Фотометрический датчик

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при определении основных оптических характеристик светотехнической продукции. Чувствительный элемент датчика выполнен с возможностью изменения площади приемной части фотоприемника из условия изменения расстояния фотометрирования и дискрета угла поворота измерительного прибора, но не более площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения. Подобное исполнение позволяет измерять силу света с физическим разрешением без усреднения.

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при определении основных оптических характеристик светотехнической продукции, излучающей во всем оптическом диапазоне (200÷100 нм).

В распоряжении современного метролога имеются несколько основных методов с соответствующими средствами измерений. Для начала следует напомнить, что основной и самой важной фотометрической единицей оптических характеристик излучателей является сила света, имеющая (размерность кандела [кд]). Сила света lv не зависит от расстояния до источника, ее создающего и является векторной величиной, связанной с направлением излучения:

где - световой поток, [лм]; - телесный угол, [ср].

Интегрирование по функции поверхности, образованной векторами с длиной, пропорциональной значению силы света является одним из самых точных методов нахождения светового потока. Интегральный световой поток - это сумма всех элементарных световых потоков, заключенных в объеме фотометрического тела. Сечения фотометрического тела определенными плоскостями с осью в световом центре осветительного прибора образуют диаграммы углового распределения силы света в этих плоскостях, которые часто и помещают в спецификациях или технических условиях как оценочную характеристику пространственного распределения силы света. Пространственное распределение силы света прибора позволяет также рассчитывать другие единицы (угловые характеристики излучения, светового потока, пространственного распределения светового потока и др.) в фотометрии.

Стоит добавить, что угловые характеристики излучения являются основой для расчетов коэффициентов формы и класса светораспределения осветительных приборов [см. ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»], а также оценки работы и разработки параметров оптических систем по данным расчетов пространственного распределения светового потока. Так, например, при расчете линз обязательно учитывается пространственное распределение силы света источника (как и его геометрические размеры), излучение которого подлежит концентрировать или перераспределять в разрабатываемой оптической системе. В данном слдучае часто бывает важно значение плоского угла излучения, который отражает то или иное значение светового потока, заключенного в определяемых им границах пространственной диаграммы.

Как следует из вышесказанного, основные фотометрические единицы - сила света и световой поток - имеют общие корни, соответственно, могут быть получены различными метрологическими приемами (как косвенными, так и прямыми измерениями). Различные методы измерений, применяются для различных типов источников света, при этом точность измерений единиц и возможность получения сопутствующих характеристик должна определятся точностью (ошибкой) их измерений. Одним из самых распространенных и традиционных является метод измерения светового потока с помощью сферического интегратора или фотометрического шара. Самый распространенный вариант измерения выполняется по схеме, подробно описанной в ГОСТ Р 54350-2011. «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»; ГОСТ 17616-82. «Лампы электрические. Методы измерения электрических и световых параметров». Другим, не менее распространенным методом измерений фотометрических характеристик, является гониофотометрический метод. Он считается самым точным, первичным по отношению к другим с точки зрения минимальных погрешностей, универсальным, потенциально самым информативным и легко сочетаемым с возможностью одновременного измерения других характеристик. Идеология этого метода состоит в том, что пространственное распределение силы света (фотометрическое тело), а также все производные фотометрические единицы, описанные выше, получаются путем измерения значения силы света при каждом определенном угле поворота источника света (осветительного прибора) относительно регистратора фототока, находящегося с ним на одной оптической оси. Таким образом выстраивается диаграмма углового распределения силы света в одной плоскости (как правило, горизонтальной). Затем, при изменении положения второго, вертикального угла положения источника, световой центр которого находится в геометрическом центре вращения относительно фотометра, измеряется диаграмма углового распределения силы света в другой плоскости, и так далее, до получения полного набора плоскостей всего фотометрического тела. По такой схеме работает гониофотометр так называемой системы фотометрирования С. Существуют и используются и другие системы, где поворот в горизонтальной плоскости излучения комбинируется с изменением меридиональной координаты источника относительно фотометра. Таким образом, точность метода будет зависеть от нескольких основных условий:

- шага угла поворота;

- корректно выбранного и точно измеренного расстояния фотометрирования;

- соответствия этих условий площади окна фотометра;

- правильного выбора диапазона значений освещенности фотометра, лежащих в линейной зоне рабочей характеристики;

- уровня соответствия спектральной чувствительности фотометра функции видности спектральной чувствительности глаза V().

Шаг угла поворота определяется стандартом [ГОСТ Р 54350-2011]. Однако, измеренные с таким шагом диаграммы пространственного распределения силы света оказываются слишком усредненными по соседним точкам и не могут служить качественным материалом для расчетов потока и формирования корректных данных для проектирования. Например, при шаге угла поворота не более 0,02° реальное физическое измерение силы света (силы излучения) обеспечивается при соответствующем расстоянии фотометрирования измерения около 20 м. Кроме того, для корректного измерения силы света необходимо соблюдение закона «обратных квадратов», когда значение элементарной энергии (освещенности), которую фиксирует фотометр с площадью Sф0, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния L от источника. В этом случае освещенность площадки фотометра Е [лк] вырождается в единицу, не зависящую от расстояния, т.е. сила света lv [кд]:

;

где i - фототок фотометра; L - расстояние до фотометра; K - коэффициент преобразования фотометра, зависящий от спектра источника излучения и степени соответствия функции видности глаза V() характеристики спектральной чувствительности фотометра. При этом простой расчет геометрических размеров фотометрических трасс (длиной до 30 м) и соответствующих характеристик фотометров показывает, что заявленное физическое разрешение измерения силы света с шагом угла поворота менее 0,5° не может быть обеспечено рекомендованными Международной Комиссией по Освещению (МКО) размерами чувствительной части окна фотометрической головки (Рекомендации CIE 127-2007 диктуют применение фотодатчиков с площадью 100 мм ² или диаметром 11,3 мм и стандартными значениями расстояния фотометрирования: А - 100 и В - 316 мм).

Таким образом, задача настоящей полезной модели сводится к дальнейшему повышению точности измерения, при этом результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в возможности измерения силы света с физическим разрешением без усреднения, в том числе, при использовании в ближнем УФ диапазоне, видимом диапазоне, ближнем ИК диапазоне длин волн.

Возможность достижения поставленного результата в заявленном фотометрическом датчике (фотометре), в частности, служащем для измерений силы света (силы излучения) и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом и содержащем чувствительный элемент, корригирующий фильтр, корпус и насадку - бленду для защиты от отраженного излучения обусловлена тем, что чувствительный элемент выполнен с возможностью изменения площади приемной части фотоприемника из условия изменения расстояния фотометрирования и дискрета угла поворота измерительного прибора, но не более площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения; например, площадь чувствительного элемента меньше площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения в 1,2±20% раза; кроме того, предусмотрена возможность связи средства изменения площади чувствительного элемента со средством измерения расстояния фотометрирования, что способствует автоматическому выбору площади чувствительного элемента в зависимости от такого расстояния.

Возможность достижения поставленного результата посредством заявленного датчика рассмотрим с учетом схемы измерения силы света с помощью гониофотометра (рис.1). На схеме отмечены элементарные световые потоки dф, формирующие пропорциональную освещенность на площадке фотометра. Они заключены в телесный угол, образованный плоским основанием, равным диаметру площадки фотометра, и при повороте (угловом перемещении) источника света перемещаются в соответствии с минимальным шагом угла поворота. На рис.1а можно заметить, что при одном и том же угле отклонения источника от оси измерения (повороте), фотометр 1 и фотометр 2 оказываются в разных условиях фотометрирования (условиях освещенности потоками dф0, dф1, dф2). Так, фотометр 2, находящийся на гораздо большем расстоянии L2, с каждым шагом поворота освещается разным световым потоком dф, не пересекающимся с предыдущим, не имеющим с ним разрыва и являющимся его продолжением. В то же время отсутствуют участки диаграммы, не охваченные фотометром, а следовательно, с незафиксированной силой света, как на рисунке 16, где шаг угла поворота «а» слишком велик, и фотометр 2 фиксирует только один из нескольких условных потоков dф. Подобное отсутствие особенно нежелательно при условии, что значения dф0, dф1, dф2, dф3 и т.д. не равны (а это бывает в 100% случаев - как теоретически, так и на практике), т.е. значения силы света в этих точках различны. Однако фотометр 1 при том же угле поворота практически несколько раз фиксирует одно и то же значение силы света, находясь одновременно в режиме, близком к пределу своего динамического диапазона из-за довольно большой разницы сигналов в максимуме и минимуме диаграммы. В этом случае он каждый раз интегрирует части соседних потоков, в следствии чего возникает большая ошибка в измерении как самого значения силы света в большинстве точек углов поворота, так и в следствии различных угловых характеристик по разным уровням lv и особенно светового потока. Таким образом, расстояние фотометрирования L2, при котором элементарные потоки dф0, dф1, dф2 (рис.1а) не пересекаются, является оптимальным для измерения пространственного распределения силы света данного источника излучения с минимальной ошибкой, в пределе определяемой только точностью фиксации угла поворота и погрешностью фотометра. Однако, на рис.1а представлен еще и Фотометр 3, площадь которого существенно (в девять раз) больше площади Фотометра 2. Находясь на большем, чем Фотометр 2 расстоянии, тем не менее, он также одновременно засвечен всеми потоками dф0, dф1, dф2, образующими на рис.1а суммарный поток Sdф. Таким образом, измеренная им сила света окажется результатом интегрирования элементарных потоков и ее значение будет одно, вместо девяти различных. На сноске к рисунку 1 наглядно показана разница в пятне засветки различающихся по площади Фотометров 2 и 3, указывающая на существенное различие в разрешении измерения силы света. Очевидно, что каким бы ни был малым минимальный угол поворота гониометра, он не сможет обеспечить физическое разрешение диаграммы по этому углу с фотометром такой площади.

Практика измерений силы света и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом, а также расчетов светового потока при отклонении от поставленных условий даже в небольшой степени, свидетельствует о возможности получения ошибки до 20% (как правило, в большую сторону), что сравнимо с точностью измерений в сферическом интеграторе. Некорректные измерения узконаправленных источников света искажают расчеты потока в разы. Следует отметить, что метод измерения характеристик источников с помощью гониометра универсален: при соблюдении условий фотометрирования им можно пользоваться для измерений параметров любых источников - протяженных и точечных, монохромных и широкополосных, с любой неравномерностью яркости выходного отверстия, с любой формой пространственного распределения силы света (КСС) и излучающих вплоть до 4ср.

1. Фотометрический датчик, содержащий чувствительный элемент, корригирующий фильтр, корпус и насадку - бленду для защиты от отраженного излучения, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен с возможностью изменения площади приемной части фотоприемника из условия изменения расстояния фотометрирования и дискрета угла поворота измерительного прибора, но не более площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что средство изменения площади чувствительного элемента связано со средством измерения расстояния фотометрирования.

3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что площадь чувствительного элемента меньше площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения в 1,2±20% раза.