meditsin1128_1

веществ при изменении освещенности до 1020, а для флуоресцирующих и фосфоресцирующих веществ закон нарушается. Это приводит к необходимости в лабораторной практике учитывать возможность влияния этих эффектов при исследовании жидкостей, содержащих фотолюминесцирующие пигменты.

При изучении поглощения света растворами было установлено, что коэффициент поглощения пропорционален концентрации с поглощающего вещества:

кλ`= сЕλ ,

(1.10)

где Еλ- молекулярный коэффициент погашения, зависящий от свойств отдельной молекулы исследуемого вещества.

Если в выражение (1.7) подставить зависимость (1.10), то основной закон абсорбционной фотометрии примет вид:

Ф = Ф0 10 -сЕλl

или

(1.11)

lg (Ф0/Ф) = сЕλl = Dλ ,

где с - концентрация, моль / г, Dλ - оптическая плотность.

Dλ = lg (1/τλ) = -lg(τλ ) ,

(1.12)

где τλ - коэффициент пропускания.

Этот параметр широко используется в фотометрии. Это обусловлено тем, что непосредственно определить поглощенный поток не удается, потому что регистрируют световой поток, прошедший через исследуемую БС. При

этом определяют коэффициент пропускания τλ	или оптическую плотность:
Dλ = -lgτλ , где	(1.13)
τλ = Ф/ Ф0 ,

Фп - поток, прошедший через исследуемую БС, Ф0- падающий поток. Важнейшим свойством при использовании абсорбционных измерителей

является аддитивность величины Dλ, которая позволяет при исследовании БС, представляющих смесь «n» химически не реагирующих между собой веществ, записать:

n	n
lg (Ф0/Ф) = ∑ lg (i=1Ф0/Фi) = ∑ Dλii=1,		(1.14)

где Фi - интенсивность светового потока, прошедшего через раствор i- го компонента смеси, Dλi - величина оптической плотности i-го компонента

21

раствора.

Приведенные выше зависимости справедливы для монохроматического излучения.

В случае использования полихроматического излучения, содержащего электромагнитные волны с длиной в диапазоне от λ1 до λ2 , падающий лучистый поток Ф0 будет определяться:

Φ0 = λ∫2Φ0 (λ)∂λ ,	(1.15)
λ1

а интегральный коэффициент пропускания:

λ2	λ2	(λ)∂λ ] ,
τ = [ ∫Φ0	(λ)τ(λ)∂λ ] / [ ∫Φ0		(1.16)
λ1	λ1

где Ф0 (λ) - спектральная характеристика излучения. Величина светового потока, прошедшего через слой вещества:

Ф =	λ2	Ф0(λ)ехр(- кλl)dλ или	(1.17)
	∫
	λ1
Ф =	λ2	Ф0(λ)10 – к`λldλ	(1.18)
	∫
	λ1

Так как коэффициент погашения зависит от длины волны излучения, то коэффициент рассеяния будет равен:

	λ2	λ2
ρ0 =	∫	Ф0(λ)ρ(λ)dλ / ∫ Ф0(λ)dλ	(1.19)
	λ1	λ1

Аналитически выражения можно записать для коэффициентов отражения ρз(λ) и поглощения α(λ).

Следовательно, можно сделать вывод, что регистрируя значения ρ0(λ), α(λ), τ(λ) и ρ3(λ), которые различны для различных веществ, можно оценивать наличие тех или иных веществ в растворе исследуемой БС.

22

1.3.3. Отражение света

Отражением света называется явление, которое состоит в том, что свет, падающий на поверхность, разделяющую две оптические среды с различными показателями преломления, частично или полностью возвращается в среду, из которой он падает.

Характер отражения света от поверхности зависит от качества ее обработки, материала поверхности, температуры ее и углов падения света на поверхность.

Рис. 1.3. Три вида отражения

На рис. 1.3. схематически показано распределение света при трех видах отражения.

Хорошо полированные поверхности дают зеркальное отражение. В этом случае угол падения лучей равен углу отражения (рис. 1.3, а).

Идеально рассеивающие матовые поверхности дают диффузное (рассеянное) отражение (рис. 1.3, в).

Промежуточным видом отражения является направленно-рассеянное отражение, при котором максимум силы света совпадает с направлением зеркального отражения (рис. 1.3, б). При смешанном отражении наблюдаются одновременно свойства диффузного и направленного отражений. Отражение света от среды, оптически менее плотной, с полным возвращением в среду, из которой он падает, называется полным внутренним отражением.

При графическом изображении отраженного от тела или прошедшего через тело света концы радиус-векторов, изображающих силу света или яркость образуют поверхность, которая называется фотометрической поверх-

ностью.

В результате сечения фотометрической поверхности плоскостью получается кривая линия, называемая фотометрической кривой, которая характеризует распределение интенсивности в данной плоскости сечения.

23

Для характеристики распределения светового потока в пространстве (в случае рассеянного или полурассеянного отражения) пользуются понятием коэффициента яркости, под которым понимают отношение яркости Lα поверхности в данном направлении к яркости L0 идеально матовой белой поверхности при одинаковой освещенности:

rα =	Lα	.	(1.20)
	L
	0

Общий коэффициент отражения ρ складывается из коэффициентов направленного ρн и диффузного ρд отражений. Согласно определению он всегда меньше единицы. Коэффициент же яркости rα может быть значительно больше единицы. Это иллюстрирует рис. 1.4, где окружность 1 изображает распределение удельной силы света, отраженного идеально рассеивающей поверхностью, а кривая 2 представляет собой кривую полурассеянного отражения от некоторой поверхности при той же освещенности.

Рис. 1.4. Распределение удельной силы света

На рис. 1.4. коэффициенты яркости для направлений 0В и OD равны отношению векторов, а именно:

rОВ = ОВОА и rОD = ООСD ,

где rОВ > 1, rОD < 1.

Коэффициенты яркости зависят от угла падения и поэтому они определяются для случая нормального падения света.

Коэффициент отражения ρ преломляющей поверхности зависит от угла i падения света на поверхность и от показателей преломления п и п' соприкасающихся сред.

24

По формуле Френеля можно подсчитать ρ для естественного света:

	1		sin	2	′		tg	2	′
ρ =					(i −i )	+			(i −i )	,
	2			2	′		tg	2	′
		sin			(i + i )				(i + i )

где i и i΄ — связаны соотношением

n sin i == п' sin i'.

При нормальном падении света формула (1.21) имеет вид

ρ= 1 (i −i′′) 2 .

2 (i + i )

При малых углах падения, когда in ≈ i΄n΄, получим

ρ= 1 (n − n′′) 2 ,

2 (n + n )

(1.21)

(1.22)

Заметим, что коэффициент отражения на границе двух сред практически не зависит от того, с какой стороны падает свет на границу раздела. При расчетах отражения светового пучка от ряда поверхностей следует иметь в виду явление поляризации света при отражении, которое влияет на коэффициент отражения.

Ниже даны значения коэффициента направленного отражения для некоторых материалов при комнатной температуре.

Металл, осажденный на стекле путем испарения в вакууме:

серебро ………….….0,95

алюминий ……….….0,87

золото ………………0,82

медь …………………0,78

никель ………………0,55

хром ……………….. 0,47

Металл, гальванически нанесенный на металлический подслой:

серебро ……………..0,88—0,93 родий ……………….0,74

кадмий …………….. 0,64 хром ………………. 0,62 никель …………….. 0,55—0,60 молибден …………. 0,55 медь ……………….. 0,48

Значения коэффициентов диффузного рд отражения для некоторых материалов при комнатной температуре приведены ниже:

Углекислый магний ............……. 0,97—0,98

25

Окись магния ...............……….. 0,97

Окись цинка ...................

……….. 0,91

Мел и гипс ................……………. 0,85—0,90 Фарфор белый матовый .....…....... 0,80—0,85 Фаянс белый матовый .........…..... 0,50—0,60 Ватманская бумага ...........……..... 0,76—0,82 Белая клеевая краска .......……..... 0,70—0,80 Розовая светлая краска .......….... 0,30—0,45

Красная краска (киноварь) ............

0,13—0,14

Желтая краска (хром) ............……..0,55 Зеленая краска ...............…………0,20

Синяя краска (кобальт) ..............

0,07

Черный бархат ...............…………. 0,06—0,07

В оптических системах применяют полированные зеркальные поверхности, которые покрыты тонким слоем металла, нанесенного путем его испарения в вакууме. Коэффициент отражения от металлических покрытий в случае нормального падения лучей определяется по формуле

	ρ =	(n −1)	2	+ χ2	,	(1.23)
		(n +1)	2	+ χ2

где п — показатель преломления металла; χ - показатель поглощения металла.

Потери света на отражение могут быть снижены путем просветления поверхностей. Просветлением называется процесс нанесения тонких пленок на поверхности оптических деталей с целью уменьшения отражения света от их поверхностей. В этих тонких пленках происходит явление интерференции. Толщину пленки для однослойного просветления определяют по формуле

	d =	(2K +1)λ	,	(1.24)
		4n
		с

где К — длина волны; nс — показатель преломления пленки; К = 0, 1, 2, 3 и т. д. Толщина пленки составляет около одной четверти длины волны света.

Показатель преломления пленки находят по формуле

nс = n ,

(1.25)

где п — показатель преломления стекла детали. Значимость просветления заключается не только в том, что уменьшается потеря света на отражение, но и в том, что отраженные лучи в пленке в соответствии с законами интерференции гасят друг друга, тем самым уменьшая вредный рассеянный свет.

26

1.3.4. Простая шероховатая поверхность

Шероховатая поверхность является сложным объектом, поэтому при разработке теории обычно принимают следующие упрощающие задачу предположения: 1) размеры рассеивающих элементов много меньше или много больше длины волны падающего излучения; 2) радиус кривизны рассеивающих элементов много больше длины волны; 3) затенение одних элементов другими отсутствует; 4) подсчитывается электромагнитное поле только в зоне Фраунгофера; 5) многократное отражение отсутствует; 6) плотность микронеровностей не рассматривается.

При исследовании живых организмом in vivo дополнительные трудности при получении объективных данных связаны с протеканием процессов жизнедеятельности в самом организме. Биологические ткани поглощают и рассеивают лучистую энергию, однако принять рассеяние диффузным можно с определенными допущениями. Для того, чтобы рассмотреть динамику взаимодействия потока лучистой энергии с тканями тела, следует учитывать размеры, плотность упаковки и форму. Например, для эритроцитов, на поверхности которых в основном происходит рассеяние света, необходимо учитывать их движение, изменение коэффициента преломления как внутри самой структуры форменных элементов крови, так и коэффициент преломления различных структур ткани и целый ряд других факторов. До настоящего времени не получены решения уравнений, описывающих распространение как направленного, так и диффузного излучения через структуры подобной сложности. Поэтому при рассмотрении распространения потока излучения через биологический объект принимают ряд допущений: структуру объекта считают однородной с некоторыми усредненными оптическими характеристиками, распределение эритроцитов в тканях равномерным, форма эритроцитов принимается за круглую, поток – неполяризованным, монохроматичным или имеющим достаточно узкий спектральный состав.

Рассмотрим модель X. Дэвиса. Он ограничил свою модель шероховатой поверхности очень малыми и очень большими по сравнению с длиной волны микронеровностями. Кроме того, он считал, что локальные нормали к микрограням почти совпадают с нормалью к средней плоскости поверхности, т.е. наклон микрограней очень мал.

Критерием для проверки правильности принятых моделей шероховатой поверхности, использованных Х. Дэвисом, может служить закон сохранения энергии. Полный коэффициент отражения от шероховатой поверхности запишется так

	ρ(Ψ,ξ) = ρs +	1	∫βic cosΘdωr ,	(1.26)
		π
			2π

где первый член ρs — коэффициент зеркального отражения, а второй — коэффициент диффузного отражения в полусфере.

27

Отклонение полного коэффициента отражения от единицы свидетельствует о некорректности модели.

Коэффициент отражения в зеркальном направлении выражен формулой, определяемой теорией X. Дэвиса:

ρs = ρ0e−(	4πσ	)	2
			,	(1.27)
	λ

где ρs —коэффициент зеркального отражения исследуемой шероховатой поверхности; ρ0 —такой же коэффициент гладкой поверхности образца из того

же материала; σ—среднеквадратическое отклонение от средней линии профиля; λ — длина волны падающего излучения.

Для модели X. Дэвиса единица получается только в области очень малых шероховатостей (σ / λ ≤ 0,04 ). При больших значениях σ / λ коэффициент отражения превышает единицу и тем значительнее, чем больше отношение параметров. Отсюда следует, что модель X. Дэвиса применима только к поверхностям, у которых размер шероховатостей весьма мал и рассеяние света незначительно. Иначе говоря, расчет по способу X. Дэвиса можно производить только для достаточно гладких поверхностей.

1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного устройства

Оптические ИП основаны на использовании оптоэлектронных преобразователей и характеризуются большим разнообразием конструктивных и схемотехнических решений.

Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного преобразователя: ИИ – источник излучения; ФИ – фоновое излучение; ОС1 – оптическая система введения излучения в измерительный канал; ОС2 – оптическая система введения излучения в канал ОЭП; ОЭП – оптоэлетронный преобразователь (приемник излучения и электронная схема его включения; ИК - измерительная кювета.

Вобщем случае оптические ИП можно представить как показано на рис.

2.Они включают ИИ, оптическую систему ОС1, позволяющую собрать лу-

28

чистую энергию ИИ и сформировать направленный пучок излучения на ИБС, а при необходимости промодулировать его по интенсивности, управлять спектральным составом и способностью выделять полезный сигнал на фоне сигнала от других излучателей. Кроме того в структуру оптических АИУ входит оптическая система ОС2, включающая элементы и устройства, необходимые для введения светового потока от ИБС (находящейся в кюветах, на предметных стеклах, барабанах с пробирками) в оптический канал приемника излучения, входящего в состав ОЭП. Взаимное расположение этих элементов ИП различно и определяется особенностями метода измерения и свойств ИБС. Поэтому конкретный состав функциональных узлов оптоэлектрического ИП неодинаков часто включает достаточно сложные устройства:

Оптические узлы: ОС1, конденсоры, модуляторы, фильтры и другие устройства могут входить в ИИ, а корректирующие оптические фильтры ОС2 - в состав ПИ. В современных оптических измерительных преобразователях ПИ может иметь несколько независимых каналов преобразования излучения в электрическом сигнале. Система фильтров позволяет согласовывать спектральные характеристики ИИ и ПИ со спектральными характеристиками пропускания и отражения ИБС.

Для достижения заданных метрологических характеристик оптических ИП необходимо проводить как структурную, так и параметрическую оптимизацию его основных преобразователей в рамках системы ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ - ИБС – ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ. К основным преобразователям оптических ИП относится оптоэлектронный преобразователь (ОЭП), в качестве которого в начале развития этого класса ИУ применялись электровакуумные ОЭП, а затем полупроводниковые и др. ОЭП.

В основе принципа работы ОЭП нашли применение нескольких эффектов: внешний фотоэффект (электроны отрываются от поверхностного слоя при его освещении), внутренний фотоэффект (образование свободных электронов в твердом теле). Существуют ОЭП, реагирующие на изменение интенсивности излучения, его спектрального состава (спектральночувствительные ОЭП), а так же чувствительные к направлению излучения, то есть к направлению падения светового потока (позиционно-чувствительные ОЭП).

По области предпочтительной спектральной чувствительности ОЭП можно разделить на группы, работающие в различных областях спектра, показанных в таблице 1.1.

	Таблица 1.3.
Область спектра	Длина волн λ,нм
Видимая	800-400
Ультрафиолетовая	400-200
Короткая ультрафиолетовая	200-180
Вакуум –ультрафиолетовая	<180

29

При разработке оптических ИП, предпочтительных для работы со световыми потоками, характеризующимися низким уровнем интенсивности (люминесцентный анализ), созданы ОЭП, в которых светочувствительный слой охлаждается до очень низкой температуры (до 20К и ниже). В общем случае

выходной ток ОЭП Iфo зависит от множества факторов:

Iф = f (φo, λ,T,U...) ,	(1.27)
где φo - величина падающего потока;	λ - спектральный диапазон из-

лучения; Т - абсолютная температура светочувствительного слоя ОЭП; U - напряжение питания ОЭП.

Эта зависимость нелинейная. Кроме того, она изменяется со временем (временной дрейф). Это приводит к появлению погрешностей измерения. Поэтому в процессе измерения одной из важнейших задач является стабилизация влияния основных внешних факторов: температуры, параметров источника питания и др. внешних условий, не связанных с измеряемым параметром.

Одним из определяющих функциональных элементов в структуре оптических ИП является ОЭП. Среди его основных параметров и характеристик, являющихся принципиальными при разработке оптических ИП в первую очередь принято выделять.

Интегральная чувствительность ОЭП. Эта величина, обозначаемая иногда δинт, численно равна отношению приращения одного из выходных

данных информативных параметров ОЭП к вызвавшему его воздействию (световому потоку или освещенности).

Спектральная чувствительность χ(λ) , характеризующая реакцию

ОЭП для каждой длины волны λ оптического излучения.

Уровень собственных шумов.

Порог чувствительности - это минимальный световой потокΦ min , который способен вызвать на выходе ОЭП информативный сигнал, который находится в заданном отношении к уровню собственных шумов (отношения сигнал / шум).

Инерционность, оцениваемая постоянной времени τ переходного процесса при скачкообразном изменении величины потока излучения.

Особое значение для ОЭП имеет оценка влияния собственных (внутренних) шумов на процессе измерительного преобразования. Основными видами шумов для ОЭП являются: тепловые, вызываемые хаотическим тепловым движением электронов; дробовые, определяемые тем, что электрический ток представляет собой поток дискретных частиц, количество которых флуктуирует во времени; токовые шумы (1 / f - шум); фотонные шумы, зависящие от флуктуации числа фотонов, падающих на светочувствительный слой ОЭП.

30