Фотометр Советский патент 1987 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к приборам для светотехнических измерений в астрономии, фотографии.

Цель изобретения - упрощение,конструкции фотометра .

На фиг.1 показана схема фотометра; на фиг.2 .- схема получения компенсатора (фильтра) с переменным пропусканием света на негативе; на фиг.З - экспериментально измеренные на микрофотометре ИФО-451 кривые пропускания узкого пучка света фильтром при нулевом угле падения света в зависимости от расстояния до центра компенсатора (фильтра); на фиг.4 - экспериментально измеренные кривые зависимости вьгкодного сигнала фотометра от угла падения света, косинусная функция сигнала кремниевого фото- диода от угла падения света.

Фотометр содержит оптический компенсатор 1 во входном окне корпуса 2 со светопоглощающими внутренними стенками. Оптическая ось 3 является общей для компенсатора 1 и фотоприемника 4. Оптической осью 3 фотоприемника является перпендикуляр к его светочувствительной-поверхности, про- ходяший через ее геометрический центр Фотоприемник 4 подключен к нагрузке 5 Выходной сигнал фотометра снимается на клеммах 6 и 7. В качестве фотоприемника 4 может быть использован, например, кремниевый фотодиод в вентильном режиме, т.е. нагрузка 5 в этом случае должна быть низкоомной для сохране - ия фотоэлектрической линейности фотодиода.

В способе изготовления оптического компенсатора 1 (фильтра-негатива) используется матовая лампа 8 (220 В, 100 Вт) на расстоянии R от полупрозрачного рассеивающего свет экрана 9. С противоположной по отношению к лампе 8 стороны экрана 9 на расстоянии L от экрана 9 установлен фотоаппарат 10. Экран 9 перпендикулярен прямой, соединяющей лампу 8 и фотоаппарат 10 Для получения оптического компенсатора (фильтра-негатива) использовался фотоаппарат Зенит-В. Экраном 9 служил лист плотного ватмана.

Фотометр работает следующим образом.

При нулевом угле падения света f 0 слаборасходящийся световой пучок проходит на фотоприе 1ник 4 через О,

компенсатора 1, где наибольшая оптическая плотность. При наклонном падении (U :(:0) световой пучок проходит, например, через точку К компенсатора I, где оптическая плотность меньше, чем в центре О, . Следовательно, световой поток, поступающий на фотоприемник 4 через компенсатор 1, возрастает при увеличении угла падения , что и требуется для компенсации уменьшения чувствительности фотоприемника при увеличении угла U

Зависимость пропускания света Т

компенсатором (фильтром) от расстояния г от центра 0 фильтра при нулевом угле падения света определяется, когда точечный источник света и фотоприемник неподвижны. Фильтр перпендикулярен прямой, соединяющей источник света и фотоприемник, и осуществляется скан фильтра вдоль его поверхности. Размер светочувствительной поверхности фотоприемника предполагается малым по сравнению с размером фильтра, , MK R/cosoi.. Освещенность Е в точке О экрана 9

i-- |.- О)

Пропускание t света компенсатором (фильтром-негативом) 1 в точке О (в центре фильтра), соответствующей точке О экрана 9, равно

-Р -

Т R - г

01 -рW - -с

А

(2)

Для точки К фильтра 1, соответствующей точке К экрана 9.,

1 - .

к (МК) г cosV

(3)

Учитывая, что (1+tgV )

, Г„ (HtgoL)...(4)

Справедливость формул (2), (3) объясняется тем, что фотографические слои имеют линейный участок зависимости плотности почернения от десятичного логарифма экспозиции,а также тем,что

гшотньЕЙ ватман имеет практически равномерную индикатрису рассеяния света. При фотографировании экрана 9, имеющего линейный размер АБ, на негативе получается изображение экрана с линейным размером ДГ. Таким образом,, отношение

АБ

ДГ -

(5)

является масЕ1табным коэффициентом изменения размеров экрана 9 до размеров фильтра 1. Отрезок tg ы (фиг.2). Отрезок О, К, (OK/m)R tgc( r (фиг.1), .f

Следовательно

ml

m -т

--«tg4 --- /ur

R

R

(6)

и

lJU(/(-r)j

,ml

Г„ H(- i.tg40.

(7)

Формула (7) дает для фильтра зависит- 5

мость пропускания света от расстоя НИН зондируемой узким пучком света точки фильтра от его центра при нулевом угле падения света.

Образцы негативов-фильтров были

изготовлены следующим образом (фиг.2)20 пленку пучка света можно пренебречь. Лампа матовая, 100 Вт на 220 В; рас- При любом угле падения света Ч для

Очевидно, что пропускание света t для точки К компенсатора (фильтра) дпя луча 13 света с углом падения Ч меньше, чем рассчитанное по формуле (7) для этой же точки К при нулевом угле падения света, потому что при наклонном падении«длина пути луч света в фильтре возрастает. Ввиду ма лой толщины фотопленки (0,14 мм) сравнительно с размером светочувстви тельной поверхности фотоприемника (ivl мм) эффектом смещения выходящего из пленки пучка света вдоль пленки о носительно направления входящего в

стояние R 22 см; фотоаппарат Зенит- выдержка (время экспозиции) 0,2 с объектив Индустар-50-2 ; фотопленка черно-белая, негативная, 65 ед., ГОМТ 24876-21 (КПО Тасма им.Куйбышева), эмульсия № 30176. Проявитель метоло- вый мелкозернистый для негативных чернобелых катушечных фотопленок; время проявления 6 мин. Фиксаж нейтральный. Время закрепления 15 мин. На фиг.З показаны кривые 11 и 1-2 пропускания двух образцов негативов- фильтров, измеренные на микрофотометре ИФО-451 при размере светового зонда 1x1 мм . В микрофотометре источником света является вольфрамовая лампа накаливания рН-8-20, фотоприемником - фотоумножитель ФЭУ-17А чувствительный в спектральной области от 0,3 мкм до 0,6 мкм. Фильтр с кривой 11 пропускания получен при расстоянии см, диафрагме 8 и фотоаппарате Зенит-В, а фильтр с кривой 12 пропускания - при см и диафрагме 5,6. Для фильтра с кривой I1 масштабный коэффициент га 36,92 и TO 3,87%, а для фильтра с кривой 12 m 32,44 и TO 1,415% В табл.I приведено рассчитанное по формуле (7) пропускание света t обоими фильтрами в зависимости от расстояния г.

Кривая 11 совпадает с расчетной при всех значениях г. Кривая 12 хорошо совпадает с расчетной при г 4 мм и идет несколько выше расчетной при

. f

to

5

г Ь мм. Таким образом, справедливость формулы (7) подтверждена. В дальнейшем для экспериментов использовался фильтр с кривой 1I пропускания.

Очевидно, что пропускание света t для точки К компенсатора (фильтра) 1 дпя луча 13 света с углом падения Ч меньше, чем рассчитанное по формуле (7) для этой же точки К при нулевом угле падения света, потому что при наклонном падении«длина пути луча света в фильтре возрастает. Ввиду малой толщины фотопленки (0,14 мм) сравнительно с размером светочувствительной поверхности фотоприемника (ivl мм) эффектом смещения выходящего из пленки пучка света вдоль пленки относительно направления входящего в

5

0

5

данной точки фильтра коэффициент поглощения света К сохраняется неизменным, а меняется только длина пути луча света. Исходя из оптических констант пленки, уравнение для пропускания С света для какой-то точки пленки имеет вид при произвольном угле падения света

4

2п г +

10

-Kt,

(8)

где п

К t , 5

0

5

п + 1

показатель преломления света;

коэффициент поглощения света;

длина пути луча света в пленке, имеющей геометрическую толшлну t;

2п

-2-.- сомножитель, учитывающий отражение света на обеих поверхностях пленки.

;Уравнение (8) справедливо дпя углов падения света 40°, и оно незна-

чительно нарушается при 40° и М 60°

э из-за возрастания отражения света от

поверхностей пленки.

Уравнение (8) содержит три неизвестных: n,k,t, так как величина t может быть выражена через t, п и ч . Для определения констант бьшо экспериментально измерено пропускание фильтра при -сканах черех его центр при трех значениях угла падения света ч, , ч; , .

Получается три уравнения:

;г-1-Т JO(9)

t,

+ 1

2n

+ I

.10

(10)

2n

; +

.10

(II )

откуда после преобразования получается

п

(12) to

2

/7

sin 4 ;-l

Уравнение (12) позволяет итерациями найти показатель преломления плбнки, потому что преобразовать г: уравнение в явной форме относительно п затруднительно.

Было получено, что г

lg()

f

Ig(J)

К 0,235,

(13)

и из (12) получается ,2

Из уравнений (7) и (8) при угле следует, что

- (2п. г 5 +(51)21

+ 1 -o L )

10 откуда

К 1 , 1

t (ini:: п - +Г

(U)

выражение (14)

в выражение t-nt (8)

(

(15) 40

Выходной сигнал фотометра не зависеть от угла падения света Ч ,

т-е- Г cos V тг. , (16)

Вводят в выражение (16) зависимость (15) и учитывают, что г 1-tgf, получают- р . ,

г . I f - : ...121

Ю

.-IfrK-)+ 1

;(

в уравнении (17) известными являются параметры п, т, R, угол Ч задается. Следовательно, итерациями можно определить расстояние от фильтра 5 до светочувствительной поверхto

2968486

нести фотоприемника 7 (фиг.1) при любом заданном угле падения света W .

Поскольку расстояние 1 в фотометре является неизменным, можно прове- 2 рить, как сохраняется равенство левой части уравнения (17) его правой части при конкретном значении 1 при всех углах Н .

В табл.2 приведены результаты расчета величины левой части уравнения

(17) t и погрешности

е

-т

т

-.100% (18)

0

0

в зависимости от угла падения света 5 следующих параметрах: ,2; СМ5 m 36,92; 0,0387;

- 1,22 2,27 мм. (19) m

Малые величины погрешности в табл.2 в широком диапазоне углов Ч свидетельствуют о том, что удовлетворительная компенсация косинусной зависимости сигнала фотоприемника от C угла падения света в фотометре с фильтром-негативом реализуется.

На фиг.4 представлены результаты измерений выходного сигнала фотометра с кремниевым фотодиодом, имеющим размер квадратной светочувствительной поверхности 1,5 х 1,5 мм. Зависимость сигнала этого фотодиода (кривая 12) от угла 12 падения света близка к косинусной (кривая 15).

Используют фильтр-негатив с кривой 11 пропускания (фиг.З). Светочувствительная поверхность фотодиода установлена на расстоянии ,8 мм от фильтра. Фотометр устанавливают на расстоянии 50 см от лампы КГМ 12- 100. В качестве нагрузки 5 (фиг.2) используют микроамперметр типа Ml201 в режиме токового измерения на шунте 0,3. Кривые 16 и 17 соответствуют вы0

5

0

5

ходному сигналу при угловых отклонениях 4(150°) вдоль направления перфорации фотопленки, .а кривые 18 и 19- для W(t50°) перпендикулярно нанрав- лению перфорации фотопленки.

Показатель преломления фильтра-негатива, изготовленного на фотографических материалах различных наименований, может отличаться от ,2. Если, например, ,5, то минимальная погрешность по формуле (17) получаетг

ся при 1,01. На оптические харак- ш

теристики фильтра могут повлиять, также, особенности проявления и закрепления негатива. Поэтому ние

t - (0,9-1,5)

m

уточняется в каждом конкретном случае (для конкретного фотоматериала) посредством индивидуальной юстировки фотометра.

Формула изобретения

Фотометр, содержащий корпус со светопоглощающийи внутренними стенками, снабженный фотоприемником и вход- ным окном, в котором установлен оптический компенсатор изменения чувствиКривая 11 3,87 3,98 4,306 4,851 5,614 6,595 7,79 Кривая 12 1,415 1,4196 1,538 1,692 1,907 2,184 2,52

тельности фотоприемника от угла падения света, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения конструкции, оптический компенсатор вьтолнен в виде фотографического негатива с переменным пропусканием света , характеризуемым соотношением

t t . tl + (- r)M.

- пропускание света в центре

компенсатора; - константа; - расстояние от центра компенсатора до точки его поверхности при нулевом угле падения света.

Таблица 1

т.%

ч

165 32 loi 234 5 6 ч.пп

Фаг.З

)8

и.%

Вых 100

SO

х

во

ТО

60

Ю

70У

Фав.

Составитель Ю.Гринева Редактор С.Лисина Техред М.Ходанич Корректор С.Шекмар

Заказ 766/42 Тираж 777Подписное

ВНИЖИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул.Проектная,4

.//

/

16 19

i

I/:S

Л

/«

f

fp

60

Изобретение относится к оптическому приборостроению. С целью повыше- кия точности и упрощения конструкции фотометра оптический компенсатор изменения чувствительности фотоприемника от угла падения света выполнен в виде фотографического негатива с переменной плотностью, уменьшающейся от центра к периферии. Причем оптическая .ось негатива совмещена-с оптической осью фотоприемника, а фотоприемник установлен от плоскости оптического компенсатора на расстоянии f, удов- летворяющем условию (0,9-1,5), где R - расстояние от точечного источника света до полупрозрачного экрана; ш - масштаб фотографирования. Для изготовления оптического компенсатора для фотометра точечным источником света освещают полупрозрачный экран и фотографируют полученное распределение освещенности с другой стороны экрана. 4 ил., 2 табл. SS ю со Oi 00