Устройство для измерения фотометрических величин Советский патент 1992 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к о бласш измерительной техники и оптического приборостроения, в частности к фотометрической технике, и может быть использовано для измерения различных характеристик источников и приемников света, коэффициентов пропускания, отражения, рассеяния, поглощения тел, для измерения различных физических и химических характеристик тел оптическим методом.

Известно устройство для измерения фотометрических величин, включающее источник излучения, модулятор, приемник излучения, оптическую систему, направляющую излучение от излучателя к приемнику, измеритель сигналов, управляющий и индикаторный блоки, Указанное устройство получило широкое распространение, однако имеет ряд недостатков. В процессе измерения необходимо.чтобы характеристики элементов устройства не изменялась. Например, необходимо, чтобы во время измерения не изменялись плотность потока, спектральный состав излучения, испугкае- мого излучателем, чувствительность, темно- вой ток приемника, коэффициент усиления измерителя сигналов и т.д. Одне.ко в устройстве нет средств контроля за изменением

-ч со

4

оо оо

этих характеристик, невозможна их стабилизация с помощью обратной связи, что значительно усложняет измерения (например, необходимо проводить специальные тестирования), затрудняет автоматизацию измерений. Для измерения абсолютных значений ряда фотометрических величин (коэффициентов пропускания, отражения и т.д.) необходима градуировка устройства. При зе-гзроведении на место элементов устройства помещают эталонные (например, эталонные источники света, эталоны пропускания, отражения и т.д.). Это значительно увеличивает время измерений и вносит дополнительные погрешности, вызванные неидентичностью установки эталонов и элементов устройства.

Потоки излучения, попадающие на приемник от эталонов и элементов устройства, как правило, отличаются по величине в 2...10 раз и более, что требует значительного усложнения электрической части устройства и приводит к дополнительным погрешностям измерений. Указанные недостатки делают невозможным применение устройства в ряде случаев: высокопроизводительные и быстр опротекающие процессы, измерения в объемах, где затруднены передвижения источников эталонов и т.д.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения фотометрических величин, содержащее источник излучения, модулятор, светодели- тельный блок, разделяющий излучение в пространстве и во времени на две части, приемник излучения, оптическую систему, направляющую излучение от излучателя к приемнику, измеритель отношения сигналов, управляющий и индикаторный блоки. Устройство имеет более высокую производительность и в ряде случаев точность, чем описанное выше. Оно нашло широкое применение, однако имеет ряд недостатков, В устройстве сигналы, вызываемые излучениями, идущими по основному и референтному каналам, разнесены во времени, и, следовательно, нет возможности с помощью обратной связи устранить во время измерения флуктуации потока излучения, фона и т.д. Для их учета приходится, как правило, вводить операцию статистической обработки серии измерения, что увеличивает время измерений, а в некоторых случаях не обеспечивает требуемой точности. Для измерения абсолютных значений ряда фотометрических величин необходима градуировка устройства, связанная с перемещением его элементов. Это значительно увеличивает время измерений и вносит дополнительные погрешности,

вызванные неидентичностью установки эталонов и элементов устройства.

Потоки излучения, попадающие на приемник от эталонов и элементов устройства,

как правило, отличаются по величине в 2... 10 раз и более, что требует значительного усложнения электрической части устройства, приводите повышению ее инерционности и дополнительным погрешностям

измерения.

Указанные недостатки устройства снижают его точность, производительность, а в ряде случаев делают невозможным его применение.

Цель изобретения - повышение точности и производительности измерений фотометрических величин.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - его оптическая

схема; на фиг.З - временные диаграммы потоков излучения.

Устройство содержит источник излучения 1, расположенный за. ним модулятор 2, оптическую систему 3, приемник 4 излучеиия, измеритель 5 отношения сигналов, управляющий блок 6, индикаторный блок 7. Устройство содержит также светоделитель- иый блок 8, кроме того, последний включает модулятор 10, расположенный в блоке 8, и

дополнительный приемник излучения 11. Один из вариантов устройства содержит также дополнительные источники излучения 1, модулятор 2, приемники излучения 4,11.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 через модулятор 2 падает на полупрозрачное зеркало и делится на два потока, один из которых проходит через второе полупрозрачное зеркало и попадает на два ортогонально установленных отражающих зеркала с дополнительным модулятором и после отражения от них через четвертое полупрозрачное зеркало

поступает на приемник 4 излучения. Другой поток проходит через исследуемый образец и после отражения от четвертого полупрозрачного зеркала регистрируется приемником 4 излучения.

Излучение, прошедшее модулятор 2 и непрошедшее дополнительный модулятор 10. дает сигналы Ni (фиг.З, кривая 12). Излучение, прошедшее оба модулятора, дает сигналы ANi (фиг.З, кривая 13). Суммарный

сигнал, возникающий на каждом из прием- никой, состоит из двух частей: в первый полупериод он равен Ni, во второй Ni + ANi (фиг,5; кривая 14).

Если модулятор 2 открыт, а 10 закрыт

krTA-x(1 -То)Ф0; k2(1-TA)(1 -ТВ)Ф0;

где Ni, N2 - сигналы, попадающие на 1 и 2 приемники соответственно;

5Ni, N2 - сигналы от приемников 1 и 2, соответствующие фону и темновому тону;

ТА; Тв; Тс; TD - коэффициенты пропускания полупрозрачных пластин;

Ф0- световой поток, поступающий в светоделительный блок;

х - коэффициент пропускания образца.

Если оба модулятора открыты, то

Ni+ANi- 5Ni Ki TA-x-(1 -To) + , +0-ТА)-Твул-Тс-То Фо; (2)

N2 + Л N2 -б N2 k2 (1 -ТА)(1-ТВ)+ +(1-ТА)Тв2 -/ 2(1-Тс) «ГУ,Если

N2 + ДЫ1-( +AN2 5 N2

1NI Ки

При/Л

иуз N2-С) N2

у. (1-ТА)-1в -Тс-Тр . 1. У1 1ТА ( 1 - То Гх

м-1 От ту О-то}. (3)

71 1(1-ТА)-(1-Тв) W

v . ( МА ) (; 1 - Тв ) Тс Тп у;-1 Тд ТВ : (1 - ТС ) (1 - TD ) yi - 1

Многоканальный измеритель отношения сигналов измеряет отношения вида

- Ni +ANI-dNif.

УNT cTNiw

Искомая фотометрическая валичина X определяется из системы

гдебМ М Ф+ NiT;

М1Ф- сигнал, определяемый потоком фона, попадающего на {-приемник;

NIT - сигнал определяемый темновым током 1-го приемника

Ni-dNi k,. Ф,; 1+ 1+/,

1)

1 и 2

и 2, ну;

опуий в

зца.

(2)

2

, то

.

(3)

W

-1 - 1

где Ф| - поток неослабленного излучения, направленного на i-приемник;

Ф| дм -- поток ослабленного излучения, направленного на приемник, причем Ф,дм « 5 ф, что обеспечивается за счет выбора коэффициента Км модуляции, радного Км -х

1.2

х(10 - 10 ), где Ттах - максимальный коэффициент пропускания каналов оптической 10 системы;

k, - спектральная чувствительность 1-го приемника, i 1,2,3,4;

- коэффициент ослабления излучения, направленного на i-й приемник; Ve 15$ - коэффициент, определяемый конструкцией устройства (делителя луча, оптической системы и т.д,);

fy - коэффициент, пропорциональный искомой фотометрической величине X; 20pj - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, измерения не зависят от характеристик излучателя и приемника, если они остаются постоянными во время / изменения. Это достигается стабилизацией 25 характеристик с помощью обратной связи и- минимизацией времени измерения.

В устройстве применены пластины, у которых ТА Тс; Тв TD. (Пластины, изготовленные из одной стекпянной заготовки, 30 помещались в вакуумную установку, где на них наносилось светоделительное покрытие из ZnS и MgF2. Полученные коэффициенты пропускания пластин не отличались более, чем на 0,01%). 35 Следовательно

х- У1--/

(7)

40При нанесении покрытия коэффициент

отражения менялся от 4 до 14% и от 14 до 0,05%. Для определения погрешностей измерения процесс прерывался после нанасе- ния двух, трех и пяти слоев; они не

45 превышали значения Д R 0,05 %, время измерения не превышало т- 1 с.

Устройство было также использовано для измерения коэффициентов пропускания различных кристаллов при их нагреве и

50 охлаждении. В качестве источника излучения использовался монохроматор, от спектрофотометра СФ-46, в качестве модулятора - электромеханические абтюраторы. Для того, чтобы снять ограничение (5) в устройство

55 введены дополнительный источник излучения 1, модулятор 2, расположенные у четвертой пластины и ДРЭ дополнительных приемника излучения 4 и 11, расположенные соответственно у первой и третьей пластин. Конструктивно источник 1 и модулятор 2 выполнены в виде системы зеркал, направляющих излучение В остальном устройство аналогично предыдущему. Имеем

У1 - 1 - О-ТА)-Тв/ -Тс-Тр .

У1 1 ТА х (1 - То Г

„ 1 Hi ТА ) Т& ft ( 1 - Тс .

v/-i - (1 - ТР ) Тс / Тв ТА У - 1Ъ - х (1-TA)

72

Отсюда

1 О -То) -ft -р-Тв) -1 - (1-То)-(

Y2--f . yz -J. yi - 1 1

О)

Измерения проводились в диапазоне длин волн 0,4-0,9 мкм. Во всем диапазоне погрешность измерения составила ДтА 0,1 %, время одного измерения не превышало т 1 с Средний разброс экспериментальных точек Ж 0,05 %.

Использование изобретения позволит повысить точность и производительность измерений различных характеристик источников света, коэффициентов пропускания, отражения, поглощения, рассеяния тел, проводить их измерение в труднодоступных местах, в быстропротекающих процессах.

Формула изобретения

Устройство для измерения фотометрических величин, содержащее источник излучения и последовательно расположенные по ходу излучения модулятор, светодели0

тельный блок, оптическую систему, приемники излучения, соединенные с измерителем отношения сигналов, выход которого соединен через управляющий блок с индикаторным блоком, при этом управляющий блок соединен с модулятором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений, в устройство введен по крайней мере один дополнительный модулятор, соединенный с блоком управления, коэффициент k модуляции излучения которого равен

1

тах

(10

-1

),

где rmax - максимальный коэффициент пропускания каналов оптической системы, а светоделительный блок и оптическая система выполнены в виде единого блока, содержащего полупрозрачные зеркало, оптически связанное с источником излучения, и расположенные по ходу отражённого от него излучения второе полупрозрачное зеркало, установленное перпендикулярно плоскости первого полупрозрачного зеркала, по крайней мере два взаимно перпенди- кулярных отражающих зеркала, отражающая поверхность одного из которых параллельна первому полупрозрачному зеркалу, третье полупрозрачное зеркало, установленное перпендикулярно второму полупрозрачному зеркалу, и четвертое полупрозрачное зеркало, установленное параллельно второму полупрозрачному зеркалу в его плоскости, а дополнительные модуляторы установлены между соответствующими отражающими зеркалами, при этом приемники излучения оптически связаны с вторым и четвертым полупрозрачными зеркалами.

Использование: в измерительной технике для измерения характеристик источников и приемников света, коэффициентов пропускания, отражения, рассеяния, поглощения тел, для измерения физических и химических характеристик тел. Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения, модулятор, светоделительный блок, приемник излучения, оптическую систему, направляющую излучение от источника к приемнику, измеритель отношения сигналов, управляющий и индикаторные блоки, в котором светоделительный блок выполнен из разделителя излучения на не менее чем три части и дополнительного модулятора, помещенного на пути одной или более из этих частей. За оптической системой дополнительно установлен хотя бы один приемник излучения. Дополнительный модулятор имеет коэффициент модуляции k равный () Тщах 7. где Гтах - максимальный коэффициент пропускания каналов оптической системы. Светоделительный блок выполнен из четырех полупрозрачных пластин и двух зеркал, пластины размещены в вершинах четырехугольника, зеркала установлены у двух соседних пластин попарно-параллельно их рабочим поверхностям, а модулятор установлен между зеркалами. 3 ил. сл С

Фм,2

а

Я

/4 Г,С