чем на 90° от его первоначального направления, а измерение прямой передачи собирает только свет, который всё ещё распространяется прямо вперед. Оба эти условия невыполнимы. Даже лучшая установка фиксации диффузной передачи пропустит часть света, рассеивающегося под большими углами, и даже самый маленький детектор всё равно будет собирать часть света, пришедшего не точно с прямого направления. Также нет методических рекомендаций. Например, официально не установлен угол отсечки при измерении прямой передачи. Некоторые люди используют детекторы, которые собирают свет, рассеянный на 1° или менее, около 2° или менее, и так далее. Каждая геометрия даёт значительно отличающийся ответ. Суть в том, что в реальном мире нет общепринятого значения для прямой передачи объекта. То же самое верно для диффузной передачи, но это не так критично, поскольку доля света, рассеянного вблизи 90° мала, и не имеет большого значения, если фактический угол отсечки составляет 88° или 89°. Однако в случае прямой передачи это имеет значение. Обычно я использую 1° в качестве моего значения угла отсечки (т.е. свет, рассеянный на 1° или менее, будет обнаружен детектором и учтён как проходящий прямо). Это совершенно произвольно, и в конечном итоге основывается на том факте, что вавилоняне были большими поклонниками числа 360, поскольку у него есть так много делителей и оно близко к числу дней в году.

Диффузную передачу лучше всего измерять путем размещения интегрирующей сферы непосредственно за объектом. Тогда любой свет, рассеянный приблизительно в прямом направлении, попадёт в сферу. Исходный угол входа проходящего света сбивается многочисленными отражениями внутри сферы, поэтому кабель-детектор в стене сферы измеряет значение, пропорциональное общему количеству света, попадающего в сферу через объект. Для определения диффузной передачи это значение делится на значение, полученное, когда объект не находится на пути луча. Это прекрасно работает для камней и пластмасс, но может выйти из-под контроля, если вы распластали медузу напротив входного отверстия вашей сферы ценой 1 500 долларов. К сожалению, вы не можете поместить на интегрирующую сферу окно, потому что зеркальное отражение от стекла может повлиять на измерение. Большинство интегрирующих сфер к тому же не отрываются, поэтому всё, что попадает через входное отверстие, может остаться в сфере навсегда.

Прямая передача измеряется путем отправки узкого параллельного луча света через ваш объект. Детектор за объектом затем собирает часть луча, которая не поглотилась или рассеялась более чем на определённый угол от параллели. Угол отсечки зависит от диаметра детектора и его расстояния от объекта. Для небольших углов отсечки:

где d - диаметр детектора, l - расстояние между детектором и объектом, а θ_cutoff – угол отсечки в градусах. Как и при измерении диффузной отражающей способности, в качестве эталона служит количество света, попадающего на детектор, когда на пути света нет измеряемого объекта. Если вы измеряете передачу света объектом, обычно находящимся под водой, вы должны выполнять все измерения (и контрольное) в воде. Поскольку показатель преломления ткани намного ближе к показателю преломления воды, чем воздуха, отражения от поверхностности различны, а общие измерения пропускания не сопоставимы. Вам не нужно помещать детектор или источник света под воду, только животное. Я сделал небольшой резервуар из УФ-прозрачного акрила, который хорошо подходит для измерений. Он имеет мягкое силиконовое дно, в которое можно вставлять штифты для фиксации животного или измеряемой ткани напротив одной из сторон резервуара. Не рекомендуется работать вертикально. Да, можно просто уложить ткань на дно резервуара и пропустить свет вертикально через неё, но поверхность воды колеблется при малейшем воздействии, и световой луч отражается во все стороны.

← Предыдущая страница ❋ Следующая страница →