Способ измерения индикатрис яркости светорассеивающих покрытий Советский патент 1991 года по МПК G01N21/47 

о ел

Изобретение касается фотометрии сред. Целью является упрощение способа измерений с Способ осуществляют проведением измерений яркости нанесенных на подложку покрытий при различных углах освещения и визирования. Новым в споссбе является нанесение покрытия на подложку, которую выполняют в виде сферы, получение изображения сферы в плоскости чувствительного элемента фотометра, поэлементное фотометрирование поля яркости полученного изображения и определение зенитного угла освещения, зенитного и азимутального углов наблюдения каждого фотометрируемого элемента по его линейным координатам на изображении сферы и устанавливаемому углу рассеяния (углу между оптическими осями осветителя и фотометра). Упрощение способа состоит в сокращении количества угловых перемещений элементов измерительной установки, реализующей способ, с необходимых трех перемещений при всех известных методах до одного. 4 ил. i (Л

Изобретение относится к фотометрии сред и может быт.ь использовано при изучении отражательных характеристик светорассеивающих конструкционных материалов.

Цель изобретения - упрощение способа измерения.

На фиг, 1 дана принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - взаимное угловое положение на сфере; на фиг. 3 - сфера в плоскости чувствительного элемента фотометра; на фигь 4 - часть результатов фотометрирования изображения сферы с покрытием типа алюминиевая пудра при значении угла рассеяния 45°.

Единичные векторы (фиг« 2) харак- геризуют направление на осветитель О, на фотометр Н и нормаль к поверх ности фотометрируемого элемента dS(N) Кривая линия Е определяет границу освещений части сферьи Кривая линия F - след сечения сферы плоскостью, содержащей векторы 15 и Н. Точка С0 определяет центр сферы.На рпределяе- мом тремя векторами О, Н, N сферическом треугольнике обозначены &0 зеЗЭЭО

нитный угол освещения (в плоскости падения, содержащей векторы О и N), 0ц,- зенитный угол наблюдения (в плоскости векторов Н и N), fn - азимутальный угол наблюдения (угол между указанными плоскостями) tf. угол рассеяния между векторами 0 и Н (фиг. 1), А - азимутальный угол между плоскостями, одержащнми векторы ЈГ и Н и векторы N и Н соответственно Точки С и D на поверхности сферы - флижайшие соответственно к фотометру и осветителю.

Точка С - центр круга изображения Сферы, R - радиус изображения сферы, след плоскости F (фиг. 2) есть Ось симметрии изображения освещенной части сферы, ось координат CVL совпадает с этой осью симметрии, средняя точка изображения фотометрируемого Элемента размером 18 йх-Ду имеет ли- ейные координаты х, у. Величины Ах и Д,у определяются линейным пространственным разрешением фотометра в плоскости его изображения (фиг. 3).

15

Устройство содержит (,фиг„ f; неподвижно установленный фотометр 1, оптическая ось которого проходит через центр сферического образца (сфе- ribi) 2. На жесткой направляющей 3, гредставляющей собой плоскую дугу, установлен осветитель 4, который перемещается по дуге 3, изменяя угол рассеяния ОС в пределах (Xtf«i 800 таким образом, что его оптическая ось ice время находится в одной и той же плоскости, которая содержит также Оптическую ось фотометра -1, и проходит через центр сферы 2. Как вспомогательные элементы, полезные при определении параметров изображения сферического образца, устройство содержит дополнительный осветитель 5, подсвечивающий сферу 2 так, что вся ее обращенная к фотометру сторона полностью освещена совместно с основным осветителем 4, а также тонкий жесткий стержень-держатель 6, ось которого проходит через центр сферы и располагается точно в той же плоскости, что и оптические оси фотометра и осветителя, и съемный тонкий стержень 7, который является продолжением стержня-держателя 6 с диаметрально противоположной стороны сферы и установлен строго соосно с ним.

16511684

Способ измерения индикатрис яркости светорассеивающих покрытий осуществляют следующим образом.

На поверхность сферы 2 равномерным слоем наносят исследуемое покрытие, устанавливают сферу вместе со стержнями 6 и 7 в измерительное уст- 1 ройство. Под заданным, углом рассе- 10 яния о к оси фотометра устанавливают на направляющей 3 осветитель 4„ В качестве фотометра используют, например, сканирующую фотометрическую систему с регистрирующими и видеоконтрольным (ВКУ) устройствами. Освещают сферу 2 осветителями 4 и 5„ Наводят оптическую ось фотометра, соответствующую центру его поля обзора, на центр сферы и получают изображение полностью освещенной стороны сферы в плоскости чувствительного элемента фотометра (это изображение в результате его оптико-электрических преобразований переносится на ВКУ фотометра и при необходимости регистрируется) . С помощью специальных сервисных устройств ВКУ, например, координатных реперов (или другими способами, наприме.р, последовательным перемещением платформы, на которой установлен фотометр, в горизонтальном и вертикальном направлениях) определяют координаты границ изображения сферы (во вспомогательной системе координат экрана ВКУ или плат- 35 формы): верхней границы YB, нижней

По этим

20

25

30

40

45

YM, левой Х и правой Хг значениям в тех же координатах находят положение центра круга изображения

Хс(Хп+ХА)/2;

50

55

и определяют радиус круга изображения

R(Xn-XA)/2(Ye-YH)/2

(масштабы изображения по осям X, Y ВКУ должны быть уравнены)„ Разворачивая при необходимости фотометр во-. круг оси, совпадающей с его оптической осью, добиваются того, чтобы изображения стержней 6 и 7, определяющих ось симметрии изображения освещенной части сферы, располагались строго вдоль одной из координатных осей, например, оси Y В установленном положении на изображение сферы накладывают новую систему координат

На поверхность сферы 2 равномерным слоем наносят исследуемое покрытие, устанавливают сферу вместе со стержнями 6 и 7 в измерительное уст- ройство. Под заданным, углом рассе- яния о к оси фотометра устанавливают на направляющей 3 осветитель 4„ В качестве фотометра используют, например, сканирующую фотометрическую систему с регистрирующими и видеоконтрольным (ВКУ) устройствами. Освещают сферу 2 осветителями 4 и 5„ Наводят оптическую ось фотометра, соответствующую центру его поля обзора, на центр сферы и получают изображение полностью освещенной стороны сферы в плоскости чувствительного элемента фотометра (это изображение в результате его оптико-электрических преобразований переносится на ВКУ фотометра и при необходимости регистрируется) . С помощью специальных сервисных устройств ВКУ, например, координатных реперов (или другими способами, наприме.р, последовательным перемещением платформы, на которой установлен фотометр, в горизонтальном и вертикальном направлениях) определяют координаты границ изображения сферы (во вспомогательной системе координат экрана ВКУ или плат- формы): верхней границы YB, нижней

По этим

YM, левой Х и правой Хг значениям в тех же координатах находят положение центра круга изображения

40

Хс(Хп+ХА)/2;

и определяют радиус круга изображения

R(Xn-XA)/2(Ye-YH)/2

(масштабы изображения по осям X, Y ВКУ должны быть уравнены)„ Разворачивая при необходимости фотометр во-. круг оси, совпадающей с его оптической осью, добиваются того, чтобы изображения стержней 6 и 7, определяющих ось симметрии изображения освещенной части сферы, располагались строго вдоль одной из координатных осей, например, оси Y В установленном положении на изображение сферы накладывают новую систему координат

хСу с центром ее в точке XG, Yc и осью у, направленной вдоль оси Y. После этого выключают дополнительный осветитель 5, убирают стержень 7 и производят пЬэлементное измерение яркости покрытия на изображении освещенной осветителем 4 части сферы. При этом яркость каждого выделяемого элементарным полем зрения фотометра элемента dS, характеризуемого координатами (х,у) в наложенной указанным образом на изображение системе координат хСу, преобразуется в пропорциональный ей электрический сигнал. Измеренные таким образом яркости каждого из элементов dS(x,y) привязываются к угловым координатам 00;0ц;Ц „, которые; согласно обозначениям, приведенным на фиг0 2 и 3 выражаются через линейные координаты х, у, радиус изображения R и угол рассеяния следующим образом:

sml

(1)

cos 9n cos cosOu+sint sin0,.cos A;

cos x2 +y2 (cosoi-cosQMcos00)/

/(sin0Hsin00) .

Освещенная часть сферы (освещенная полусфера) содержит участки, все множество углов освещения которых 00 находится в диапазоне от О до 90 Фотометром часть этих участков-визируется под различными зенитными и азимутальными углами, значения которых определяются как величиной угла рассеяния оЈ, так и местоположением этих участков на сфере (местоположением их изображений на изображении сферы). Таким образом, фотометриро- вание изображения сферы при каждом из устанавливаемых углов рассеяния Об дает множество.результатов, соответствующих определенным областям углов Q , Он и , Фотометрирование в пределах 0 # 180 расширяет это множество и включает в него все возможные углы освещения (0-Ј90490 ) и наблюдения (0. 0„ : 90°, -180ЧСриЈ 180°). Получаемые массивы данных L (Q0 ;0Н ; Cft. ) заносятся, например, в память ЭВМ и обрабатываются на предмет получения функциональных зависимостей (индикатрис) яркости от углов освещения и наблюдения

«Р

,

15

20

25

35

40

Поскольку при фотомётрировании при нескольких углах рассеяния множества угловых координат исследуемых участков покрытия (90 ; @и,(ри) частично перекрываются, конечное множество результатов L (0Q; 0„,Сри) может оказаться избыточным, благодаря чему может быть оценена случайная составляю- JQ щая погрешности измерений и, тем са- , мым, повышена достоверность их результатов г

Пример. Фотометрирование при каждом из устанавливаемых углов Qi проводят по результатам двух измерений: регистрируют изображение шара с подсветкой осветителем и без подсветки. Оба массива данных с учетом градуировочных параметров аппаратуры обрабатывают на ЭВМ и проводят их поэлементное вычитание. Тем самым исключается влияние на отражательные характеристики собственного (теплового) излучения шара и отраженного от него излучения окружающего про- .странства,,

На фиг. 4 показан пример фотомет- рирования одного из полученных изображений сферы ). Показаны распределения яркости (в относительных единицах) по сечениям изображения сферы, соответствующим постоянным значениям координаты х (фиг. 3)„ Цифрами у кривых обозначены величины x/R, которым они соответствуют (для наглядности и во избежание излишней громоздкости приведена лишь далеко не полная выборка данных при х&О), Аналогичные результаты получены при других углах рассеяния: до с шагом 15°. Обработка по выражениям (1)-(4) полученных массивов данных, аналогичных показанному на фиг. 4, и переорганизация этих массивов, выполненные на ЭВМ, позволяют определить индикатрисы L (9„; 9ц ,($ц ) для исследованного покрытия (надежные: результаты получены для диапазонов .углов 0, бн Ј 83°)о Приведенный% пример показывает высокую эффективность способа измерений, особенно при использовании сканирующих фотометров в комплекте с управляйте-вычислительными системами на базе ЭВМ. Таким образом, преимущества предлагаемого способа измерений следующие: отсутствие необходимости изменять угловые положения образца; измерительное устройство, реализующее

30

45

50

55

способ, вместо движения его элементов по трем углам содержит только одно движение: изменяется угол между оптическими осями осветителя и фотометра (необходимому развороту плоского образца по двум степеням свободы в пространстве соответствует различная, равномерная в пространстве ориентация множества элементов поверхности сферы, выделяемых элементарными полями зрения фотометра, полное поле обзора которого должно заключать всю сферу).

Трехкратное по отношению к инвест- нЫм способам сокращение необходимых операций изменения угловых положений узлов измерительного устройства способствует упрощению способа измерений Формула изобретения

Способ измерения индикатрис яр- кчэсти светорассеивающих покрытий, Заключающийся в нанесении исследуе- Мого покрытия на подложку, освещении бго равномерным пучком излучения, измерении яркости покрытия с различных направлений при дискретно изменяемых углах между оптическими осями осветителя и фотометра, определе-

Фиг

5 0

5 0

нии угловых координат осветителя и фотометра в системе координат, связанный с нормалью к поверхности образца и плоскостью падения излучения, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, исследуемое покрытие наносят на поверхность подложки, выполненную в виде сферы, получают изображение сферы в плоскости чувствительного элемента фотометра . определяют центр круга изображения сферы и радиус круга, находят ось симметрии изображения освещенной части сферы, накладывают на изображение прямоугольную систему координат, начало которой совпадает с центром круга изображения сферы, а одна из осей совпадает с осью симметрии изображения освещенной части сферы, измеряют яркости элементов покрытия на изображении освещенной части сферы, а определение угловых координат осветителя и фотометра для каждого измеряемого элемента покрытия подложки осуществляют по двум линейным координатам его изображения в наложенной на изображение сферы системе координат и значению угла между оптическими осями осветителя и фотометра„

Фиг Z

Фиг. 3

05 П