Какой прибор измеряет отраженный свет
Перейти к содержимому

Какой прибор измеряет отраженный свет

  • автор:

Спектрофотометр

Спектрофотометр (от спектр, фото и измерение) — прибор для исследования свойств различных веществ на основе анализа спектрального состава отражённого или прошедшего через вещество излучения в оптическом диапазоне по отражению (поглощению) различных длин волн электромагнитного излучения. Так же используется для измерения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа и фотометрирования.

Под оптической спектроскопией понимаются все методы количественного и качественного анализа, основанные на взаимодействии света с живой и неживой материей.

Содержание

Возможности

Основное отличие спектрофотометра от [1] .

Область применения

Оптическая спектроскопия применяется в различных областях науки, производства и медицины, в том числе в химии, биологии, физике и астрономии. Высокая достоверность оптической спектроскопии объясняется тем, что каждое вещество обладает своими спектральными свойствами, отличными от спектральных свойств других веществ. Вещества можно анализировать как в количественном, так и в качественном аспектах.

Современные спектрофотометры применяют для измерения коэффициентов оптической плотности прозрачных растворов и твердых тел. Кроме того, они дают возможность измерить скорость изменения плотности и определить концентрацию вещества в растворе.

Оптическая схема спектрофотометров

Рис. 1. Блок-схема однолучевого спектрофотометра с фокусировкой на образце узкой области спектра после монохроматора и дальнейшем измерением уровня сигнала

Рис. 2. Блок-схема однолучевого спектрофотометра с фокусировкой на образце широкополосного излучения и дальнейшем измерением с помощью монохроматора узких областей отражённого спектра

Рис. 3. Спектры чувствительности различных типов фотоприёмников используемых в спектрофотометрах

Оптические схемы спектрофотометров могут быть выполнены по однолучевой или двух лучевой схемам. Поэтому все спектрофотометры принято подразделять на:

Чтобы измерить коэффициент отражения (поглощения), необходимо измерить как падающий, так и отраженный от образца свет. Поэтому в традиционном двухлучевом приборе второй луч, луч сравнения, используется в качестве эталона. Это позволяет измерить свет, который попадает на образец.

В однолучевом приборе так же возможно измерить коэффициент отражения, но в этом случае требуется вычислить коэффициент коррекции.

В двухлучевом приборе использование луча сравнения также увеличивает стабильность измерения прибора. Двухлучевой прибор менее чувствителен к изменениям происходящим в процессе измерения. Приборы, использующие двухлучевую схему и два спектральных анализатора, позволяют добиться максимальной точности и воспроизводимости измерений.

Конструкция спектрофотометров

Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются несколько различных типов фотоприёмников. Так например сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерений в области спектра от 186 нм. до 700 нм., а кислородно-цезиевый фотоэлемент — для измерения в области спектра от 600 нм. до 1100 нм. В областях спектра от 165 — 1000 нм. используют фото электронные умножители (ФЭУ). В областях 700 — 1800 нм. используют полупроводниковые фотоприёмники на основе PbS. В области длин волн 1600 -3300 нм. используют полупроводниковые фотоприёмники на основе InGaAs (Рис. 3).

В настоящее время с появлением возможности создавать матрицы из полупроводниковых фотоприёмников появилась возможность видоизменить устройство спектрофотометра. Таким типом спектрофотометров являются приборы с фотодиодной матрицей (PDA). Здесь свет от источника направляется непосредственно на образец и уже после этого — на дифракционную решетку, с которой проецируется разложенный по поддиапазонам свет на фотодиодную матрицу. Последняя содержит определенное количество фотодиодных датчиков, преобразующих световую энергию в электрические импульсы. Поэтому любой диапазон длин волн при подобной конструкции спектрофотометра дает свой «отклик» на своём фотоприёмнике мгновенно, а не последовательно, как это имеет место в традиционных спектрофотометрах. Электрические сигналы с фотодиодов усиливаются и обрабатываются микрокомпьютером с выводом результатов на дисплей. Количество фотодиодов в матрице определяет разрешающую способность спектрофотометрического прибора. Применение фотодиодной матрицы является важным элементом проведения кинетических исследований, что позволяет одновременно производить замеры исследуемого субстрата и образующегося в ходе реакции продукта при различных длинах волн. Использование данной схемы обеспечивает высокое быстродействие при работе спектрофотометра в режиме сканирования.

Для чего нужен спектрофотометр, как устроен и работает

Прибор для измерения коэффициента пропускания или отражения растворов или твердых объектов в зависимости от длины волны. Такие устройства также часто называют спектрометрами, но термин спектрофотометры является более конкретным и точным.

Обратите внимание, что измерение с помощью таких приборов дает не оптический спектр (зависимость оптической интенсивности от длины волны), а скорее зависящее от длины волны количество исследуемого образца.

Спектрофотометры доступны для различных спектральных областей:

  • Некоторые приборы можно использовать только в видимой области спектра (VIS), например, для колориметрии.
  • Другие подходят только для ультрафиолетовой области (UV) или дополнительно для видимого света (UV VIS).
  • Некоторые устройства предназначены только для инфракрасного излучения (ИК) или только для ближнего инфракрасного излучения (NIR).
  • Некоторые УФ- И ИК-спектрофотометры охватывают все области спектра.

Обычно измеряемыми величинами являются коэффициент пропускания, поглощения или отражения, зависящий от длины волны. В некоторых случаях можно измерить количество рассеянного света.

Спектрофотометры часто представляют собой лабораторные приборы, которые ставят на какой-нибудь стол, но есть и ручные приборы. Для колометрии часто можно использовать упрощенные колометры, используя только три (или несколько больше) цветовых канала, если целью является только измерение цветов.

Виды спектрофотометров, принцип работы

Сканирующие Спектрофотометры

Основной принцип работы большинства спектрофотометров заключается в освещении исследуемого объекта квазимонохроматическим с переменной длиной волны и измерении оптических свойств, таких как коэффициент отражения, поглощения или степень рассеяния света в зависимости от длины волны.

Такие приборы называются сканирующими спектрофотометрами, поскольку их работа включает в себя сканирование по спектральным областям.

В большинстве случаев спектрофотометр содержит широкополосный источник света (источники белого света). Например, лампу накаливания или газоразрядную лампу высокого давления, за которым следует настраиваемый монохроматор — например, монохроматор Черни-Тернера на основе дифракционной решетки.

После монохроматора остается относительно слабый световой луч с радиусом луча обычно в несколько миллиметров и умеренным расхождением. Но существенно большим, чем для лазерного луча с тем же радиусом луча), который может быть направлен через образец или через него. Только небольшая часть света от лампы попадает на образец.

В любое время для измерения может использоваться только небольшая часть общей генерируемой оптической мощности. Первая причина этого заключается в том, что используемая лампа излучает во всех направлениях, и можно использовать только свет, излучаемый в определенном небольшом диапазоне направлений.

Кроме того, одновременно используется только небольшая часть спектра. В частности, когда требуется высокое спектральное разрешение, тогда может потребоваться длительное время измерения на интервал длины волны для получения достаточно высокого отношения сигнал/шум, и общее время измерения может быть довольно большим.

Безусловно, полезно использовать своего рода фотоприемник, который может быть одновременно высокочувствительным и быстрым – например, фотоумножитель. Настраиваемый лазер может посылать гораздо больше света на образец, но эта концепция часто непрактична.

В качестве альтернативы, можно использовать какой-либо перестраиваемый лазер, который может обеспечить спектральную яркость на порядки выше. В этом случае время измерений может быть значительно сокращено.

Однако перестраиваемые лазеры гораздо более ограничены с точки зрения спектрального диапазона, а также намного дороже и сложнее в использовании. Поэтому большинство спектрофотометров по-прежнему полагаются на широкополосные источники света и монохроматоры.

Промежуточным решением может быть использование супер континуального источника, который демонстрирует высокую степень пространственной когерентности и, таким образом, может также предлагать существенно повышенный уровень сигнала и соответствующее сокращение времени измерения. Такие источники могут охватывать более широкие спектральные диапазоны, чем перестраиваемые лазеры.

Как откалибровать показания прибора?

Обычно полученная интенсивность (точнее оптическая мощность) после монохроматора претерпевает существенные изменения при сканировании на разных длинах волн. Кроме того, она может демонстрировать временные дрейфы, например, из-за изменений температуры или старения используемой лампы.

Ткаже чувствительность фотоприемника обычно зависит от длины волны. По этим причинам точные измерения поглощения или отражения, например, требуют сравнения интенсивностей с исследуемым объектом или без него.

В однолучевом спектрофотометре калибровка выполняется с помощью отдельного калибровочного сканирования, в которое не вставляется образец или эталонный образец. В зависимости от требуемой точности калибровочные сканирования могут потребоваться довольно часто или, например, только один раз в день.

При одновременном проведении обоих измерений достигается более высокая точность и удобство. Распространенным решением является использование двухлучевой установки.

Здесь монохроматический световой пучок разделяется на два луча с помощью светоделителя. Один из лучей передается через образец на фотоприемник; другой непосредственно попадает на другой фотоприемник или передается через эталонный образец.

Проблема может заключаться в том, что коэффициент расщепления луча вряд ли может быть независимым от длины волны в очень большом спектральном диапазоне. Это можно решить, например, с помощью двух или трех таких светоделителей. Каждый из лучей отражается на одном таком светоделителе и передается на другой, имеющий те же оптические свойства.

Вместо двух разных детекторов для образца и эталона можно использовать один фотоприемник. Он поочередно получает свет от образца или от эталонного рычага, например, через какой-то прерыватель с вращающимися дисками. Это также устраняет влияние любых различий между двумя детекторами.

Даже при использовании двухлучевого спектрофотометра (или двухлучевого прибора) иногда может потребоваться выполнить калибровочное сканирование, при котором образец заменяется эталонным образцом. Только так можно быть уверенным, что на результаты измерений не повлияют какие-либо асимметрии в настройке, например, вызванные пылью, грязью или несоосностью.

Для точных измерений свойства исследуемых объектов, они должны быть приблизительно постоянными в течение времени, необходимого для сканирования. Это может быть проблемой, например, при мониторинге химических реакций, протекающих со значительной скоростью.

Несканирующие спектрофотометры

Основной принцип несканирующего спектрофотометра заключается в освещении объекта широкополосным светом и проведении спектрального анализа на стороне фотоприемника.

Таким образом, можно одновременно измерять свойства на всех соответствующих длинах волн, и измерение может быть соответственно быстрее, предполагая, что спектральный анализ не занимает много времени.

Используемый спектрометр для анализа света, исходящего от объекта, может быть обычного типа Черни–Тернера. Этот подход вполне уместен при анализе проходящего или отраженного света, когда анализируемый свет может быть легко направлен на входную щель спектрометра, но в меньшей степени для света, рассеянного в широком диапазоне направлений, особенно когда эффективность рассеяния также зависит от длины волны.

Так же, как и в сканирующем спектрофотометре, необходимо учитывать интенсивность источника, зависящую от длины волны (неплоский спектр источника). Часто измерения просто сравниваются с образцом и без образца, или с образцом и эталонным образцом. Существуют также приборы, содержащие два спектрометра: один для пробного света и один для опорного луча.

Спектрофотометры для фиксированных длин волн

Существуют также спектрофотометры, которые выполняют измерения только на некотором ограниченном числе фиксированных длин волн, которые устанавливаются для конкретного применения.

Показатели производительности спектрофотометров

Наиболее важными рабочими характеристиками таких приборов являются:

  • величины, которые могут быть измерены (например, только поглощение или поглощение и отражение);
  • доступный спектральный диапазон, в идеале, UV — VIS — IR;
  • спектральное разрешение (фиксированное или переменное, часто ограниченное монохроматором);
  • диапазон поглощения (ограничен источником света и чувствительностью детектора);
  • время измерения для заданного спектрального диапазона и разрешения.

Примеры применения спектрофотометров

Колориметрия

В некоторых приложениях целью является объективная оценка цвета определенных объектов, например, печатных материалов или текстиля. Иногда это необходимо, поскольку оценка цветов человеческим глазом подвержена различным нарушающим воздействиям, таким как различные условия окружающего освещения, разные цвета соседних объектов и различия в восприятии между разными людьми. Напротив, спектрофотометр может выдавать объективные данные, которые не подвержены таким воздействиям.

Существуют также колориметрические применения в промышленных процессах. В частности, контроль качества может зависеть от свойств цвета, поскольку цвета часто коррелируют с другими интересующими свойствами.

Спектрофотометры, оптимизированные для колориметрии, также называются колометрами. Обычно они работают только с видимым светом или, возможно, также с ближним ультрафиолетовым и ближним инфракрасным светом.

Характеристика лазерных зеркал

Лазерные зеркала часто характеризуются с точки зрения спектров отражения, которые также содержат полезную информацию, касающуюся областей пропускания для инжекции накачки, выходной связи и для подавления нежелательных лазерных линий.

Если используемый спектрофотометр не подходит непосредственно для измерения при некотором ненормальном падении, возможно, придется дополнительно использовать дополнительное зеркало с высокой отражающей способностью (например, широкополосные зеркала с металлическим покрытием первой поверхности), эффективно измеряя двойное отражение на тестируемом зеркале.

Идентификация веществ

Основываясь на характерных спектральных характеристиках поглощения различных веществ, можно идентифицировать широкий спектр веществ, например, в жидком растворе или в газовой ячейке на основе широкополосных спектров поглощения.

Измерения концентрации

Поглощающая способность раствора часто зависит от концентрации определенных поглощающих веществ. Следовательно, такие концентрации могут быть рассчитаны на основе измеренных значений поглощения. Это особенно просто, если линии поглощения различных встречающихся веществ не перекрываются.

Можно просто использовать закон Бира-Ламберта. В более сложных случаях с перекрывающимися характеристиками поглощения все еще часто возможно точно рассчитать вклад различных веществ в общее поглощение по записанному спектру поглощения. Такие измерения могут быть выполнены в различных спектральных областях, часто в инфракрасном диапазоне.

Мониторинг сельскохозяйственной продукции

Специализированные спектрофотометры используются для мониторинга состояния сельскохозяйственной продукции. Например, они могут использоваться для определения того, насколько далеко продвинулся процесс созревания или выпечки, и подачи сигнала тревоги, если определенные параметры выходят за допустимые пределы.

БЛОГ ДМИТРИЯ ЕВТИФЕЕВА

Мои эксперименты в области фотосъемки, статьи по фототехнике и оптике

Экспозиция и экспозамер

Сейчас, когда фотокамеры буквально набиты новейшей электроникой у многих начинающих фотографов создается впечатление, что камера сама способна определить освещенность снимаемой сцены и когда появляются пересвета (переэкспозиция) или недосветы (недоэкспозиция), возникает ощущения, что где-то производитель камеры обманул.

И это отчасти верно. Я расскажу в этой статье как работает экспозамер камеры и как правильно определить экспозицию.
Статей на эту тему было написано предостаточно, так что я попробую совсем уж не описывать общеизвестное, а привнести нечто новое. Если у кого будут вопросы по азам, то вы всегда можете задать вопрос к этой теме.

Для начала определимся с терминами.

Правильная экспозиция

Экспозиция в современном понимании — сочетание чувствительности матрицы фотокамеры (ISO), значения диафрагмы (F) и выдержки (T).

Что такое правильная экспозиция? Если говорить простым языком, то правильная экспозиция, это та освещенность снимка, которую вы хотели получить. Я здесь избегаю стандартного определения осмысленно так как именно оно и вводит в заблуждение.

Классическое определение заключается в том, что нам желательно вписать диапазон яркостей снимка в диапазон яркостей, которые может принять светочувствительный материал, в нашем случае матрица фотокамеры.

Но снимок ваш как раз не обязательно должен весь вписываться в фотошироту матрицы камеры и не всегда вам нужны детали в тенях и светах. Всё зависит от вашей творческой задумки. То, что хорошо для человека снимающего на «цифромыльницу», не подходит для снимающего на зеркальную камеру и старающегося передать своё видение мира, а не делать фотодокументальные кадры.

Методы определения экспозиции зеркальной камерой

Обычный режим
Свет идёт через объектив, попадает на зеркало, от зеркала отражается вверх, на пентапризму, а с неё часть света попадает на датчик экспозиции, а часть в видоискатель. Поскольку на пути лучей света много препятствий, то точность измерения зависит от многих параметров, плюс предугадывается, а не измеряется с конечного сенсора.
Для нас в данном случае в плане точности измерения этим методом имеет значение только фокусировочный экран, так как это единственный съемный элемент на пути лучей света, которые идут на датчик и способный сильно повлиять на измерение.

Если мы используем стандатные фокусировочные экраны, это не проблема — просто выбираем подходящие настройки в меню и камера сама делает поправку. Если экран нестандартный (как, например, фокусировочный экран с клиньями Додена для Canon 5D mark II), то поправку экспозиции вам придётся вычислить экспериментально и самому её вводить.

Экспозиция и экспозамер

схема прохождения лучей света до датчика экспозиции

1 — объектив
2 — зеркало
3 — затвор
4 — сенсор камеры
5 — фокусировочный экран
6 — собирающая линза видоискателя
7 — пентапризма
8 — видоискатель
9 — датчик экспозамера

режим LiveView
Свет через объектив сразу попадает на матрицу камеры, по изображению на которой и определяется экспозиция. Такой же способ используется во всех беззеркальных камерах.
Плюс — особо точный замер экспозиции так как камера сама подстраивается под конечное изображение. Посмотрите, как постепенно осветляется экран на камере или затемняется, когда вы только включили LiveView.
Минус — подстройка идёт с некоторой задержкой, так как камере требуется какое-то время, чтобы обработать информацию снятую с сенсора. При средней освещенности эта задержка незаметна, а при сильных изменениях яркости циферки выдержки при фиксированной диафрагме возникают с небольшой задержкой в режиме AV.

Экспозиция и экспозамер

экспозамер в режиме LiveView

9 — датчик экспозамера в обычном режиме (с опущенным зеркалом)
10 — датчик экспозамера в режиме LiveView (с поднятым зеркалом)

Теперь, надеюсь, вы понимаете, почему экспозиция в LiveView определяется хоть и медленнее, но точнее. По той же причине и фокус по LiveView настраивается точнее. Вы настраиваете изображение прямо на матрице.

Экспозамер отраженного и падающего света

Существует два типа замера экспозиции, по отраженному свету и по падающему.

Замер отраженного света
Замером экспозиции по отраженному свету пользуется зеркальная фотокамера. Свет отражается от предмета съемки и попадает в объектив. Там, по описанному выше сценарию он доходит до светочувствительного датчика, датчик передает данные камере, а камера в соответствии с микропрограммой рассчитывает правильную с её точки зрения экспозиции.

Замер падающего света
Второй тип замера это замер падающего света. Он особенно полезен в сложных условиях освещения, когда камера не может справиться или с отдельными элементами предмета съемки или с перепадом яркостей. Представьте, что у вас модель освещена с разных сторон разными источниками света, причем точечно. Чтобы померить освещенность в этих небольших участках вам придётся основательно повращать объективом, запоминая все цифры, а потом посчитать некую среднюю экспозицию, чтобы вместить все перепады яркости.

Но ключевая проблема состоит в том, что все предметы имеют разную отражающую способность, а камера не знает с какой отражающей способностью перед ней объект. Принято считать, что средняя отражающая способность предметов в сцене — 18%. И потому камера все ваши снимки пытается привести к этим 18%. В 80% случаев камера оказывается права, поскольку 18% взяли не с потолка, а на основе анализа огромного количества фотосюжетов. В том числе и человеческая кожа европейского типа тоже по яркости близка к 18%.
Но эти оставшиеся сюжеты хоть и реже встречаются в обычной жизни (пейзаж, натюрморт), в портретной съемке на каждом шагу. Каждый начинающий портретный фотограф довольно скоро пробует снимать на чёрном или белом фоне. И вот тут кроется проблема. Камера пытается подтянуть черный фон к 18% освещенности и он становится серым, а белый фон наоборот затемнить до 18% и он оказывается тоже серым, а модель недоэкспонированной.

Вот пример. На переднем плане у меня инструмент фотографа — Xrite ColorChecker (набор мишеней для создания цветового профиля, о нём я расскажу в следующих статьях), на котором в верхней части светло-серое поле, а нижнее белое, но с черными надписями.
Посмотрим как такой яркий объект будет воспринят автоматикой камеры, измеряющей отраженный свет.

Экспозиция и экспозамер

F2.8, 1/30s, iso100

Экспозиция камерой измерена точечно по центру, но попала на чёрную рамку. Результат — дерево на заднем плане (Туя) имеет вполне хорошую освещенность, а ColorChecker весь пересвечен, потому как камера померила правильную экспозицию только для чёрной рамки, подтянув её освещенность до средней.
Дерево осветлилось за компанию.

Экспозиция и экспозамер

Гистограмма яркостей этого снимка такая.

Гистограмма нам показывает как всё чудесным образом стало средне-серым (большая ровная гора в центре) и справа у нас чуть-чуть заметно, что незначительная часть кадра пересвечена. Такое вобщем можно и не заметить на крошечном экранчике камеры. По этой причине включайте мигающую индикацию пересвета в камере.

Теперь я замерю освещенность серой карты ColorChecker тоже точечно. Дело в том, что у Xrite ColorChecker серая шкала не 18%, а много светлее (59%).

Обратите внимание, как изменилось мнение камеры о правильной экспозиции, хотя освещение сцены не поменялось.

Экспозиция и экспозамер

F2.8, 1/250s, iso100

Теперь всё наоборот стало слишком тёмным.

Экспозиция и экспозамер

Гистограмма яркостей показывает недосвет. Вот тот маленький «пучок травы» на гистограмме, который примерно посередине — информация о нашем главном объекте съемки — Colorchecker'e.

Попробуем работу автоматики. Сможет ли камера угадать правильную освещенность в максимально автоматических режимах?
Используем оценочный замер, который анализирует всё изображение и рекомендуется Canon для портретов и объектов с задней подсветкой (в контровом свете).

Экспозиция и экспозамер

F2.8, 1/80s, iso100

Как видите, дерево проэскпонировалось нормально, но наш объект — Colorchecker, переэкспонирован.
В данном случае портрет получился бы немного ярче, чем нужно по той причине, что сюжет у нас темнее среднесерого в целом.

Экспозиция и экспозамер

Обратите внимание, как мало информации о нашем главном объекте съемки мы получаем из гистограммы. Это два маленьких зубчика на графике справа. Первый зубчик — серая карта, второй зубчик — белая, с пересветом.
Ведь камера не знает, что именно мы снимаем и предполагает, что мы снимаем то, что занимает бОльшую площадь кадра. А бОльшую площадь занимает дерево. Вот над правильной экспозицией дерева она и будет работать.

Другой автоматический режим это частичный замер. Он использует около 8% кадра по центру видоискателя для расчета. Рекомендуется, если фон значительно ярче объекта. Это не наш случай, но все-таки попробуем.

Экспозиция и экспозамер

Экспозиция и экспозамер

F2.8, 1/160s, iso100

Получилось уже очень близко к правде, но чуть темновато.

Экспозиция и экспозамер

Здесь информация о дереве занимает левую половину кадра, а о нашем объекте съемки — несколько зубчиков ближе в правому краю. Тем не менее из гистограммы видно, что несмотря на недоэкспонированное дерево (в нашем случае это правильная экспозиция, так видно и глазами!), ColorChecker правильно экспонирован.

Теперь ставим настоящую 18% серую карту и меряем по ней.

Экспозиция и экспозамер

F2.8, 1/160s, iso100

Карта была немного неравномерно освещена, но в целом экспозиция правильная и похожая на то, что я вижу глазами.

Т.е. что и требовалось подтвердить — среднесерые сюжеты воспринимаются камерой хорошо и экспозиция в целом измеряется правильно.

Экспозиция и экспозамер

Обратите как вроде бы «неправильно» выглядит гистограмма яркостей снимка. Во-первых гистограмма не занимает весь диапазон яркостей и некоторым захочется растянуть её на весь диапазон. Но где вы на снимке видите белые объекты?
Дерево по яркости от черного до средне-серого. Серая карта — темно-серая.

Подумайте над тем, что наша задача в большинстве случаев передать освещенность места как оно есть, а не вытаскивать искусственно те яркости, которых не видно нашим глазам.

А как поведёт себя замер на основе падающего света?

Экспозиция и экспозамер

Экспонометр Sekonic 758D (модель непринципиальна) намерил нам при диафрагме F2.8 и исо 100, выдержку в 1/125s.

Инструкция на Sekonic 758D на англ.яз. ниже
[lock][download /> [download /> [download /> [/lock]

Обратите внимание, что экспонометр мыльницы, которой я снимал этот кадр (с экспонометром на картинке) тоже все переврал.

Экспозиция и экспозамер

F2.8, 1/125s, iso100

Замер экспозиции по падающему свету в данном случае оказался очень точен.

Экспозиция и экспозамер

Здесь вы видите, что нам удалось впихнуть «невпихуемое». Мы максимум информации сохранили о дереве и даже наш Colorchecker весь попал в диапазон яркостей, без пересветов. Это идеальный вариант.

Конечно, у него есть свои ограничения и основное это то, что не всегда можно поднести экспонометр к объекту съемки и не всегда есть на это достаточно времени. Но иметь его собой вполне оправданно, так как он может выручить во многих сложных с точки зрения экспозамера ситуациях. Плюс ко всему многие экспонометры оборудованы спотметрами, т.е. измерителями отраженного света. Пользоваться ими также удобно, как замером камеры, но позволяет оставить камеру на штативе, нацеленной на сюжет, а измерения проводить специально предназначенным прибором (удобно при съемке пейзажа).

Экспозиция и экспозамер

Экспозиция и экспозамер

экспонометр как спотметр

В случае необходимости поправки экспозиции её можно ввести на постоянной основе в экспонометр. Также его можно откалибровать на другую отражающую способность (по умолчанию 12.5%).

Современные экспонометры позволяют запоминать последние измерения и нажатием одной кнопки выдавать среднее значение экспозиции, при котором у вас влезет максимум из измеренного диапазона яркостей.
Также можно строить профили камеры и заносить их в современный экспонометр, наподобие Sekonic, благодаря чему вы сразу увидите, влезает ли диапазон яркостей сцены в динамический диапазон матрицы вашей камеры.

Экспозиция и экспозамер

Перечислять можно долго. Я советую не слушать скептиков, а попробовать хотя бы простейший.

Кроме того, модели экспонометров способные измерять импульсный свет называются флешметрами и уж их вообще никак не заменить при работе со студийным оборудованием.

Отсюда следует моя рекомендация для мануальной оптики — пользоваться экспонометром.

Помните, что на замер отраженного света через объектив влияет и то, насколько вы точно сфокусировались и фокусное расстояние вашего объектива и тип вашего фокусировочного экрана!

UPDATE

А если вы всё же решили пользоваться только экспозамером камеры, то рекомендую запомнить полезную кнопку фиксации замера экспозиции.

кнопка фиксации замера экспозиции

кнопка фиксации замера экспозиции

Представим ситуацию, у вас яркое небо и темная земля. Никаких приспособлений (фильтров) для выравнивания освещенности у вас нет. Про брекетинг тоже на время забудем. Вы хотите, чтобы у вас пропопало минимум деталей снимка. Вы нацеливаете объектив на небо, нажимаете на кнопку спуска до половины. При этом камера измерит экспозицию. Небо будет правильно проэкспонировано, а земля уйдет во тьму. Удерживая кнопку спуска нажатой до половины, вы нажимаете эту кнопку со звездочкой (она не зря столь удачно расположена). Замер экспозиции фиксируется. Теперь вы можете отпустить кнопку спуска и спокойно настроить композицию кадра.

Зачем мы мерили экспозицию по небу? Дело в том, что детали снимка при переэкспонировании снимка и недоэкспонировании теряются с разной скоростью. При пересвете они теряются значительно быстрее. Потому всегда лучше недосветить — потом сможете больше вытащить деталей из теней, нежели если пересветите и попробуете вернуть детали из переэкспонированной области.

Немного о правильной экспозиции и гистограмме яркостей

Про гистограмму я сначала не хотел рассказывать, так как все, мне кажется, итак знают, как ей пользоваться, но тема кажется недостаточно охваченной без упоминания об этом способе, в том числе о его плюсах и минусах.

Плюсы гистограммы в основном относятся к среднесерым сюжетам (ровная горка посередине шкалы). Например, таким сюжетом может быть фотосъемка в пасмурную погоду. Но стоит вам оказаться в вечерних сумерках или на ярком солнце с блестящими предметами, то начинается.

Гистограмма гуляет то влево, то вправо и не даёт никакой информации о правильной экспозиции. Тут уже автоматика камеры не поможет и вам придётся использовать еще и свой интеллект. Ищите среднесерые предметы, отражающая способность которых может быть примерно такой же, как у 18% серой карты. Это может быть и серый асфальт и серая стена дома. Хорошо с собой иметь серую карту, но неудобно так как она легко мнется. Вместо серой карты можете взять кусок серого студийного фона, его не жалко и он складывается как угодно. После измерения экспозиции сцены рекомендую зафиксировать значения описанной выше кнопкой и пользоваться ими, пока не перейдете в другие условия освещения. Допустим некоторый плюс-минус в освещенности, который вытягивается в RAW-конвертере.

Если на гистограмме есть пики, значит в этих значениях яркостей расположено довольно много информации (по площади кадра).

Экспозиция и экспозамер

Экспозиция и экспозамер

Так, большой пик справа на гистограмме яркостей — это серая карта, которую я поместил в кадр. Она занимает на снимке чуть больше трети кадра, что довольно много по площади.
Еловые иголки более темные и потому расположены в двух левых, меньших по высоте пиках. Пики эти меньше по высоте так как по площади снимка яркие места еловых иголок занимают не так много. С левой стороны гистограмма идёт до конца, значит на снимке есть чёрный цвет, а справа обрывается, не дойдя до края, значит белого на снимке нет.

Вот исходя из таких простых рассуждений и можно анализировать снимок по гистограмме.

Но, как вы видите, информации об общей яркости сцены у нас нет, если нет в кадре серой карты или её заменителя.

Спектрофотометр — принцип работы

Спектрофотометр - принцип работы

Цвет является ощущением, что возникает в человеческом мозге из-за цветового стимула (лучистая энергия, которая проникает в человеческий орган зрения). Но бывают ситуации, когда цвет необходимо измерить.

Электронный оптический аппарат, которым измеряют цвет называется спектрофотометр. С его помощью измеряют величину излучения в нужной области видимого спектра.Данный прибор более точен по сравнению с колориметром. Образец для измерения может иметь вид жидкости, твердого тела, пасты, гранул, пленки либо порошка.

Он пропускает либо отражает падающий на него свет от источника освещения.

Измерение спектрофотометром происходит следующим образом: встроенная лампа (источник освещения) излучает измерительный свет, он отражается от образца, призмы (либо дифракционные решетки) разделяют его на части, каждая часть имеет свою полосу пропускания (обычно это 10 нанометров). Свет от каждой из этих частей попадает на фоточувствительный элемент. Матрица этих элементов выдаст все данные об энергетическом распределении по отраженному, поглощенному либо пропущенному образцом излучаемому спектру. Как итог получается коэффициент отражения либо пропускания, он выражается в процентах.

Характеристики спектрофотометров

Характеристики спектрофотометров

Спектрофотометры обладают целым набором технических параметров, которые влияют на выбор модели прибора. Даже конструкцию спектрофотометра определяет область его применения.

Выбирая спектрофотометр, нужно узнать, какой источник излучения указан в документации.

Данный параметр обозначается заглавной буквой латинского алфавита:

  • свет от электрической лампочки со световой температурой, равной 2856 Кельвинам (A);
  • свет солнца, но не прямой, со световой температурой, равной 6774 Кельвинам (C);
  • естественное (дневное освещение) со световой температурой, равной 5000 Кельвинам (D);
  • естественное (дневное освещение) со световой температурой, равной 6500 Кельвинам (D65).

Диаметр площади для измерения цвета также имеет большое значение. Если предстоит проводить измерение цвета гранул, порошка, искусственных камней либо поверхностей с неоднородным окрашиванием, то нужен прибор с большой апертурой, чтобы была хорошая сходимость итогов измерения. Однако иногда возникает необходимость и в небольшом диаметре площади для измерения цвета.

Важными параметрами спектрофотометра являются повторяемость и воспроизводимость итогов измерения.

  • Воспроизводимость определяется близостью итогов измерения одного объекта одинаковыми методами и правилами одного документа с использованием разного оборудования и различными лаборантами в различные отрезки времени и в разных лабораториях.
  • Повторяемость определяется близостью итогов измерения одного объекта одинаковыми методами и правилами одного документа с применением одного оборудования в одной лаборатории одним лаборантом.

Приборы спектрофотометры подразделяются на несколько категорий:

  1. Если нужны точный анализ цвета, испытания и аттестация сырьевых материалов, то применяют стационарные приборы (для исследований, измерения степени пропускания прозрачных предметов и белизны предмета с ультрафиолетовыми компонентами). Они обладают хорошей прочностью конструкции, большой измерительной головкой и большим измерительным отверстием. В них расширены возможности измерения цвета (можно измерять и на отражение, и на пропускание).
  2. Спектрофотометры портативной конфигурации дают возможность измерить цвет в режиме реального времени и на любом этапе производственного процесса. Такие приборы легкие и очень удобные, их можно транспортировать. У них есть не только измерительная головка, но и мощная система микропроцессоров для анализирования информации, полученной во время измерения. Все результаты измерений выводятся жидкокристаллический экран прибора, а в памяти, которая встроена в прибор, можно сохранить большое число данных и допустимые критерии. Эти спектрофотометры функционируют и отдельно от компьютера. Их оснащают угловой, сферической либо многоугловой геометрией измерений.
Таблица. Операции и средства поверки спектрофотометров инфракрасных согласно ГОСТ 8.657-2009.
Наименование операции Номер пункта стандарта Наименование и тип основного или вспомогательного средства поверки; обозначение нормативного документа, устанавливающего технические требования и (или) метрологические и основные технические характеристики средства поверки
Внешний осмотр 7.1
Опробование 7.2 Пленка полистирола толщиной 0,025. 0,070 мм по ГОСТ 20282
Определение разрешающей способности 7.3 Газовая кювета, заполненная аммиаком под давлением 4·10 3 Па, с длиной поглощающего слоя 100 мм из набора поверочных средств для инфракрасных спектрофотометров НПС-ИКС; пары воды в атмосфере
Определение погрешности градуировки шкалы волновых чисел 7.4 Эталонные средства измерений 2-го разряда по рекомендации (стандартные образцы): пленка полистирола толщиной 0,025…0,070 мм или кюветы, заполненные инденом, с поглощающим слоем толщиной 0,1 и 0,025 мм, или кювета, наполненная аммиаком под давлением 4·10 3 Па, с длиной поглощающего слоя 100 мм, или диоксид углерода и пары воды в атмосфере (характеристики спектров приведены в приложениях А и Б). Лупа с десятикратным увеличением по ГОСТ 25706
Определение уровня мешающего излучения 7.5 Фотометрический секторный диск с коэффициентом пропускания 10% из эталонного средства измерений ПКС-731. Фильтры из набора поверочных средств для инфракрасных спектрофотометров НПС-ИКС по приложению В
Определение абсолютной основной погрешности спектрофотометра 7.6 Фотометрические секторные диски с коэффициентами пропускания 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% и 90% из эталонного средства измерений ПКС-731. Предел допускаемой погрешности измерений коэффициентов пропускания — не более 0,3%

Измерение спектрофотометром

Измерение спектрофотометром

При выборе спектрофотометра, помимо других технических параметров, необходимо обратить внимание и на геометрию измерения (первое значение – это освещение образца, второе значение – отраженный световой поток). Геометрия измерения определяет, как образец освещен и как наблюдается. Существует несколько геометрий освещения, чтобы измерять спектр отраженного сигнала, которые установлены на заседании комиссии по вопросам освещения, членами которой являются специалистами из разных стран.

Есть несколько измерительных геометрий:

  • 45/0 – образец освещен пучками света (единичным пучком), их оси с нормалью к образцовой поверхности создают угол в 45 градусов. Направление наблюдения и нормаль к образцовой поверхности создают угол в 10 градусов. А угол, образованный осью освещения пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам. Эти параметры соблюдаются и в пучке наблюдения.
  • 0/45 – образец освещен пучком света, его ось с нормалью к образцовой поверхности создают угол в 10 градусов. Образец наблюдают под углом в 45 градусов к его нормали. А угол, образованный осью пучка освещения и одним из его лучиков, равен 5 градусам. Эти параметры соблюдаются и в пучке наблюдения.
  • D/0 – образец освещен диффузно интегрирующей сферой (любой диаметр). Нормаль к образцовой поверхности и ось пучка наблюдения создают угол, равный 10 градусам. Угол, образованный осью наблюдаемого пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам.
  • 0/D – образец освещен пучком света, его ось с нормалью к образцовой поверхности создают угол 10 градусов. Световой поток отражается и собирается интегрирующей сферой. Угол, образованный осью освещаемого пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам.

Сейчас применяют модели спектрофотометров, имеющие измерительную геометрию, обозначаемую 45/0 и D/0.

Измерение спектрофотометром ручным

Приборы, чья измерительная геометрия обозначена 45/0, являются дешевыми и портативными. Их применяют, контролируя цвет и измеряя шкалу теста (создание ICC профилей). Сначала они обладали одним световым источником, а потом появились спектрофотометры с симметричными световыми источниками (их два).

Специалисты заметили, что в цветах образцов, освещаемых с различных сторон, есть весьма заметные отличия.

Чтобы эти различия усреднить, начали применять спектрофотометры со световыми источниками в виде колец (геометрия измерения 45/0:c). Однако их нельзя использовать для металлизированных и глянцевых образцов (свет отражается зеркально, измерения обладают большой погрешностью).

Приборы, чья геометрия измерения D/0, лишены таких ограничений, а образец имеет диффузное освещение. В них зеркальную составляющую исключают, размещая приемник света под углом, равным 8 градусам, к нормали, и размещая ловушку блеска (она включает либо выключает зеркальный компонент) напротив.

Когда свет не падает на образцовую поверхность под углом 8 градусов из-за ловушки блеска, то он не отразится зеркально, а будет лишь диффузный свет отраженного потока. Получается измерительная геометрия, которую принято обозначать D/8. Зеркальную ловушку в закрытом виде (включение зеркального компонента) обозначают как D/8:i. Зеркальную ловушку в открытом виде (исключение зеркального компонента) обозначают как D/8:e.

Существуют предметы, окрашенные в особые цвета (вкрапления из металла либо жемчужные пигменты), чтобы они выделялись на общем фоне похожих предметов. И дать визуальную оценку таким предмета при помощи спектрофотометров с угловой либо со сферической геометрией становится затруднительно. Поэтому используют приборы с многоугловой геометрией (объект подсвечивается под углом 45 градусов, а измерение выполняется под незеркальным углом 15 градусов, 25 градусов, 45 градусов, 75 градусов и 110 градусов).

Работа спектрофотометра

Работа спектрофотометра

Спектрофотометры различают по точности измерения и по техническим возможностям. Типы спектрофотометров определяются задачами цветового управления. К примеру, когда нужно измерить образцы с флуоресцентными колорантами либо с оптическим отбеливателем, тогда нужно применить прибор, геометрия измерения которого сферическая, источник освещения импульсный и есть устройство калибровки ультрафиолетовой составляющей в спектре излучения спектрофотометра.

Чтобы измерять образцы на пропускание (жидкость либо пленочка), нужно применять прибор, геометрия измерения которого сферическая и есть возможность измерять пропускание света (общее либо направленное).

Когда спектрофотометр нужен только для контролирования цвета (не нужен расчет рецепта цветов), то возможно применять прибор с угловой геометрией (45/0 либо 0/45). Но, когда важно контролировать цвет и рассчитывать цветовой рецепт, то обязательно нужен прибор, геометрия цвета которого сферическая (D/8).

Специалисты маркетинга применяют спектрофотометры, чтобы оценивать качество цвета товара и упаковки, а также для описания в количественном эквиваленте впечатлений людей, которые появляются благодаря органам зрения. Спектрофотометры используют, чтобы измерять численные различия в цвете эталона и образца товара, и чтобы создавать рецепты красок.

Используют спектрофотометры при изготовлении пищевых продуктов, чтобы определять цвет готового изделия, которую будут употреблять в пищу.

Данные приборы необходимы и на предприятиях, выпускающих пластмассы, ткани, лакокрасочные материалы, косметическую продукцию.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что: спектрофотометры могут различаться конфигурацией и измерительной геометрией. От области применения зависит выбор типа прибора.

материалы по теме

Фотоинициаторы

Фотоинициаторы

Большинство химических элементов, которые используются в различных видах промышленности, обладают особой способностью, при помощи которой происходит поглощение и последующее преобразование света.

Datacolor® запускает новый портативный спектрофотометр для подбора цвета розничной краски

Datacolor® запускает новый портативный спектрофотометр для подбора цвета розничной краски

Лоренсвилль, штат Нью-Джерси — Международный лидер в сфере решений уравнивания цветом и технологий коммуникации цвета Datacolor® на днях оповестил о выпуске портативного спектрофотометра Datacolor 20D, специально спроектированного для ритейлерских торговых центров лакокрасочных товаров и хозяйственных магазинов. В комбинации с новым программным продуктом Datacolor PAINT v. 2.x, Datacolor 20D предоставляет лучшую в отрасли точность цветового равенства в применении красок и покрытий. Этот очень точный спектрофотометр дает лучшее цветовое совпадение с первого измерения на рынке, повышая производительность, экономию средств и удовлетворенность клиентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *