Способ определения спектральных направленно-полусферических коэффициентов отражения образцов Советский патент 1992 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к области исследований фотометрических характеристик материалов, а более конкретно - к технике измерений спектральных направленно-полусферических коэффициентов отражения образцов материалов.

Известен способ определения спектральных направленно-полусферических коэффициентов отражения, при котором освещают последовательно образец и эталон по нормали к поверхности и измеряют интенсивность света, отраженного в обратном направлении, измеряют индикатрису обратного отражения образца, освещают эталон и образец при заданном угле падения и измеряют интенсивность света, отраженного в зеркальном направлении, а также угол поворота образца, при котором интенсивность отраженного света уменьшается в 2 раза по сравнению с зеркальным направ- ,-лением. и по результатам проведенных измерений рассчитывают направленно-полусферический коэффициент отражения.

Наиболее близким к изобретению является способ, при котором освещают измеря- емый и эталонный образцы,

последовательно помещаемые в фокус вогнутого параболического зеркала, монохроматическим светом со стороны параболического зеркала, причем измеряемый образец освещают под углом ро, а эталонный - под углом , при котором он аттестован, осуществляют прием отраженного образцами излучения и измерение соответствующих напряжений Uo и Уэ на выходе приемника излучения, помещаемого в фокус дополнительного параболического зеркала, соосного с первым и обращенного к нему вогнутой поверхностью, а направленно-полусферический козффициент отражения измеряемого образца находят из соотношения:

. р(2гг)/Ээ(й,2л)-.

где рэ (рэ . 2 я) - паспортное значение коэффициента отражения эталонного образца.

Однако, если приемлик излучения имеет неравномерную угловую чувствительность, то коэффициент отражения измеряемого образца определяема достаточно точно лишь в Юм случае когда про(Л

XI

х| О ро

сл о

странственные индикатрисы отражения измеряемого и эталонного образцов примерно одинаковы. В противном случае, коэффициент отражения измеряемого образца определяется с погрешностью, величина которой зависит от характера угловой чувствительности приемника и вида индикатрисы отражения измеряемого и эталонного образцов. Кроме того, дополнительные ошибки могут возникать вследствие экранировки отраженного образцами излучения конструктивными элементами, например, самими образцами, оправами зеркал и др,

Целью изобретения является повышение точности определения спектрального направленно-полусферического коэффициента отражения измеряемого образца за счет уменьшения погрешности, связанной с неравномерностью угловой чувствительности приемника излучения. Повышение точности, достигаемое при использовании изобретения, подтверждено расчетами. Дополнительным преимуществом изобретения является возможность повышения точности путем учета экранировки конструктивными элементами отраженного образцами излучения, а также возможность измерения относительных пространственных индикатрис отражения образцов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, при котором освещают измеряемый и эталонный образцы, последовательно помещаемые в фокус вогнутого параболического зеркала, монохроматическим светом со стороны параболического зеркала, причем измеряемый образец освещают под углом р0, а эталонный - под углом (fa, при котором он аттестован, осуществляют прием отраженного образцами излучения и измеряют соответствующие напряжения на выходе приемника излучения, сканируют последовательно для каждого из образцов сечение пучка лучей, формируемого параболическим зеркалом, измеряют текущие координаты сканируемых точек сечения, прием излучения, отраженного образцами, и измерение напряжений производят для каждой сканируемой точки сечения, а спектральный направленно-полусферический коэффициент отражения измеряемого образца определяют по формуле:

р(р0)2л)рэ(рэ, 2л)х

, Uo(y.z) .. 4 S(V) dS

f HaCv.fl dS

sJ3 S(y) dS

где РЭ (рэ, 2 л ) - паспортное значение коэффициента отражения эталонного образца;

у, z - текущие координаты сканируемых

точек сечения пучка относительно оптической оси пучка;

Uo(y,z); Ua(y,z) - зависимости выходных напряжений приемника излучения от координат у, z при освещении соответственно

измеряемого и эталонного образцов;

S(}3 - зависимость чувствительности приемника излучения от угла падения света у на приемник;

Sol 5э - площади поперечного сечения

пучков, формируемых параболическим зеркалом при освещении соответственно измеряемого и эталонного образцов.

Сканирование сечения пучка лучей, формируемого параболическим зеркалом,

может осуществляться двумя способами. По первому способу сканирование производят перемещением приемника излучения, а по второму - перемещением непрозрачного поглощающего экрана с отверстием, при

этом прием излучения, отраженного образцами, осуществляют приемником излучения, помещаемым в фокус дополнительного параболического зеркала, соосного с первым и обращенного к нему вогнутой поверхностью.

На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего способ определения коэффициентов отражения, при котором сканирование осуществляют перемещением

приемника излучения; на фиг,2 - схема устройства, в котором сканирование осуществ- ляют перемещением непрозрачного поглощающего экрана с отверстием; на фиг.З - графические зависимости погрешности определения коэффициента отражения от угла освещения образца для указанных способов, а также для способа-прототипа.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Устройство содержит светонепроницаемую камеру 1, параболическое зеркало 2, измеряемый (эталонный) образец 3, установленный в фокусе зеркала 2, плоское зеркало 4, расположенное под

углом 45° к оптической оси зеркала 2, приемник излучения 5, осветитель 6, состоящий из источника света 7 с диафрагмой 8, обтюратора 9 и приемника излучения 10 опорного канала. Световой диаметр Do зеркала 2

выбран из условия Do 4f , где f - фокусное расстояние зеркала 2. Плоское зеркало 4 имеет возможность линейного перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркала 2. что позволяет

изменять угол падения света на образец 3. Приемник излучения 5 с помощью устройства сканирования имеет возможность перемещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси зеркала 2. Спектральный на- правленно-полусферический коэффициент отражения определяют следующим образом. Измеряемый и эталонный образцы последовательно помещают в фокус зеркала 2, а плоское зеркало 4 устанавливают в поло- жение, обеспечивающее освещение образцов под требуемыми углами. Источник света 7 формирует параллельный пучок лучей монохроматического света. Промодулирован- ный обтюратором пучок источника последовательно отражается от зеркала 4, зеркала 2 и падает на образец, а также после отражения от обтюратора поступает на приемник 10 опорного канала. Излучение, отраженное образцом, собирается зерка- лом 2, которое формирует параллельный пучок лучей. Перемещением приемника 5 сканируют сечение сформированного пучка, при этом текущие выходные напряжения приемника 5 и приемника 10 подаются на вход вычислительного устройства, которое вычисляет текущие координаты у, z приемника 5 относительно оптической оси зеркала 2, а также осуществляет нормировку значений выходных напряжений приемника 5 относительно значений выходных напряжений приемника 10. После выполнения указанных операций для измеряемого и эталонного образцов вычислительное устройство определяет коэффициент отражения измеряемого образца по приведенному выше соотношению, в котором Uo(y,z). U3(y,z)- зависимости нормированных значений выходных напряжений приемника 5 от координат у, z при освещении соответственно измеряемого и эталонного образцов. При сканировании чувствительная площадка приемника 5 находится под одним и тем же углом к падающему излучению, поэтому величина S(y) является постоянной и после вынесения за знак интеграла в числителе и знаменателе выражения может быть сокращена.

Устройство на фиг.2 содержит те же элементы, что и устройство на фиг.1, а также дополнительное параболическое зеркало 11, соосное с зеркалом 2 и обращенное к нему вогнутой поверхностью, и непрозрачный поглощающий экран 12 с отверстием 13. Экран 12 с помощью устройства скани- рования имеет возможность перемещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси зеркал 2 и 11. Приемник 5 установлен в фокусе дополнительного зеркала 11. Коэффициент отражения определяют следующим образом. Измеряемый и эталонный образцы освещаются так же. как и в предыдущем устройстве. Излучение, отраженное образцом, собирается зеркалом 2, которое формирует параллельный пучок лучей Часть сформированного пучка проходит через отверстие 13 экрана 12 и, отражаясь от зеркала 11, падает на приемник 5 под углом у, равным

у arctg

4 f у/у 2 4Г 2-у2- 2

где у, z - координаты отверстия 13 относи- тельнсмэптической оси зеркал 2 и 11;

f - фокусное расстояние зеркала 11.

Перемещением экрана 12 сканируют отверстием 13 сечение сформированного пучка, при этом текущие выходные напряжения приемников 5 и 10 подаются на вход вычислительного устройства, которое вычисляет текущие координаты у, z отверстия 13, текущие значения угла падения у, определяет соответствующие значения чувствительности S(x) приемника 5, а также осуществляет нормировку значений выходных напряжений приемника 5 относительно значений выходных напряжений приемника 10. После выполнения указанных операций для измеряемого и эталонного образцов вычислительное устройство определяет коэффициент отражения измеряемого образца по приведенному выше соотношению.

Нормировка значений выходных напряжений приемника 5 в описанных устройствах производится с целью исключения влияния на результаты измерений дрейфа мощности источника света 7 При высокой стабильности источника сгзета опорный канал в устройствах может отсутствовать, а вычислительные операции могут осуа(еств- ляться непосредственно с выходными напряжениями приемника 5

В качестве примера на фиг 3 приведены расчетные зависимости относительной погрешности определения коэффициента отражения образца от угля освещения образца р0, подтверждающие эффективность изобретения, где кривая 1 соответствует погрешности определения коэффициента отражения с помощью описанных устройств, а кривая 2 - устройств, реализующих способ-прототип Расчеты проведены для измеряемого образцт с полушириной индикатрисы силы света го уровню 0,5. равной 20°, для диффузно отражающего эталонного образца и приемника излучения с косинусоидальной зависимостью угловой чувствительности. Значения светового диаметра и фокусного

расстояния параболических зеркал в расчетах принимались равными соответственно 240 мм и 60 мм, а диаметр образцов - 20 мм.

Формула изобретения

1. Способ определения спектральных направленно-полусферических коэффициентов отражения образцов, при котором освещают измеряемый и эталонный образцы, последовательно помещаемые в фокус вогнутого параболического зеркала, монохроматическим светом со стороны параболического зеркала, причем мзмеряе- ый образец освещают под углом ро, а эталонный - под углом рэ, при котором Он аттестован, осуществляют прием отраженного образцами излучения и измеряют соот- ветствующ ие напряжения на выходе приемника излучения, о т л и ч а кпд и и с я тем, что, с целью повышения .ости за счет уменьшения погрешности, связанной с неравномерностью угловой чувствительности приемника излучения, сканируют последовательно для каждого из о бразцов сечение пучка лучей, формируемого параболическим зеркалом, измеряют текущие координаты сканируемых точек сечения, прием излучения, отраженного образцами, и измерение напряжений производят для каждой сканируемой точки сечения, а спектральный направленно-полусферический коэффициент отражения измеряемого образца определяют по формуле

р(ро,2 я) -рэ ((рэ , 2 п) X

7

и

Uo(y.z)

sCxr

dS

5s3 Ь(У)

где рэ (рэ , 2 тг) - паспортное значение коэффициента отражения эталонного образца;

у, г - текущие координаты сканируемых 10 точек сечения пучка относительно оптической оси пучка;

Uo(y,z), U3(y.z) - зависимости выходных напряжений приемника излучения от координат у, z при освещении соответственно 15 измеряемого и эталонного образцов;

S(y) - зависимость чувствительности приемника излучения от угла падения света у на приемник;

So, 5э - площади поперечного сечения 20 пучков, формируемых параболическим зеркалом при освещении соответственно измеряемого и эталонного образцов.

2.Способ по п.1, о т,л и ч а ю щ и и с я тем, что скаяирование сечения пучка лучей

25 производят перемещением приемника излучения.

3.Способ по п.1,отличающийся тем, что сканирование сечения пучка лучей производят перемещением непрозрачного

30 поглощающего экрана с отверстием, а прием излучения, отраженного образцами, осу- ществляют приемником излучения, помещаемым в фокус дополнительного параболического зеркала, соосного с первым 35 и обращенного к нему вогнутой поверхностью.

Использование: исследование фотометрических характеристик образцов. Сущность изобретения: осуществляют сканирование сечения пучка лучей приемником излучения или непрозрачным экраном с отверстием, измеряют текущие координаты и напряжения сканируемых точек сечения и по формуле определяют коэффициент отражения образцов, 3 ил.

Фиг.1

S.

о/

) /О

so

20

/О

7

//

Фиг. 2

/

/7