ГОНИОФОТОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01J1/30 

Изобретение относится к метрологии оптического излучения, в частности к устройствам для измерения пространственного распределения излучения с малых расстояний фотометрирования.

Известен телецентрический растровый гониофотометр для измерения светораспределения, имеющий оптический растр в виде набора непрозрачных плоских экранов с отверстиями, устройство перераспределения оптического излучения, например, в виде линзы, блок фотоприемников и узел регистрации. При этом блок фотоприемников состоит из набора фотоприемников, каждый из которых установлен по заданному направлению. Внутренние экраны растра устанавливаются на определенных расстояниях, при которых возможно одновременное измерение силы света по нескольким направлениям пространства [1] .

Недостатки данного устройства следующие: погрешность фотометрирования, особенно при больших углах отклонения лучей от оптической оси, является существенной, что связано с неизбежным увеличением аберраций в оптической системе устройства перераспределения при возрастании угла падения излучения на нее. При увеличении угла фотометрирования существенно уменьшается чувствительность прибора за счет уменьшения коэффициента пропускания оптического растра. Это приводит к необходимости использования коррекции выходных сигналов фотоприемников и затрудняет измерения в этих направлениях.

Способ выделения лучей ограничивает диапазон углов фотометрирования лишь в пределах полупространства, причем при стремлении этого угла к 90^о (т. е. при широких кривых светораспределения) требуемые габаритные размеры гониофотометра стремятся к бесконечности. Кроме того, указанный гониофотометр применим только для случаев, в которых отношение γ диаметра отверстий растра к шагу растра r будет меньше 0,5, т. е. γ = d/n < 0,5.

При малом параметре γ растра гониофотометр имеет малую чувствительность (суммарная площадь отверстий меньше непрозрачных участков экранов), а также существенно возрастает расстояние фотометрирования, при котором дискретность растра не оказывает влияния на точность измерения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является гониофотометр, содержащий коллиматор в виде оптического растра, интегрирующий элемент, приемник излучения и блок усиления и регистрации сигналов [2] . Расчетное угловое разрешение, характеризуемое углом α_o гониофотометра, определяется отношением диаметра отверстий к расстоянию между основными экранами оптического растра. Количество и положение промежуточных экранов определяются из условия экранирования пучков лучей, распространяющихся через отверстия основных экранов, не лежащие на одной оси, по направлениям, отклоняющимся от направления фотометрирования на угол, превышающий α_o, вплоть до максимального угла отклонения лучей исследуемого объекта (светового прибора) от направления фотометрировния.

Недостатком данного гониофотометра являются большое количество промежуточных экранов, необходимых для надежной экранировки лучей, отклоняющихся от заданного направления на угол, превышающий α_o . Это приводит к возрастанию массы коллиматора, повышаются требования к точности установки промежуточных экранов, что усложняет конструкцию гониофотометра. Существует погрешность гониофотометра, обусловленная рассеянием света на отверстиях экранов. Кроме того, чувствительность гониофотометра не всегда достаточна, например, при его градуировке с помощью светоизмерительных ламп.

Целью изобретения является упрощение конструкции, уменьшение погрешности фотометрирования и расширение диапазона измерения.

На фиг. 1 показана оптическая схема гониофотометра; на фиг. 2 - сечение гониофотометра с фокусирующей линзой в качестве интегрирующего элемента, проходящее через оси двух ближайших отверстий одного экрана растра; на фиг. 3 - то же, с использованием в качестве интегрирующего элемента зеркально-отражающей поверхности и расположением приемника излучения на оптической оси гониофотометра; на фиг. 4 - то же, что и фиг. 3, но с внеосевым расположением приемника излучения; на фиг. 5 - ход лучей в сечении, проходящем через оси ближайших отверстий основного экрана коллиматора, при использовании линзы в качестве интегрирующего элемента (промежуточные экраны не показаны).

Гониофотометр (см. фиг. 1), предназначенный для фотометрирования излучающих объектов, например светового прибора 1, содержит коллиматор 2 с оптическим растром, интегрирующий элемент 3, приемник 4 излучения и блок 5 регистрации. Имеется также поворотный узел 6 гониофотометра.

Оптический растр коллиматора (см. фиг. 2) имеет два основных экрана 7 и систему промежуточных экранов 8. В качестве интегрирующего элемента - собирающая линза (фиг. 2) или зеркально-отражающая поверхность при осевом расположении приемника излучения (фиг. 3) или зеркально-отражающая поверхность, но при внеосевом расположении приемника излучения (фиг. 4).

Рассмотрим ход лучей, прошедших через отверстия основных экранов коллиматора (фиг. 5), где d - диаметр отверстий растра; h - расстояние между центрами ближайших отверстий; l_о - расстояние между основными экранами.

Расстояние h является, по существу, шагом растра. Структура растра может быть такова, что расстояние между соседними отверстиями различно. Поэтому здесь и в дальнейшем шаг растра определяется как расстояние между центрами ближайших отверстий растра.

Пучки лучей с направлениями, соответствующими углам ( α₀-α₁'), ( α₁''-α₂'). . , вошедшие через один из основных экранов в точке А, не выйдут из коллиматора, так как будут экранированы непрозрачными участками другого основного экрана. Пучки же лучей с направлениями, соответствующими углам (0- α_o), ( α₁'-α₁''), ( α₂'-α₂''). . . . . , при отсутствии системы промежуточных экранов выйдут через отверстия другого основного экрана.

Если в качестве интегрирующего элемента 3 используется собирающая линза, то пучки лучей, прошедшие через оптический растр коллиматора 2, будут пересекать фокальную плоскость линзы в разных точках. При установке приемника 4 излучения на оптической оси гониофотометра в фокальной плоскости линзы расположение промежуточных экранов выбирается таким образом, что экранируются пучки лучей, отклоняющиеся от направления фотометрирования на углы от α_o до α_пр. При этом α_пр равен сумме максимального углового размера α_ф приемника излучения, наблюдаемого с поверхности фокусирующей линзы (в общем случае - с поверхности интегрирующего элемента γ и угла α_a, определяемого рассеянием света и аберрациями фокусирующей системы).

В гониофотометре каждый i-й промежуточный экран оптического растра коллиматора устанавливают на некотором расстоянии от одного из основных экранов, определяемом с учетом экранирующего действия совокупностью всех экранов от другого основного экрана до (i-1)-го промежуточного. Рассмотрение геометрии расположения основных и промежуточных экранов в гониофотометре, в котором реализуются вышеуказанные функциональные требования к экранам оптического растра, позволяет установить следующие ограничения.

Первый промежуточный экран отстоит от одного из основных экранов на расстоянии l₁, при этом
γl_o ≅ l₁ < l_o , (1) где l₀ - расстояние между основными экранами, а все последующие промежуточные экраны отстоят от этого же основного экрана на расстояние l_i, определяемое условием
(2) где i - номер промежуточного экрана (i = 2, 3, 4. . . ); α_i-1} - угол, начиная с которого прекращается экранирующее действие совокупности экранов, включающей другой основной экран и промежуточные экраны до (i-1)-го.

В случае использования в растровом гониофотометре в качестве интегрирующего элемента фокусирующей системы местоположение последнего промежуточного экрана определяется расстоянием l' от того же самого основного экрана оптического растра, что и ранее, при этом
l_ol′≅ l_o. (3)
При выполнении условий (1), (2) количество экранов по сравнению с известным устройством может быть уменьшено, прежде всего за счет того, что при определении местоположения каждого промежуточного экрана учитывается совместное экранирующее действие всей совокупности предшествующих экранов, включающей один из основных экранов и промежуточные экраны до (i-1)-го включительно. Выполнение условия (3), справедливо при использовании фокусирующей системы, обеспечивает еще большее уменьшение количества экранов, а следовательно, и упрощение конструкции. Кроме того, при этом увеличивается чувствительность гониофотометра, что связано с концентрацией прошедшего через коллиматор излучения на приемнике излучения, а также значительно уменьшается погрешность, вызванная влиянием рассеянного света. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1315827, кл. G 01 J 1/04, 1984.

2. Frederiksen E. Onidirectional sensitive photometer II Light and Lighting, 1967, vol. 60, N 2, р. 46-48.

Использование: в измерениях пространственных характеристик излучения, в частности при малых расстояниях фотометрирования. Сущность изобретения: растровый гониофотометр содержит коллиматор в виде системы параллельных непрозрачных экранов с равномерно распределенными соосными отверстиями. Коллиматор состоит из двух основных экранов и установленных между ними промежуточных экранов, за коллиматором размещается интегрирующий элемент и приемник излучения с блоком регистрации. Первый промежуточный экран установлен на расстоянии l₁ от одного из основных экранов, а остальные промежуточные экраны - на расстояниях l_i от этого же основного экрана, при этом γl₀≅ l₁<l₀, где γ - отношение диаметра отверстий растра к шагу растра; l₀ - расстояние между основными экранами; d - диаметр отверстий растра; i - номер промежуточного экрана (i = 2, 3, . . . ); α_c,i-1 - угол, начиная с которого прекращается экранирующее действие совокупности экранов, включающей другой основной экран и промежуточные экраны до (i - 1)-го. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ГОНИОФОТОМЕТР, содержащий расположенные последовательно по ходу излучения коллиматор с оптическим растром, выполненным в виде системы параллельных непрозрачных экранов, включающей входной и выходной основные экраны и установленные между ними промежуточные экраны, в каждом из которых выполнены равномерно распределенные отверстия, соосные между собой, интегрирующий элемент, приемник излучения с блоком регистрации и поворотный узел гониофотометра, отличающийся тем, что первый промежуточный экран установлен на расстоянии l₁ от одного из основных экранов, а остальные промежуточные экраны - на расстоянии l_i от этого же основного экрана, удовлетворяющих условиям
γ l₀≅l₁<l₀ ,

где γ - отношение диаметра отверстий растра к шагу растра;
l₀ - расстояние между основными экранами;
d - диаметр отверстий растра,
i - номер промежуточного экрана (i = 2, 3, . . . ),
α_,i-1} - угол, начиная с которого прекращается экранирующее действие совокупности экранов, включающей другой основной экран и промежуточные экраны до (i - 1)-го. 2. Гониофотометр по п. 1, отличающийся тем, что интегрирующий элемент выполнен в виде фокусирующей системы, при этом последний промежуточный экран установлен на расстоянии l¹ от первого основного экрана, определяемом из условия
l_o≅ l′≅ l_o
где α₀ - максимальный угол, под которым лучи проходят через соосные отверстия основных экранов оптического растра;
α_пp - продольный угол отклонения от направления фотометрирования лучей, равный сумме максимального углового размера α_ф приемника излучения, наблюдаемого с поверхности интегрирующего элемента и угла α_а определяемого рассеянием света и аберрациями фокусирующей системы.