Устройство для измерения фотометрических величин

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 21/59

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4839186/25 (22) 15.06.90 (46) 30.12.92. Бюл. N. 48 (71) Научно-исследовательский институт

"Полюс" (72) О.Д. Вольпян (56) Физический энциклопедический словарь. M., Сов. энциклопедия, 1983, с.705, рис.4.

Физический энциклопедический словарь, M., Сов. энциклопедия, 1983, с,705, рис.5, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (57) Использование: в измерительнойтехнике 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

Изобретение относится к области 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, пбглощения тел, для измерения различных физических и химических характеристик тел оптическим методом.

Известно устройство для измерения фотометрических величин, включающее йсточник излучения, модулятор, приемник излучения, оптическую систему, направляю„„. Ж„„1784881 А1 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. 3а оптической системой дополнительно установлен хотя бы один приемник излучения. Дополнительный модулятор имеет коэффициент модуляции k равный (10 -10 )

Например, необходимо, чтобы во время измерения не изменялись плотность потока, спектральный состав излучения, испускаемого излучателем, чувствительность, темновой ток приемника, коэффициент усиления измерителя сигналов и т.д. Однако в устройстве нет средств контроля за изменением

1784881 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 ее,.проведении на место элементов устройства помещают эталонные (например, эталоннйе источники света, эталоны пропускания, отражения и т,д.). Зто 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, отлйчаются 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 быстропротекающие 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, светоделительный 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, иду@ими по основному и референтному каналам,. разнесены во времени, и, следовательно, нет возможности с помои:,:ью 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 йзмерений и вносит дополнительные погрешности, 5

15 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, приводит.к 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

20 схема; на фиг.3 — временные диаграммы потоков излучения.

Устройство содержит источник излучения 1, расположенный за.ним модулятор 2, оптическую систему 3, приемник 4 излуче25 ния, измеритель 5 отношения сигналов, управляющий блок 6, индикаторный блок 7.

Устройство содержит также светоделительный блок 8, кроме того, последний включает модулятор 10, расположенный в блоке 8, и

30 дополнительный приемник излучения 11.

Один из вариантов устройства содержит также дополнительные источники излуче. ния 1, модулятор 2, приемники излучения

4,11.

35 Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 через модулятор 2 падает на полупрозрачное зеркало и делится на два потока, один из которых про40 ходит через второе полупрозрачное зеркало и попадает на два ортогонально установленных отражающих зеркала с дополнительным модулятором и после отражения от них через четвертое полупрозрачное зеркало

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

50 Излучение, прошедшее модулятор 2 и . непрошедшее дополнительный модулятор

10, дает сигналы Ni (фиг.3, кривая 12). Излучение, прошедшее оба модулятора, дает сигналы ANi (фиг,3, кривая 13), Суммарный

55 сигнал, возникающий на каждом из приемников, состоит иэ двух частей: в первый полупериод он равен Ni, во второй Ni + hNi (фиг.5, кривая 14).

Если модулятор 2 открыт, а 10 закрыт

1784881

N1 — дй1 = k1 ТА х(1 — Тп) Ф, (1) 12 - дйг = k2 (1 — ТА) (1 — Те) Фо, где И1, N2 — сигналы, попадающие на 1 и 2 приемники соответствен но; дй11, N2 — сигналы от приемников 1 и 2, соответствующие фону и темновому тону;

Тд; Те; Тс; TD — коэффициенты пропускания полупрозрачных пластин;

Фо- световой поток, поступающий в светоделительный блок; х — коэффициент пропускания образца, Если оба модулятора открыты, то

N1+М -дй1= К1(Тд х (1-То)+

+(1 - Тд).Те;и1 Тс Тп) Фо, (2)

Мг + Л N2 д Йг = k2 ((1 ТА)(1 1 В)+

+(1-Тд) Те рг (1 — Tc ) ) Фо .

Если

N2 + AN1 — д N1 N2 + чг д N2

У1 и уз,то пРи,И1 =@2 =P 1 — Тд .!е,и Тс TD 1 т, 1-TD) x

О ): (3) (1-Т

Тд Т.5—

У1

Многоканальный измеритель отношения сигналов измеряет отношения вида

Ni +AN! — д Ni

М Nisi Ni (4) Искомая фотометрическая величина л определяется из системы

) = 1 +/() 0

О,=Р х (5) где дМ = Ni Ф+ NiT;

Ni@ — сигнал, определяемый потоком фона, попадающего на I-ïðèåííèê;

NiT — сигнал определяемый, темновым током i-го приемника (6) Ni BNi = ki. Ф;

У =1+ — @ — — I +P!0, @дм уг — 1

У1- < (7) 40 При нанесении покрытия коэффициент . отражения менялся от 4 до 14% и от 14 до

0,05%. Для определения погрешностей измерения процесс прерывался после нанесения двух, трех и пяти слоев; они не превышали значения (Л R ) = 0,05 %. время измерения не превышало т= 1 с.

Устройство было также использовано для измерения коэффициентов пропускания различных кристаллов при их нагреве и охлаждении. 8 качестве источника излучения использовался монохроматор, от спектрофотометра СФ-46, в качестве модулятора — электромеханические абтюраторы, Для того, чтобы снять ограничение (5) в устройство введены дополнительный источник излучения 1, модулятор 2, расположенные у четвертой пластины и два дополнительных приемника излучения 4 и 11, расположенные соответственно у первой и третьей плагде Ф вЂ” поток неослабленного излучения, направленного на i-приемник; ч1дм — поток ослабленного излучения, направленного на приемник, причем <11дм «

5 Ф, что обеспечивается за счет выбора коэффициента К модуляции, pandora Ки = — х о 1 таях х(10 — 10 ), где Ymax — максимальный коэф-г фициент пропускания каналов оптической

10 системы;

k; — спектральная чувствительность I-го приемника, i 1,2,3,4; р — коэффицйент ослабления излучения, направленного на i-й приемник;

15 0 — коэффициент, определяемый конструкцией устройства (делителя луча, оптической системы и т.д,); — коэффициент, пропорциональный искомой фотометрической величине Х;

pl — коэффициент пропорциональности, Следовательно. измерения не зависят от характеристик излучателя и приемника, если они остаются постоянными во время ° изменения. Это достигается стабилизацией характерис; ик с помощью обратной связи и: минимизац:лей времени измерения.

В устройстве применены пластины, у которых Тд = Тс; Те = То. (Пластины, изготовленные из одной стеклянной заготовки, помещались в вакуумную установку, где на

llMx нанос.ллось светоделительное покрытие из ZnS и MgF2. Полученные коэффициенты пропускания пластин не отличались более, чем на 0,01%), Следовательно

1784881 стин. Конструктивно источник 1 и модулятор

2 выполнены в виде системы зеркал, направляющих излучение. В остальном устройство аналогично предыдущему.

Имеем 1 — ти> т тс т

ТА х (1-Т ) -ттд+ т д(-т (8)

yl -1— - >> тс i< Te ть, То (1-то> т /г(1-тв) (1- To ) (1--Тс

Отсюда

Измерения проводились в диапазоне длин волн 0,4 — 0,9 мкм. Во всем диапазоне погрешность измерения составила (ЛТА) =0,1 jo, время одного измерения не превышало г= 1 с, Средний разброс экспериментальных точек ГТ = 0,05 %, Использование изобретения позволит г1овысить точна ть 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, содер>кащее источник излучения и последовательно расположенные по ходу излучения модулятор, светоделительный блок, оптическую систему, приемники излучения, соединенные с измерителем отношения сигналов, выход которого соединен через управляющий блок с инди5 каторным блоком, при этом управляющий блок соединен с модулятором, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений, в устройство введен по крайней мере один

10 дополнительный модулятор, соединенный с блоком управления, коэффициент k модуляции излучения которого равен (10 ...10 ), где tm»; — максимальный коэффициент пропускания каналов оптической системы, а светоделительный блок и оптическая систе20 ма выполнены в виде единого блока, содер>кащего полупрозрачные зеркало, оптически связанное с источником излучения, и расположенные по ходу отраженного от него. излучения второе полупрозрачное

25 зеркало, установленное перпендикулярно плоскости первого полупрозрачного зеркала, по крайней мере два взаимно перпендикулярных отражающих зеркала, отражающая поверхность одного из кото30 рых параллельна первому полупрозрачному зеркалу, третье полупрозрачное зеркало, установленное перпендикулярно второму полупрозрачному зеркалу, и четвертое полупрозрачное зеркало, установленное парал35 лельно второму полупрозрачному зеркалу в его плоскости. а дополнительные модуляторы установлены между соответствующими отражающими зеркалами, при этом приемники излучения оптически связаны с вторым

40 и четвертым полупрозрачными зеркалами, 1784881

Составитель O.Âoëüïÿí

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.Têà÷

Редактор Т,Горячева

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4360 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5