LABORATORIUM FOTONIKI

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki LABORATORIUM FOTONIKI Teoria barwy cz. 1. I. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania - promieniowanie optyczne - spektrometr - modele liczbowe barw - diagram chromatyczności CIE własności, barwa podstawowa i dopełniająca - współczynnik oddawania barwy CRI, temperatura barwowa - filtry dichroiczne - transmisja - metameryzm II. Program zajęć - pomiar charakterystyki spektralnej lampy halogenowej - wyznaczenie temperatury barwowej światła lampy halogenowej dla kilku warunków zasilania - pomiar charakterystyki spektralnej lampy LED - wyznaczenie temperatury barwowej światła lampy LED dla kilku warunków zasilania - zapoznanie się z zasadą działania filtrów dichroicznych, wyznaczenie charakterystyk spektralnych filtrów - wyznaczenie barw podstawowych i dopełniających światła odbitego od makiet różnych kolorów, w warunkach oświetlenia lampą LED oraz halogenową - obserwacja zjawiska metameryzmu Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP

1. Układ pomiarowy Na stanowisku laboratoryjnym znajdują się następujące elementy: 1. oświetlacz halogenowy z wiązką światłowodową umocowaną w uchwycie, 2. biała lampa LED, 3. zestaw filtrów optycznych na karuzeli, 4. kolorowe makiety, 5. spektrometr optyczny StellarNet model BlueWave UV-VIS z receptorem kosinusowym, 6. zwierciadła półprzepuszczalne, 7. komputer. 2. Pomiary i obliczenia 2.1 Charakteryzacja źródeł światła białego Włączyć komputer, upewnić się czy spektrometr jest podłączony do komputera i sygnalizuje gotowość do pracy zieloną diodą sygnalizacyjną na panelu przednim. Uruchomić program SpectraWiz, wybrać tryb pracy Scope mode Włączyć oświetlacz halogenowy i ustawić maksymalną moc zasilania lampy Ustawić receptor kosinusowy na wprost źródła światła Czas całkowania spektrometru dobrać tak, aby uzyskać około 95% maksymalnego zakresu pomiarowego UWAGA: po zmianie czasu całkowania należy każdorazowo zapisać charakterystykę ciemną Zapisać charakterystykę spektralną lampy halogenowej Zmierzyć temperaturę barwową W tym celu zmienić tryb pracy na Lux, następnie wybrać opcję pomiarów kolorymetrycznych Color. Z wykresy chromatyczności odczytać temperaturę barwową (CCT) Wyznaczyć temperaturę barwową światła lampy halogenowej dla kilku warunków zasilania Wykreślić wartość temperatury barwowej w funkcji zasilania Powtórzyć pomiary dla lampy LED 2.2 Pomiar transmisji filtrów optycznych Włączyć oświetlacz halogenowy i ustawić średnią moc zasilania lampy Zmontować układ pomiarowy z oświetlacza halogenowego, karuzeli z filtrami, zwierciadeł półprzepuszczalnych oraz detektora w taki sposób, aby możliwe było rejestrowanie światła zarówno transmitowanego przez filtr jak i odbitego Zmierzyć charakterystyki transmisji i odbicia kilku filtrów wskazanych przez prowadzącego (wykorzystać tryb Transmission spektrometru) Określić, które ze zmierzonych filtrów są dichroiczne Zmierzyć charakterystyki transmisji i odbicia złożenia dwóch filtrów wskazanych przez prowadzącego 2

2.3 Wyznaczenie barw podstawowych i dopełniających oraz obserwacja zjawiska metameryzmu Włączyć oświetlacz halogenowy i ustawić średnią moc zasilania lampy Światło z lampy halogenowej skierować na kolorową makietę Zbliżyć końcówkę światłowodu podłączonego do spektrometru do makiety w taki sposób, aby uzyskać około 90% maksymalnego zakresu pomiarowego Włączyć w programie SpectraWiz diagram chromatyczności i zaobserwować położenie punktu pomiarowego. Spisać jego współrzędne x, y oraz wyznaczyć barwę podstawową i dopełniającą światła odbitego od makiety Pomiar powtórzyć dla kilku makiet Zmienić źródło światła na lampę LED i powtórzyć pomiary Zaobserwować zmianę położenia punktu pomiarowego przy zmianie kąta obserwacji 3

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki LABORATORIUM FOTONIKI Teoria barwy cz. 2. I. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania - promieniowanie optyczne, wielkości charakteryzujące (energia, długość fali, częstotliwość, temperatura barwowa) - zjawisko dyspersji i dyfrakcji - siatka dyfrakcyjna - pryzmat - spektrometr optyczny - budowa i zasada działania monochromatora II. Program zajęć - pomiar charakterystyki spektralnej lampy halogenowej i całkowitej mocy optycznej - rozszczepienie światła w pryzmacie oraz pomiar mocy optycznej dyskretyzowanych linii emisyjnych - rozszczepienie światła na siatce dyfrakcyjnej oraz pomiar mocy optycznej dyskretyzowanych linii emisyjnych - odtworzenie charakterystyki spektralnej lampy halogenowej z w/w pomiarów - wyznaczenie strat Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP 4

1. Układ pomiarowy Na stanowisku laboratoryjnym znajduje się układ pomiarowy składający się z następujących elementów: 1. oświetlacza halogenowego z wiązką światłowodową umocowaną w uchwycie umieszczonym przed kolimatorem wejściowym modelu monochromatora, 2. modelu monochromatora umożliwiającego zmianę położenia elementu dyspersyjnego (pryzmat lub siatka dyfrakcyjna) oraz kolimatora wyjściowego, 3. światłowodu łączącego kolimator wyjściowy modelu monochromatora ze spektrometrem optycznym, 4. spektrometru optycznego StellarNet model BlueWave UV-VIS, 5. komputera klasy PC. 2.4 Model monochromatora Używanym na stanowisku laboratoryjnym urządzeniem służącym do rozszczepienia wiązki promieniowania na poszczególne składowe jest model monochromatora firmy Frederiksen, którego schematyczną budowę przedstawiono na rysunku 7. Do głównego bloku urządzenia, na którym znajduje się obrotowa podstawa elementu dyspersyjnego, dołączone są dwa ramiona z układami optycznymi. Układ kolimatora wraz ze szczeliną wejściową służy do kierowania badanego promieniowania na element dyspersyjny. Dzięki szczelinie wejściowej regulować można natężenie oświetlenia wprowadzanego do układu. Ruchomy teleskop wyjściowy, do którego podłączyć można element detekujący, umożliwia analizę badanego promieniowania w funkcji kąta jego odchylenia przez element dyspersyjny. Element dyspersyjny (siatka dyfrakcyjne lub pryzmat) umieszcza się na obrotowej podstawie w centralnej części monochromatora. Siatkę dyfrakcyjną zamontowaną w uchwycie przykręca się dostępnymi na stanowisku śrubami montażowymi. Pryzmat na podstawce umieszcza się tak aby trzpień blokujący umieszczony został w jednym z otworów w podstawie obrotowej. Rys. 7. Schemat budowy modelu monochromatora firmy Frederiksen Znacznik pozycji początkowej 0 oznacza ustawienie wzajemne ramion monochromatora w jednej linii, co wiążę się z detekcją maksymalnego sygnału na wyjściu układu. Zmianę pozycji ramienia teleskopu określić można dzięki skali z podziałką kątową 5

umieszczoną z dwóch stron monochromatora. Dzięki dodatkowej podziałce kątowej możliwe jest również określenie zmian pozycji obrotowej podstawy z elementem dyspersyjnym względem ruchomego ramienia teleskopu wyjściowego. Wszelkie zmiany położenia ramienia teleskopu i/lub obrotowej podstawy na element dyspersyjny dokonać można w szerokim zakresie kątowym po zwolnieniu śrub blokujących. Przy dokręconych śrubach blokujących zmiana wzajemnego położenia poszczególnych elementów układu jest możliwa w niewielkim zakresie kątowym jedynie dzięki regulacji śrubami regulacyjnymi. 3. Pomiary i obliczenia 3.1 Obserwacja efektu rozpraszania światła białego przechodzącego przez transmisyjną siatkę dyfrakcyjną. Zainstalować siatkę dyfrakcyjną na obrotowej podstawie elementu dyspersyjnego modelu monochromatora. W tym celu uchwyt siatki dyfrakcyjnej przykręcić do podstawy dwiema plastykowymi śrubami montażowymi. Ustawić obrotową podstawę tak, aby promień pierwotny, wychodzący z kolimatora wejściowego, padał prostopadle bezpośrednio na powierzchnię siatki, a nie na płaską powierzchnię szkiełka siatki. Włączyć oświetlacz halogenowy i ustawić maksymalną moc zasilania lampy. Przystawić biały ekran (dostępny na stanowisku) w odległości około 20 cm za siatką dyfrakcyjną i określić ilość widzianych rzędów prążków interferencyjnych odchylanych w prawą i lewą stronę. Wykonać w sprawozdaniu schematyczny szkic otrzymanego obrazu, zaznaczyć i krótko wyjaśnić kolejność pojawiających się barw w obserwowanych prążkach interferencyjnych. Wybrać stronę i rząd dyfrakcji, w której obserwowane barwy mają największą intensywność. 3.2 Pomiar charakterystyki spektralnej lampy halogenowej Ustawić zgrubnie ramię teleskopu wyjściowego w pozycji początkowej 0 i dokręcić śrubę kontrującą. Włączyć komputer, upewnić się czy spektrometr jest podłączony do komputera i sygnalizuje gotowość do pracy zieloną diodą sygnalizacyjną na panelu przednim. Uruchomić program SpectraWiz, wybrać tryb pracy Scope mode i ustawić czas integracji sygnału równy 10 ms. Zdemontować z monochromatora obrotową podstawę elementu dyspersyjnego wraz z siatką dyfrakcyjną, zachowując szczególną ostrożność aby nie uszkodzić siatki dyfrakcyjnej. Śrubą regulacyjną ramienia teleskopu wyjściowego ustawić takie położenie ramienia aby obserwowany sygnał lampy halogenowej był maksymalny. W razie potrzeby przymknąć szczelinę wejściową kolimatora tak aby uniknąć nasycania się matrycy detektorów (płaska charakterystyka w maksymalnym zakresie intensywności). Optymalny poziom sygnału to około 50 000 zliczeń. Zapisać mierzoną charakterystykę pod nazwą Lampa_halogenowa_ref.SSM, w utworzonym wcześniej katalogu o nazwie według algorytmu: data_dzieńtygodnia_godzina-zajęć (np.: 2014-10-10_pt_9:15). 6

Zanotować zakres długości fal emitowanych przez lampę halogenową. Zamontować ponownie obrotową podstawę elementu dyspersyjnego wraz z siatką dyfrakcyjną, zachowując szczególną ostrożność aby nie uszkodzić siatki dyfrakcyjnej. 3.3 Pomiar dyskretnych linii widmowych uzyskanych w wyniku rozszczepienia przez siatkę dyfrakcyjną UWAGA! Nie zmieniać ustawień lampy halogenowej ani stopnia otwarcia szczeliny wejściowej. Nie zmieniać ustawień spektrometru. Ustawić obrotową podstawę tak, aby promień pierwotny, wychodzący z kolimatora wejściowego, padał prostopadle bezpośrednio na powierzchnię siatki, a nie na płaską powierzchnię szkiełka siatki. Ustawić zgrubnie ramię teleskopu wyjściowego pod takim kątem do promienia pierwotnego, aby do teleskopu wyjściowego wprowadzić barwne promienie świetlne z wybranego wcześniej prążka interferencyjnego i dokręcić śrubę kontrującą. Przy zgrubnym ustawieniu pozycji teleskopu, w oknie programu SpectraWiz widoczna powinna być wąska charakterystyka widmowa rozszczepionego promieniowania. Zmieniając pozycję ramienia teleskopu wyjściowego dokonać pomiaru i analizy linii widmowych w całym zakresie emisyjnym lampy halogenowej z krokiem co 10 nm. Za każdym razem zanotować następujące dane: Nr pomiaru Długość fali [ nm ] Natężenie światła [ W/m 2 ] Szerokość połówkowa widma FWHM Kąt ugięcia [ o ] 1 450 111 11 8 2 460 222 22 9 3. Z uzyskanych wyników obliczyć stałą siatki dyfrakcyjnej (co najmniej dla pięciu punktów pomiarowych). Do programu OriginPro zaimportować plik z danymi zmierzonego widma Lampa_halogenowa_ref.SSM i wykreślić graficznie wynik. Do drugiego arkusza wprowadzić dane (długość światła i natężenie) charakteryzujące mierzone wąskie linie widmowe promieniowania rozszczepionego przez siatkę dyfrakcyjną. Wykreślić obie charakterystyki na jednym wykresie. Wyznaczyć całki określające całkowite natężenie światła białego, w jak najszerszym zakresie długości fal, z pomiaru referencyjnego i odtworzonej charakterystyki lampy halogenowej z wąskich linii światła rozszczepionego. Porównać uzyskane wartości natężenia światła (detekowanej światłości na powierzchni czołowej światłowodu podłączonego do spektrometru optycznego) i wyznaczyć straty mocy wprowadzone przez siatkę dyfrakcyjną. Zapisać dane w programie OriginPro we wcześniej utworzonym katalogu. 3.4 Pomiar dyskretnych linii widmowych uzyskanych w wyniku rozszczepienia przez pryzmat UWAGA! Nie zmieniać ustawień lampy halogenowej ani stopnia otwarcia szczeliny wejściowej. Nie zmieniać ustawień spektrometru. Zdemontować siatkę dyfrakcyjną z obrotowej podstawy elementu dyspersyjnego modelu monochromatora, zachowując szczególną ostrożność aby nie uszkodzić siatki 7

dyfrakcyjnej. W tym celu uchwyt siatki dyfrakcyjnej odkręcić do podstawy luzując (nie odkręcając całkowicie) dwie plastykowe śruby mocujące. Zainstalować pryzmat na obrotowej podstawie elementu dyspersyjnego modelu monochromatora. Trzpień blokujący podstawki pryzmatu wprowadzić do jednego z dwóch pozostałych otworów podstawy obrotowej monochromatora. Obracając podstawą elementu dyspersyjnego ustawić pryzmat w pozycji umożliwiającej obserwację światła rozszczepionego. Ustalając pozycje pryzmatu posłużyć się białym ekranem ustawianym w odległości około 20 cm za pryzmatem. Ustawić zgrubnie ramię teleskopu wyjściowego pod takim kątem do promienia pierwotnego, aby do teleskopu wyjściowego wprowadzić barwne promienie świetlne uginane przez pryzmat. Dokręcić śrubę kontrującą ramienia teleskopu. Przy zgrubnym ustawieniu pozycji teleskopu, w oknie programu SpectraWiz widoczna powinna być wąska charakterystyka widmowa rozszczepionego promieniowania. Zmieniając pozycję ramienia teleskopu wyjściowego dokonać pomiaru i analizy linii emisyjnych w całym zakresie emisyjnym lampy halogenowej z krokiem co 10 nm. Za każdym razem zanotować następujące dane: Nr pomiaru Długość fali [ nm ] Natężenie światła [ W/m 2 ] 1 450 111 11 2 460 222 22 3. Szerokość połówkowa widma FWHM Do kolejnego arkusza w programie OriginPro wprowadzić dane (długość światła i natężenie) charakteryzujące mierzone wąskie linie widmowe promieniowania rozszczepionego przez pryzmat. Wykreślić trzecią charakterystykę na tle wcześniejszych na jednym wykresie. Wyznaczyć całkę określającą całkowite natężenie światła białego otrzymanego z odtworzonej charakterystyki lampy halogenowej z wąskich linii światła rozszczepionego, w takim samym zakresie jak w pkt. 4.3 ćwiczenia. Porównać uzyskane wartości natężenia światła z wartościami uzyskanymi w poprzedniej części ćwiczenia i wyznaczyć straty mocy wprowadzone przez pryzmat. Zapisać dane w programie OriginPro. 3.5 Analiza strat w układzie monochromatora Przedyskutować i wytłumaczyć skąd wynikają straty mocy w układzie po wprowadzeniu elementu dyspersyjnego. Wskazać dla jakiego elementu straty są większe i wytłumaczyć dlaczego. Opuszczając stanowisko pomiarowe należy odłożyć elementy optyczne w odpowiadające im pudełka i opakowania, zachowując szczególną ostrożność. 8

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki LABORATORIUM FOTONIKI Teoria barwy wstęp teoretyczny 1. Cel ćwiczenia Głównym celem laboratorium jest zapoznanie z charakterystykami spektralnymi źródeł światła białego, metodami rozszczepienia i syntezy światła, modelami liczbowymi barw, jak również obserwacja zjawiska metameryzmu. 2. Wiadomości wstępne Promieniowanie optyczne, nazywane potocznie światłem, obejmuje zakres promieniowania elektromagnetycznego o długości fal w zakresie od 10 nm do 1 mm i mieści się w niewielkim zakresie wykorzystywanych obecnie długości fal promieniowania elektromagnetycznego (rys. 1.). Dzieli się na ultrafiolet UV (10 400 nm), światło widzialne VIS (380 780 nm) i podczerwień IR (780 nm 1 mm). Rys. 1. Widmo promieniowania elektromagnetycznego [1] Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole magnetyczne lub elektryczne ma ten sam zwrot i amplitudę. Zależność tych wielkości opisuje wzór λ = c/f, gdzie λ - długość fali, c - prędkość fali w danym ośrodku, a f częstotliwość. 9

Częstotliwość dla danej fali jest stała i niezależna od ośrodka, natomiast długość fali zmienia się, bowiem prędkość propagacji fali zależy od gęstości ośrodka, w którym fala się przemieszcza. Długości fal podane w tej instrukcji odnoszą się do próżni, gdzie prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej wynosi w przybliżeniu 3 10 8 m/s. Promieniowanie złożone wyłącznie z fal o jednej częstotliwości nazywamy promieniowaniem monochromatycznym. W rzeczywistości jednak każde źródło emituje światło o niezerowej szerokości spektralnej czyli obejmujące pewien przedział częstotliwości. Najbardziej zbliżonym do monochromatycznego jest promieniowanie lasera i często takim mianem jest określane. Światło niemonochromatyczne można rozłożyć na składowe o różnych częstotliwościach otrzymując w ten sposób widmo optyczne (spektrum) promieniowania. Rozdzielenie się fali na składowe o różnej długości nazywane jest rozszczepieniem i zachodzi np. w pryzmacie lub dzięki siatce dyfrakcyjnej. Rozszczepienie światła przez pryzmat (rys. 2.) wynika ze zjawiska dyspersji czyli zależności prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku od jej częstotliwości. Efektem jest wpływ częstotliwości na współczynnik załamania (n = c/υ, gdzie n współczynnik załamania, c prędkość światła w próżni, υ prędkość światła w ośrodku), przez co fale o różnej długości przechodząc przez granicę ośrodków np. powietrze-szkło załamują się pod różnymi kątami. Rys. 2. Rozszczepienie światła białego przez pryzmat [2] Mechanizm rozszczepienia światła na siatce dyfrakcyjnej jest odmienny. Fala padająca na rząd równoległych szczelin ulega dyfrakcji i interferencji w efekcie czego otrzymujemy na ekranie spektrum światła padającego (rys. 3.). Siatki dyfrakcyjne można podzielić na odbiciowe i transmisyjne. W siatkach odbiciowych światło nie przechodzi przez materiał lecz odbija się od struktury wytworzonej na powierzchni, co można zaobserwować na przykład na powierzchni płyty CD. W siatkach transmisyjnych światło przechodzi przez wytworzone w materiale rysy. Siatki transmisyjne dzielą się dodatkowo na amplitudowe, czyli takie które składają się z naprzemiennie ułożonych przezroczystych i ciemnych linii, oraz fazowe, które w całym swoim obszarze są dla światła przezroczyste ale zawierają pasy o okresowo zmieniającym się współczynniku załamania. Parametrem charakteryzującym siatkę dyfrakcyjną jest stała siatki d, oznaczająca rozstaw szczelin siatki (odległość między środkami kolejnych szczelin) wyrażona w mm. Jest zatem odwrotnością liczby rys na milimetr (na stanowisku d = 0,00333 mm). Zależność wartości stałej siatki dyfrakcyjnej i kąta ugięcia θ definiuje równanie siatki dyfrakcyjnej: mλ = d sinθ, gdzie: λ to długość fali, m to rząd ugięcia. Stąd łatwo obliczyć stałą siatki: 10

d = mλ/sinθ Drugim parametrem jest chromatyczna zdolność rozdzielcza R, czyli miara możliwości rozdzielenia dwóch linii widmowych λ i λ + Δλ. Wyraża iloraz długości fali λ i rozdzielanego przedziału Δλ i definiowana jest następująco: R =λ/δλ = mn (m rząd dyfrakcji, N liczba szczelin). Miarą zdolności siatki do rozszczepiania światła na wiązki monochromatyczne jest kątowa dyspersja siatki opisana wzorem Δθ/Δλ = m/d cosθ. Dyspersja wzrasta wraz z rzędem widma m i jest odwrotnie proporcjonalna do stałej siatki d. Rys. 3. Rozszczepienie światła białego przez siatkę dyfrakcyjną [3] Do dokładnego badania widm służą spektrometry. Główną częścią tych przyrządów jest element dyspersyjny (najczęściej pryzmat lub siatka dyfrakcyjna) i element rejestrujący poziom sygnału. Spektrometr zawiera dodatkowo wzorzec, dzięki czemu możliwa jest nie tylko jakościowa ale i ilościowa analiza promieniowania. W wykorzystywanym podczas zajęć spektrometrze elementem rejestrującym jest jednowymiarowa kamera CCD z 2048 detektorami krzemowymi, co znacznie ułatwia szybką analizę widmową oraz dzięki kalibracji umożliwia ilościową charakteryzację analizowanego promieniowania. Budowa monochromatora i spektrometru optycznego Podstawową różnicą między monochromatorem a spektrometrem optycznym jest to, że monochromator nie posiada elementu detekującego światło. Monochromator to urządzenie umożliwiające uzyskanie dyskretnych (wąskich) linii spektralnych z wprowadzonego przez szczelinę wejściową światła o szerokiej charakterystyce spektralnej. W monochromatorze następuje rozszczepienie wiązki światła na poszczególne składowe (poszczególne długości światła) dzięki elementowi dyspersyjnemu. Może to być pryzmat lub siatka dyfrakcyjna. W wyniku dyspersji światła poszczególne linie emisyjne propagują się wewnątrz monochromatora w różnych kierunkach, zależnych od długości fali i kąta odchylenia/odbicia przez element dyspersyjny. Zestaw kilku zwierciadeł zamontowanych wewnątrz monochromatora (w zależności od jego budowy) wydłuża drogę optyczną promieniowania, polepszając tym samym kątową separację poszczególnych długości światła, czyli zdolność rozdzielczą monochromatora. Regulowane szerokości szczelin: wejściowej i wyjściowej również mają wpływ na szerokość uzyskiwanej linii spektralnej. Szeroko otwarta szczelina 11

wyjściowa ma duży kąt akceptacji i tym samym na zewnątrz wydostaje się promieniowanie zawierające długości fal ugiętych w danym kącie akceptacji szczeliny. Przymknięcie szczeliny wyjściowej wpływa na całkowitą moc promieniowania wychodzącego jednocześnie zawężając jego charakterystykę widmowa, dzięki zmniejszeniu kąta akceptacji. Ruchome elementy monochromatora pozwalają zmieniać kąt padania wiązki pierwotnej na element dyspersyjny i w ten sposób na szczelinę wyjściową kierowane jest promieniowanie o innej długości fali. Zasada działania spektrometru optycznego jest niemal identyczna jak monochromatora. Nie ma jednak szczeliny wyjściowej, a w jej miejscu umieszczony jest element rejestrujący w postaci jednowymiarowej matrycy CCD. W wielu konstrukcjach spektrometrów, głównie przenośnych, brak również jakichkolwiek elementów ruchomych. Siatka dyspersyjna rozszczepiając promieniowanie, kieruje je zależnie od długości fali w innym kierunku, w stronę układu detekcji. Na każdy piksel matrycy CCD (każdy dyskretny detektor) pada części promieniowa o wąskim spektrum. Rozdzielczość spektrometru zależna jest od drogi optycznej promieniowania, rozmiarów matrycy detektorów, ilości pikseli w matrycy i parametrów siatki dyfrakcyjnej. Do głównych zalet spektrometru należy wliczyć możliwość detekcji promieniowania i obserwacji widma w czasie rzeczywistym oraz dla skalibrowanych układów detekcyjnych możliwość pomiaru mocy optycznej dla każdej długości fali. Różnice budowy monochromatora i spektrometru schematycznie przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Schemat budowy monochromatora (lewa strona) i spektrometru optycznego (prawa strona) Fale z zakresu światła widzialnego o jednej częstotliwości odpowiadają konkretnej barwie czystej (prostej). Pozostałe barwy powstają w wyniku zmieszania wielu barw prostych w różnych proporcjach. Widzenie kolorów jest subiektywnym wrażeniem psychicznym powstającym w mózgu. Z fizycznego punktu widzenia barwa jest jednak wielkością mierzalną, możliwą do przedstawienia w postaci liczbowej w określonej przestrzeni barw. Opis za pomocą rozkładu widmowego nie zawsze jest praktyczny, ponieważ różne spektra mogę wywoływać takie samo wrażenie barwowe. Powstało więc wiele matematycznych modeli trójwymiarowych przestrzeni barw. Do najważniejszych należą RGB, CMYK, CIE XYZ. Addytywny model RGB opisuje kolory za pomocą współrzędnych R (red czerwony), G (green zielony) i B (blue niebieski). Przez kombinację tych trzech barw można uzyskać szeroki zakres barw pochodnych zawartych z sześcianie kolorów RGB przedstawionym na 12

rysunku 4. Punkt o współrzędnych (0, 0, 0) odpowiada czerni, (1, 1, 1) bieli, a przekątna łącząca te punkty jest osią szarości. Model RGB jest addytywny, co oznacza że kolory powstają przez dodawanie barw podstawowych. Taki model odpowiada sprzętowej metodzie generowania koloru w wyświetlaczach, gdzie jednemu pikselowy odpowiada suma trzech strumieni światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Sprzętowe odwzorowanie kolorów zależy od przyjętych barw podstawowych (ich charakterystyki widmowej). Rys. 4. Sześcian kolorów RGB [4] i zasada addytywnego mieszania barw Model CMYK jest modelem odwrotnym do RGB. Kolory uzyskuje się przez usuwanie barw ze światła białego, dlatego model ten jest nazywany modelem subtraktywnym i jest wykorzystywany w poligrafii, drukarkach i ploterach. Podstawowymi barwami są cyan (zielono-niebieski), magenta (karmazynowy), yellow (żółty), które pochłaniają selektywnie składowe padającego światła białego cyan pochłania barwę czerwoną, magenta zieloną, a yellow niebieską. Aby otrzymać w czasie wydruku dobrze odwzorowaną czerń do barw podstawowych dodano kolor czarny black. Sześcian kolorów CMY i zasada mieszania barw jest przedstawiona na rys. 5. y Rys. 5. Sześcian kolorów m CMY i zasada subtraktywnego mieszania barw Model CIE XYZ zdefiniowała w 1931 roku Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa CIE (ComissionInternationale de l'eclairage). Za pomocą trzech fikcyjnych (leżących poza zakresem c widmowym) barw podstawowych X, Y i Z, które są nieujemne w całym zakresie fal, można przedstawić każde światło. Składowe X i Z niosą informację o barwie, natomiast Y o luminancji światła. Po podzieleniu składowych X, Y, Z przez czynnik normalizujący (X+Y+Z) otrzymuje się współrzędne trójchromatyczne x, y, z. Umieszczenie wszystkich barw na wykresie x-y daje diagram chromatyczności przedstawiony na rys. 6. Na brzegu obszaru znajdują się barwy czyste oznaczone odpowiadającą im długością fali. Połączenie dowolnych dwóch kolorów daje punkt leżący na prostej je łączącej. Podobnie wybierając trzy barwy można z ich kombinacji otrzymać wszystkie kolory leżące wewnątrz trójkąta o wierzchołkach w punktach odpowiadających wybranym początkowo barwom. Na rys. 6. zaznaczono linię bieli linię promieniowania ciała doskonale czarnego. Kolorem białym określana jest bowiem cała gama barw. Aby jednoznacznie opisać wizualne wrażenie światła 13

białego niezależnie od jego źródła wprowadzono termin temperatury barwowej. Temperatura barwowa jest z definicji temperaturą ciała doskonale czarnego, które wysyła promieniowanie o takiej samej barwie jak obserwowane światło białe. Do wartości około 3500 K barwa jest ciepła, w przedziale od 3500 do 6000 K mieści się barwa naturalna, a powyżej 6000 K odcień jest chłodny. Rys. 6. Diagram chromatyczności z zaznaczoną linią promieniowania ciała doskonale czarnego [5] Odbierany kolor zależy od oświetlającego go światła. Parametrem określającym zdolność źródła światła do oświetlenia obiektu w sposób najlepiej oddający barwy jest współczynnik oddawania barwy CRI (Color Rendering Index), którego maksymalna wartość wynosi 100 i oznacza źródło odniesienia, w którym kolory są oddawane jednoznacznie. CIE ustaliła najpowszechniejszy standard illuminant C, w którym źródłem odniesienia jest światło słoneczne o temperaturze barwowej 6770 K. Wrażenie barwy obiektu zależy też od absorpcji i współczynników odbicia jego powierzchni. Jeżeli dwie powierzchnie w świetle dziennym mają taki sam kolor, a przy innym oświetleniu właściwości widmowe wywołują dwa różne wrażenia barwowe to takie zjawisko nosi nazwę metameryzmu. Filtr optyczny jest elementem wyodrębniającym z padającego promieniowania tylko światło z określonego zakresu widmowego (filtr barwny) lub o określonej polaryzacji (filtr polaryzacyjny). Dostępne w laboratorium filtry barwne są filtrami dichroicznymi co oznacza, że światło z zadanego zakresu długości fal jest transmitowane, natomiast pozostałe długości są odbijane od materiału. W odróżnieniu od konwencjonalnych filtrów, gdzie niepożądane częstotliwości są pochłaniane, filtry dichroiczne nie nagrzewają się i są odporne na laserowe światło o dużej mocy. Ponadto zaletą filtrów dichroicznych są bardzo dobre właściwości selekcyjne i trwałość materiału. 14