Клин фотометрический

Одной из важных задач в оптике является контролируемое ослабление светового потока в оптических системах. В одних случаях требуется непрерывное ослабление светового потока, в других достаточно дискретного ослабления на заранее заданную величину^[3].

Для решения этой задачи применяются фотометрические клинья^[4]: непрерывный (см. рисунок А) и ступенчатый (см. рисунок Б).

Непрерывный фотометрический клин состоит из ахроматического вещества (кварц, фторид магния, желатиновые плёнки с коллоидными графитом или серебром) с коэффициентом поглощения ${\displaystyle n}$, не зависящим от длины волны излучения, подаваемого на одну из сторон клина. Боковые грани клина изготавливается с высокой точностью, поскольку его ослабляющие свойства зависят от толщины клина в том месте, где проходит ослабляемое излучение. Другими словами, величина прошедшего клин светового потока ${\displaystyle \Phi }$ зависит от оптической толщины клина в месте падения светового потока. В зависимости от конструкции оптической системы для ослабления светового потока двигается либо клин с помощью прецизионного механизма, либо световой поток смещается вдоль оси фотометрического клина. Основной характеристикой фотометрического клина является диапазон изменения коэффициента ослабления светового потока, который вычисляют по изменению оптической плотности падающего и прошедшего потоков излучения:

${\displaystyle D=\lg(\Phi _{0}/\Phi )}$,

где ${\displaystyle D}$ — оптическая плотность, ${\displaystyle \Phi _{0}}$ — падающий световой поток, ${\displaystyle \Phi }$ — прошедший клин световой поток. Видно, что для непрерывного фотометрического клина оптическая плотность плавно изменяется в некотором интервале значений, обусловленном размерами клина, то есть оптическая плотность является функцией длины клина:

${\displaystyle D=f(L)}$,

где ${\displaystyle L}$ — задействованная в измерениях длина клина^[5]. Схема непрерывного фотометрического клина представлена на рисунке А. В реальных устройствах на непрерывный фотометрический клин наносится равномерная шкала, делениями которой являются значения коэффициентов ослабления (пропускания) ${\displaystyle T}$:

${\displaystyle T=(\Phi /\Phi _{0})=(1-\rho )^{2}\cdot 10^{-kx}}$,

где ${\displaystyle \rho }$ — коэффициент отражения от поверхности фотометрического клина.

Иногда непрерывные фотометрические клинья изготавливают в виде цилиндра со скошенной верхней гранью, а световой поток направляют со стороны плоского основания. Изменения оптической длины ослабляемого излучения добиваются при помощи вращения цилиндра вокруг его продольной оси симметрии (т. н. круговой клин, клин Виганда).

Конструкция ступенчатого фотометрического клина показана на рисунке Б. Клин также состоит из ахроматического материала, на одну из поверхностей которого нанесены участки (обычно полоски или прямоугольники определённой площади) с различными коэффициентами поглощения ${\displaystyle n_{i}}$, отличающимися на строго определённую величину. В этом случае оптическая плотность прошедшего клин излучения вычисляется по формуле:

${\displaystyle D=\lg(\Phi _{0}/\Phi _{i})}$,

где ${\displaystyle \Phi _{i}}$ — световой поток, прошедший через ослабляющий участок клина с коэффициентом поглощения ${\displaystyle n_{i}}$.

Видно, что ступенчатый фотометрический клин имеет набор дискретных коэффициентов ослабления (для представленного на рисунке клина их семь).

Фотометрические клинья обоих типов применяются в фотометрии, лазерных оптических системах, некоторых системах связи, физических экспериментах, метрологии, измерительных оптических приборах^[6].