Способ и устройство для объективного фотометрирования Советский патент 1940 года по МПК G01J1/42 

Существуют такие способы объективного фотометрирования, при которых световой поток то испытуемого источника света, то эталонного, с помощью органов светораспределения, попеременно подают на фотоэлемент, включенный на вход лампового усилителя переменного тока. При отсутствии фотометрического равновесия на фотоэлемент попадает переменный световой поток; при его наличии переменная составляющая светового потока отсутствует.

Орган светораспределения снабжается коммутатором, который предназначен для механического выпрямления сигналов выхода усилителя и для подачи их к индикатору тока, который обнаруживает величину и направление нарушения фотометрического равновесия -либо отмечает положение названного равновесия.

Конструктивное выполнение известного уже устройства для осуществления упомянутого способа страдает целым рядом принципиальных недостатков. Светораспределение осуществляется с помощью стеклянного диска так, что световой поток одного из сравниваемых источников пронизывает стеклянную толщу диска, а световой поток другого источника отражается от него. Имеет место неравенство оптических условий прохождения света (световые потери не одинаковы в различных участках спектра).

В расчетную формулу фотометрического равновесия в данном случае входит расстояние между диском и фотоэлементом, которое измеряется с большим трудом. Установка занимает много места, так как сравниваемые источники света располагаются и перемещаются по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Технология изготовления устройства вообще сложна.

Предметом настоящего изобретения является такой способ объективного фотометрирования,при котором достигается полная тождественность условий прохождения световых потоков сравниваемых источников к фотоэлементу и совершенная, независимость от того, в каком участке спектра производится фотометрирование. Устройство для осуществления этого способа получает удобную для эксплоатации форму выполнения (измерения ставятся на нормальной фотометрической скамье), а технология

изготовления органа светораспределения значительно упрощается.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что световыми потоками сравниваемых источников облучают вращающееся диффузно отражающее тело, имеющее две различно отражающие половины своей поверхности, перемещением какового тела относительно источников достигают эффекта компенсации переменной составляющей светового потока, возникающей вследствие контраста при облучении упомянутых половин вращающегося тела.

Предлагается далее в качестве вращающегося тела применить щар, одна половина которого выполнена поглощающей световую энергию, а другая - диффузно отражающей. Пограничная линия раздела черной и белой половин щара лежит в одной плоскости с осью вращения его, а ось вращения перпендикулярна к линии расположения сравниваемых источников света.

Смысл такого выполнения устройства для осуществления предложен; ного способа заключается в следующем.

Шаровая форма вращающегося диффузно отражающего тела обеспечивает несложность юстировки прибора, так как при небольщих отклонениях от перпендикулярности (3-4°) линии расположения сравниваемых источников и оси вращения головки, больщая часть оптически работающих поверхностей шара сохраняет (интегрально) условия отражения света системой; точки же сферы близ полюса щара играют малую роль, ибо здесь лучи либо скользят либо падают на отражающие поверхности под малыми углами и, следовательно, мало отражаясь в направлении к фотоэлементу (закон косинусов), имеют ничтожную долю в общем балансе отраженной системой световой энергии.

К числу недостатков принципиального характера объективных фотометров с применением коммутатора, укрепленного на общей оси с органом светораспределения и предназначенного как для выпрямления сигналов выхода фотоусилителя, так и для последующей коммутации результатов выпрямления их через индикатор тока, необходимо отнести следующее.

Самое наличие механической коммутации приносит неудобства эксплоатадионного характера, так как трущиеся части изнащиваются, чтонеизбежно со временем приводит к несоверщенству контактов в электрических измерительных целях со всеми вытекающими последствиями.

Индикатор тока - гальванометр является инерционным прибором и, хотя последнее обстоятельство само по себе было бы несущественнымдля выполняемого измерения, однако,, оно замедляет его. Если же гальванометр замонтирован в самом приборе то перемещения такового при фотометрировании приводят к дополнительным качаниям стрелки индикатора. При массовых же измеренияхзатраты времени на фотометрирование являются немаловажным критерием для оценки достоинств измерительного прибора.

Может показаться на первый взгляд,. что необходимость освещения щкалы индикатора является второстепенным моментом; однако, если опять представить себе технику и практику массовых измерений, то несмотря на значительные преимущества наблюдения за стрелкой прибора при фотометрировании, вместоустановления фотометрического равновесия путем зрительного наблюдения полей сравнения обычных визуальных фотометров (например Люммера), все же указанный способ отсчетов еще. будет требовать значительного напряжения внимание экспериментатора и вызовет известное утомление его зрения.

Дальнейщее усоверщенствование прибора заключается в устранении перечисленных недостатков путем, замены индикатора и удаления коммутатора. Коммутатор устраняется,, как технически несоверщенная деталь, в связи с полной ликвидацией самой необходимости механического выпрямления сигналов выхода фотоусилителя.

Сущность сказанного заключается в том, что при уже ранее описанной методике фотометрирования достижение фотометрического равновесия сопровождается исчезновением переменной составляющей светового потока и соответственно исчезновением переменного напряжения на выходе фотоусилителя. Поэтому соверщенно нет необходимости в обязательном применении гальванометра после выпрямления сигналов выхода для обнаружения этого переменного напряжения.

Современная ламповая техника дает такой элемент для обнаружения наличия и отсутствия переменного напряжения в виде электронного указателя настройки приемников, применяемого также в ламповых вольтметрах в качестве индикатора.

В случае же применения этого электронного индикатора в описываемом приборе, обнаруживается его исключительная пригодность как по целевому назначению, так и по тому существенно новому техническому эффекту, который он приносит.

Габариты прибора резко уменьшаются, его промышленное изготовление решительным образом упрощается и удешевляется как за счет сокращения трудоемкости производственных работ, так и за счет удешевления входящей- в его состав материальной части. Удобства же наблюдения в затемненном помещении за изменениями теневого сектора флуоресцирующего экрана безъинерционного индикатора едва ли нуждаются в рекомендации.

На фиг. 1 прилагаемого чертежа схематически изображено устройство объективного фотометра с применением электронного указателя в одной из возможных и простейщих форм выполнения его, на фиг. 2 - возможная конструкция оптической части.

На валу электрического двигателя М насажен шар Q, одна половина которого выполнена поглощающей световую энергию, а другая диффузно отражающей ее. Эталонный источник 5э и испытуемый Sx расположены по обе стороны вращающегося щара на линии, перпендикулярной к оси вращения шара и проходящей через его геометрический центр. Диффузно отраженные белой половиной шара световые потоки сравниваемых источников падают на входное окно линзы Z, которая проектирует действительное изображение шара на светочувствительную поверхность катода фотоэлемента Р, включенного на вход усилителя и. Выход усилителя присоединен к цепи управляющей сетки электронного индикатора /. Цепь управляющей сетки последнего может быть включена как по схеме анодного, так и по схеме сеточного детектирования, в зависимости от того, желают ли производить обнаружение положения фотометрического равновесия по сужению зрачка „магического глаза или осуществлять фотометрирование возле положения максимального расширения темной части флуоресцирующего экрана электронного указателя.

Выполненный по описанной схеме с применением ламп металлической серии объективный фотометр должен отличаться большой устойчивостью в работе и компактностью. Габариты электрической части его в основном определяются величинами примененного электродвигателя и блока питания. Вследствие же того, что схема не содержит каскада мощного оконечного усиления и усиление в ней ведется по напряжению для работы выхода на электронный прибор, фотометр чрезвычайно экономичен по расходам мощности питания и его силовой трансформатор вместе с фильтром выпрямителя сравнительно невелики. Равным образом маломощен и малогабаритен и двигатель, так как его единственной задачей является вращение с достаточной скоростью шаровой головки, могущей иметь весьма ничтожную массу.

В тех случаях, когда почему-либо не хотят иметь дела с потерями световой энергии в стеклянной оптике прибора, последняя может быть заменена зеркальной, осуществление которой не выходит за пределы

обычного конструирования, но повидимому содержит в себе положительные предпосылки для выполнения прибора, специально предназначенного для сравнения источников чрезвычайно малых сил света.

Примером выполнения оптической части прибора с применением зеркал может служить система, схематически изображенная на фиг. 2 прилагаемого чертежа.

Вращающееся шаровое тело Q фотометра помещено от собирающего зеркала Z на расстоянии, большем его двойного фокусного расстояния. Близ места схода лучей, формирующих действительное изображение крайних точек А, В шара, установлено рассеивающее зеркало Z. Параметры оптики подбираются так, чтобы совокупное действие зеркал приводило к формированию действительного изображения а, b шара за лицевой поверхностью изогнутого зеркала Zj. Для прохождения же лучей, создающих это действительное изображение в центральной части зеркала, предусматривается окно, возле которого и устанавливается фотоэлемент Р с тем расчетом, чтобы все лучи, выходящие из упомянутого окна, попадали на фотокатод.

Подобным образом выполненная зеркальная оптика даст меньшие потери, нежели оптика стеклянная, что может оказаться немаловажным при фотометрировании маломощных источников света, особенно в невидимых участках спектра.

Наиболее эффективное использование световой энергии объектов сравнения, в связи с выбором габаритов шара и параметров оптики,

может быть определено лишь путем расчета ряда вариантов оптической системы. Целевое назначение и технические условия (чувствительность, пределы измерения, участки спектра), предъявляемые к прибору, определят габариты как его оптической, так и электронной части.

Предмет изобретения.

1. Способ объективного фотометрирования с использованием вращающейся системы, направляющей световой поток от сравниваемых источников на фотоэлемент, отличающийся тем, что световыми потоками сравниваемых источников облучают вращающееся диффузно отражающее тело, имеющее различно отражающие половины своей поверхности, перемещением какового тела относительно источников достигают компенсации переменной составляющей светового потока, возникающей за счет контраста при облучении упомянутых половин вращающегося тела.

2.Устройство для осуществления способа по п. 1, отличающееся тем, что вращающееся диффузно отражающее тело имеет форму шара, облегчающего юстировку устройства.

3.В устройстве по п. 2 применение на выходе усилителя фототоков электронного указателя настройки, с целью обнаружения эффекта компенсации переменной составляющей светового потока.

4.В устройстве по пп. 2 и 3 применение зеркальной оптики для направления на фотоэлемент отраженного поверхностью тела светового потока.

2,