ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЛУЧЕННОСТИ Российский патент 1994 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к устройствам для фотометрического контроля и измерения облученности и может быть использовано, например, при контроле высокоинтенсивных световых полей в камерах солнечной радиации.

В технике фотометрических измерений некогерентного излучения считают, что оптическое излучение, падающее на некоторую точку пространства либо плоскости из различных точек излучающего пространства, можно представить в виде совокупности световых лучей, имеющих определенное пространственное положение относительно координатных осей, связанных с данной точкой пространства (плоскости).

При этом облученность в данной точке является суммой всех лучей, а способ суммирования зависит от того, какая облученность измеряется: пространственная (сферическая, полусферическая), либо плоскостная.

При определении пространственной облученности все световые лучи, приходящие в данную точку пространства, учитываются с одинаковым весом и облученность рассчитывают по формуле E_пр = Σ E_i (1) где Е_пр - пространственная облученность в данной точке;
E_i - облученность каждого из световых лучей, приходящих в данную точку.

При определении плоскостной облученности, особенно при протяженных излучателях, веса отдельных лучей зависят от угла их падения на плоскость и облученность в данной точке плоскости определяется формулой E_пл = Σ E_icosΨ_i (2) где Е_пл - облученность в данной точке на плоскости;
E_i - облученность i-го луча, отклоненного на угол ϕ_i от нормали к плоскости.

Известны устройства для измерения облученности на плоскости, например фотометр УБФ [1] (производства Загорского оптико-механического завода), содержащий светоприемное устройство, выполненное в виде шара Лярше, приемник излучения и регистрирующее устройство. Для реализации зависимости (2) в этом устройстве в шар Лярше введен непрозрачный конус, установленный во входном отверстии шара. Поверхность конуса и внутренняя поверхность шара покрыты белым светорассеивающим покрытием. Такая конструкция обеспечивает удовлетворительное выполнение условия (2), однако рассеивающие покрытия на отражающих поверхностях шара и конуса приводят к существенному ослаблению света, и к тому же световой пучок на выходе шара распространяется в телесном угле вплоть до 180^о (плоский угол), в то время как оптические элементы, расположенные далее по ходу лучей, светофильтры, а также приемники излучения - имеют относительно малый угол восприятия излучения: не более 20-40^о. В итоге, из общего входного излучения, падающего на фотометрическое устройство, используется не более 5-10%.

Указанное обстоятельство приводит к необходимости введения в состав устройства дополнительных усилителей электрических сигналов либо других усложнений устройства.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для регистрации облученности [2], содержащее светоприемное устройство, световод и приемник излучения. Для измерения сферической облученности в этом устройстве светоприемный узел выполнен в виде полого сферического шара с полированной наружной поверхностью и матированной внутренней. Излучение на выходе шара после рассеяния матированной поверхностью распространяется в пределах телесного угла с величиной плоского угла 180^о, что приводит к значительным энергетическим потерям.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет эффективного сбора входного излучения.

Цель достигается тем, что в фотометрическом устройстве для измерения облученности, содержащем установленные на оптической оси светоприемное устройство со сферической наружной поверхностью, световод и приемник излучения, перед которым установлен светофильтр, световод выполнен из набора оптических волокон, входные торцы которых установлены по наружной поверхности светоприемного устройства, а выходные торцы расположены в пределах плоскости фигуры, подобной рабочей поверхности приемника излучения, оптически сопряженной с этой плоскостью.

При измерении плоскостной облученности входные торцы двух соседних (i, i+1) оптических волокон расположены друг от друга на расстоянии Δα_i в плоскости, содержащей оптическую ось устройства, определяемом из соотношения: Δα_i= Δα₁/cosα_i, (3) где Δα_i - угловое расстояние между центром входного торца оптического волокна, проходящего через оптическую ось устройства, и центром входного торца соседнего с ним волокна;
α_i- угловая координата середины промежутка между центрами входных торцов указанных оптических волокон.

При выполнении условия (3) в устройстве реализуется условие (2). Возможно также реализовать условие (2), если входные торцы оптических волокон расположить равномерно по поверхности сферы в плоскости, содержащей оптическую ось устройства, а их световые сечения определить из соотношения: S_i= S_o˙cosβ_i, (4) где S_о - эффективное сечение оптического волокна, проходящего через оптическую ось устройства;
β_i- угол между оптической осью устройства и центром торца i-го волокна;
S_i - эффективное сечение i-го волокна.

Изобретение отличается от прототипа рядом отличительных признаков, основным из которых является то, что требуемое распределение пространственной чувствительности фотометрического устройства (формульные соотношения (1) или (2) в зависимости от того, какая облученность подлежит измерению: сферическая или плоскостная) обеспечивается за счет определенного пространственного расположения входных торцов оптических волокон либо соответствующим выбором их эффективных сечений.

На чертеже приведен пример конкретного выполнения фотометрического устройства.

Устройство состоит из светоприемного устройства 1, установленного по оптической оси устройства и имеющего сферическую наружную поверхность А с радиально расположенными на ней отверстиями 2, световода 3, светофильтров 4 и приемника 5 излучения. Световод 3 выполнен из набора оптических волокон 6 со световыми сечениями S_i, и входные торцы 7 волокон установлены в отверстиях 2 таким образом, что они совпадают с поверхностью А.

Выходные торцы 8 оптических волокон расположены в одной плоскости в пределах фигуры, подобной рабочей поверхности Б приемника 5 излучения и оптически сопряженной с этой поверхностью. Перед приемником излучения устанавливается светофильтр 4.

Светоприемное устройство 1 в зависимости от цели измерения выполняется различным образом. Так, при измерении пространственной облученности наружная поверхность А должна представлять полную сферу, а при измерении полусферической и плоскостной облученности поверхность А выполняется в виде полусферы. Также с учетом цели измерения выбираются порядок расположения радиальных отверстий 2 в устройстве 1 и их эффективные сечения, при этом соблюдаются формульные соотношения (2) и (3).

Фотометрическое устройство работает следующим образом. Измеряемое излучение падает на светоприемное устройство 1 и через входные торцы 7 оптических волокон 6, проходя по волокнам, достигает выходных торцов 8 и далее проходит светофильтр 4 и фокусируется на входной площадке приемника 5 излучения. Выходной электрический сигнал приемника излучения пропорционален потоку излучения, падающему на него. В свою очередь, поток излучения, выходящий из торцов 8 оптических волокон, определяется пространственным распределением входной облученности и пространственным распределением чувствительности светоприемного устройства, которое, в свою очередь, зависит от схемы расположения входных торцов 7, и эффективными их сечениями, под которыми понимаем произведение светового сечения волокна на коэффициент пропускания.

При измерении пространственной облученности, когда входные торцы расположены равномерно по поверхности А и их сечения одинаковы, поток излучения на входе приемника излучения будет Ф = E_iS_вол·τ_вол·τ_сф (5) где E_i - составляющая облученности на входе светоприемного устройства, соответствующая i-му волокну и нормальная к поверхности сферы;
S_вол - площадь светового сечения волокна;
τ_вол - коэффициент светопропускания волокна;
τ_сф- коэффициент пропускания светофильтра;
n - количество одновременно засвечиваемых торцов.

Выражение (5) показывает, что в случае измерения пространственной облученности все составляющие входного излучения учитываются с одинаковым весом независимо от угла падения.

При измерении плоскостной облученности, если торцы 7 располагаются в порядке, обусловленном выражением (3), поток на приемнике излучения определится выражением Ф = E_icosα_i·S_вол·τ_вол·τ_сф (6) где α_i - угол отклонения каждой составляющей входного излучения от оптической оси светоприемного устройства в плоскости, содержащей оптическую ось.

Выражение (6) подтверждает, что такое устройство реализует требуемую характеристику пространственного распределения чувствительности устройства по выражению (2).

Для случая измерения плоскостной облученности, когда входные торцы 7 расположены равномерно по поверхности А, а их эффективные сечения выдержаны в соответствии с выражением (4), поток излучения на входе приемника 5 излучения определится соотношением (6), а следовательно, будет выполнено условие (2).

Таким образом, изобретение обеспечивает выполнение условий, требуемых при измерении пространственной либо плоскостной облученности, и характеризуется рядом существенных преимуществ перед другими. Благодаря выполнению световода 3 в виде набора оптических волокон и определенному порядку расположения входных торцов волокон на поверхности А и выбору эффективных сечений волокон достигнуто необходимое распределение пространственной чувствительности светоприемного устройства; при этом не используются элементы со светорассеивающими характеристиками, так что эффективность использования входного излучения во много раз выше.

Благодаря предлагаемому расположению входных торцов световых волокон производится сбор всех составляющих входного излучения, приходящих на вход светоприемного устройства из различных точек пространства, что наиболее существенно при фотометрировании протяженных излучателей. В предлагаемом светоприемном устройстве независимо от угла падения входного пучка на светоприемное устройство при его распространении по световому волокну за счет изгиба светового волокна происходит выпрямление всех входных пучков, так что в итоге на выходном торце световода 3 излучение имеет небольшой угол расходимости (этот угол определяется конкретными параметрами светового волокна и лежит в пределах 15-30^о). Такая величина расходимости светового пучка обеспечивает оптимальную работу светофильтров и приемника излучения.

Выходные торцы всех волокон, располагаясь в пределах плоскости фигуры, подобной рабочей поверхности приемника излучения, позволяют сфокусировать на рабочей поверхности приемника световое пятно, полностью соответствующее форме его рабочей поверхности, и тем самым избежать энергетических потерь.

Таким образом указанные преимущества изобретения обеспечивают существенное повышение эффективности использования входного излучения. Тем самым достигается упрощение устройства и повышение его точности.

Использование: устройства фотометрического контроля и измерений облученности. Сущность: в фотометрическом устройстве для измерения облученности, содержащем светоприемное устройство со сферической наружной поверхностью, световод и приемник излучения, световод выполнен из набора оптических волокон, входные торцы которых установлены по наружной поверхности светоприемного устройства, а выходные торцы расположены в пределах фигуры, подобной рабочей поверхности приемника излучения и оптически сопряженной с этой поверхностью. При измерении плоскостной облученности угловое расстояние между центрами входных торцов двух соседних оптических волокон в плоскости, содержащей оптическую ось, определяется по зависимости, приведенной в формуле изобретения. При равномерном расположении входных торцов на наружной поверхности светоприемного устройства их световое сечение определяется из соотношения, приведенного в формуле изобретения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЛУЧЕННОСТИ, содержащее установленные на оптической оси светоприемное устройство со сферической наружной поверхностью, световод и приемник излучения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет эффективного сбора входного излучения, световод выполнен из набора оптических волокон, входные торцы которых установлены по наружной поверхности светоприемного устройства, а выходные торцы расположены в пределах плоскости фигуры, подобной рабочей поверхности приемника излучения, оптически сопряженной с этой плоскостью. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью измерения плоскостной облученности, входные торцы двух соседних (i, i + 1) оптических волокон расположены друг от друга на расстоянии Δα_i в плоскости, содержащей оптическую ось устройства, определяемом из соотношения
Δα_i = Δα₁ / cosα_i ,
где Δα₁ - угловое расстояние между центром входного торца оптического волокна, проходящего через оптическую ось устройства, и центром входного торца соседнего с ним волокна;
α_i - угловая координата середины промежутка между центрами входных торцов указанных оптических волокон. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью измерения облученности на плоскости, входные торцы оптических волокон расположены равномерно по поверхности сферы в плоскости, содержащей оптическую ось устройства, а их световое сечение S_i определяется из соотношения
S_i = S_ocosβ_i ,
где S_o - эффективное сечение оптического волокна, проходящего через оптическую ось устройства;
β_i - угол между осью устройства и центром торца i-го волокна;
S_i - эффективное сечение i-го волокна.