Способ определения радиометрических характеристик и оценки фотобиологического воздействия источников излучения и комплекс для его осуществления
Изобретение относится к области метрологии источников излучения и касается устройства измерения показателей энергетической экспозиции источника излучения и радиометрических характеристик излучения. Устройство включает в себя расположенные по оси, проходящей через фотометрический центр испытуемого источника излучения, с возможностью изменения расстояния друг относительно друга блок испытуемого источника излучения и измерительный блок, связанный с блоком анализа и вывода результатов измерения. Измерительный блок выполнен в виде комбинации размещенных во входных окнах входа спектрометра и радиометрических датчиков, чувствительные элементы которых локализованы в направлении фотометрического центра испытуемого источника излучения из условия монотонного заполнения всей площади входного окна излучением испытуемого образца. Блок испытуемого источника выполнен с возможностью его поворота на 360° не менее чем в двух плоскостях относительно фотометрической оси. Технический результат заключается в упрощении и унификации процесса измерения при сохранении заданного уровня объективности результатов измерения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области метрологии излучения источников в диапазоне от 200 нм. и предназначено для использования в измерениях энергетических и спектральных характеристик, определения энергетической экспозиции для оценки фотобиологического воздействия (опасности фотобиологического воздействия) в диапазоне от 200 нм., а также реализации иных методов, где требуются измерения и расчёты энергетических и спектральных характеристик излучения.
В настоящее время внимание производителей, потребителей светотехнической продукции и проектировщиков приковано к вопросам фотобиологической безопасности применения различных источников света и источников излучения. Это связано с продолжающимися спорами о степени безопасности воздействия тех или иных составляющих спектра различных источников на органы зрения, организм в целом и влиянии на утомляемость при зрительной нагрузке. С целью контроля осветительных приборов, источников света и излучения в диапазоне 200 нм и более, светосигнальных приборов и т.д. на предмет фотобиологической опасности, с 2015 г. в России действует ГОСТ Р МЭК 62471-2013 (IEC 63471:2006) «Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем», а с 2017 года в рамках ТР ТС - ГОСТ IEC 62471 – 2013 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем» для обязательного применения всеми без исключения светотехническими устройствами, входящими в область регулирования ТР ТС по безопасности низковольтного оборудования.
Вместе с тем, одним из ключевых процессов испытаний на фотобиологическую безопасность является измерение энергетической экспозиции излучения (энергетической освещённости, энергетической яркости, энергетики воздействия и прецизионные измерения спектрального распределения необходимых единиц измерения излучения начиная с 200 нм). Однако, несмотря на обозначенную актуальность и обязательное выполнение указанных испытаний для каждого источника излучения при потенциальном выходе его на рынок, комплексных средств измерений для реализации требований упомянутых стандартов и содержащихся в них методик до настоящего времени не существует.
Таким образом, задача, решаемая при создании заявленного изобретения состоит в создании методик и средств спектрометрических и фотоэлектрических измерений, позволяющих получать исходные величины для последующих расчетов энергетических параметров и энергетической экспозиции источников излучения, в том числе, для оценки его фотобиологического воздействия (опасности фотобиологического воздействия). Технический результат, достигнутый при решении поставленной задачи – упрощение и унификация процесса измерения энергетической экспозиции источников излучения при сохранении заданного уровня объективности результатов измерения.
Для достижения поставленного результата предлагается способ измерения показателей энергетической экспозиции источника излучения и радиометрических характеристик излучения, включающий предварительное позиционирование испытуемого источника излучения и измерительного блока в виде комбинации размещенных во входных окнах по меньшей мере одного спектрометра и радиометрических датчиков, чувствительные элементы которых локализованы в направлении фотометрического центра испытуемого источника излучения, при этом указанное предварительное позиционирование проводят по оси, проходящей через фотометрический центр испытуемого источника излучения, и последующее облучение измерительного блока излучением испытуемого источника из условия монотонного заполнения всей площади, по меньшей мере, одного окна радиометрического датчика излучением испытуемого образца.
Для достижения поставленного результата предлагается также устройство (комплекс) измерения показателей энергетической экспозиции источника излучения и радиометрических характеристик излучения, содержащее расположенные по оси, проходящей через фотометрический центр испытуемого источника излучения, с возможностью изменения расстояния друг относительно друга, испытуемый источник излучения и измерительный блок, связанный с блоком анализа и вывода результатов измерения, измерительный блок выполнен в виде комбинации размещенных во входных окнах по меньшей мере входа одного спектрометра (входного торца световода) и радиометрических датчиков, чувствительные элементы которых локализованы в направлении фотометрического центра испытуемого источника излучения из условия монотонного заполнения всей площади входного окна излучением испытуемого образца, а блок испытуемого образца выполнен с возможностью его поворота на 360°, не менее чем в двух плоскостях пространства относительно упомянутой фотометрической оси.
Количество каждого из датчиков в устройстве может составлять не менее двух, выбранных из условия перекрытия их характеристик. Устройство может быть выполнено с возможностью изменения площади входного окна каждого из радиометрических датчиков в пределах диапазона диаметров не менее 2,9 ÷ 7,1 мм.
Чувствительный элемент радиометрического датчика может быть выполнен в виде матрицы на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью), со спектральной чувствительностью, не менее 200 нм.
Чувствительный элемент радиометрического датчика также может быть выполнен в виде дискретных фотодиодов (фоточувствительных элементов) из различных или однотипных материалов, объединённых одним входным окном, размер которого находится в диапазоне диаметров 2,9 ч 7,1 мм или имеет возможность изменения этого размера в пределах указанного диапазона, один из которых, со спектральной чувствительностью не менее 200 нм.
Чувствительный элемент одного из радиометрических датчиков может быть выполнен в виде матрицы на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью), а другой или другие - в виде дискретных фотодиодов (фоточувствительных элементов) из различных или однотипных материалов, объединённых одним входным окном, размер которого находится в диапазоне диаметров 2,9 ч 7,1 мм или имеет возможность изменения этого размера в пределах указанного диапазона, один из которых, со спектральной чувствительностью не менее 200 нм.
В качестве спектрометра (спектрометров) могут быть использованы спектрорадиометр, монохроматор, или иной спектральный прибор, позволяющий измерять спектральное распределение энергетической величины в необходимом диапазоне длин волн, начиная с 200 нм.
Сущность заявленного решения поясняется фиг.1 с условной схемой заявленного устройства, в общем виде отображающей идеологию его построения и связи между конструктивными элементами, а также фиг.2, содержащей условное изображение измерительного блока с видом на лицевую (т.е. воспринимающую излучение испытуемого образца) сторону.
Со ссылкой на фиг.1 заявленное устройство измерения показателей энергетической экспозиции источника излучения включает измерительный блок 1, блок испытуемого образца – источника излучения 2 и связанный с выходами датчиков блока 1 блок анализа и вывода результатов измерения 3 (например, компьютер, или т.п. устройство). Блоки 1 и 2 расположены на горизонтальной плоскости с возможностью изменения расстояния друг относительно друга, а блок 2, дополнительно - с возможностью поворота закреплённого в нём источника излучения в горизонтальной плоскости на 360 град. Блок 2 также связан с блоком питания 4. Расстояние между блоками 1 и 2 в общем виде определяется требованиями оценки опасности фотобиологического воздействия излучения в видимом диапазоне и соответствует производимой источником излучения освещенности в 500 лк. Для определения расстояния фотометрирования, устройство опционально может содержать люксметр и лазерный дальномер (рулетку). Однако определение указанного расстояния возможно и без применения люксметра, по результатам измерения силы излучения, расчёта силы света и соответствующей освещённости (500 лк) на определяемом расстоянии. При условии отсутствия (или небольшой доли) мощности излучения видимого диапазона в общем спектре (невозможность создания надлежащего значения освещённости в 500 лк), оценка опасности воздействия излучения производится на расстоянии 200 мм от плоскости входного окна датчика до излучающей поверхности источника, а измерения радиометрических характеристик – на расстоянии, обеспечивающем выполнение закона «обратных квадратов». Возможность поворота блока 2 вокруг вертикальной оси обусловлена целями нахождения и фиксации такого положения измеряемого источника излучения, при котором на датчики (и входы спектрометров) приходится направление максимального значения энергетической силы света из всей пространственной диаграммы излучения (радиометрического тела). Для реализации таких целей устройство может быть дополнено трехкоординатным поворотным гониометром 5 с возможностью закрепления на нем источника излучения массой до 50 кг.
Измерительный блок 2 содержит входные окна, в которых расположены чувствительные элементы радиометрических датчиков и входы световодов спектрометров.
Назначение спектрометров - измерение спектрального распределения мощности излучения (относительного спектрального распределения излучения). Блок, как правило, содержит не менее двух спектрометров с произвольным диапазоном измеряемой длины волны у каждого, но с обязательным их перекрытием. Однако минимальный предел измерения одного из датчиков должен быть не ниже минимального предела длины волны применяемых в настоящее время источников излучения. Исходя из практически существующих на сегодняшний день источников излучения, такой минимальный предел составляет не более 200 нм. Также, в качестве спектрометра может применяться спектрорадиометр или монохроматор. В этом случае, задача измерения спектрального распределения во всём требуемом диапазоне длин волн может быть решена одним прибором. Процесс измерения спектрального распределения мощности излучения (относительного спектрального распределения энергетический величины) предполагает облучение светом (излучением) испытуемого источника излучения входных элементов (торцов) световодов или непосредственно входов спектрометров (входных щелей). Облучаемые торцы световодов (входных щелей спектрометров) расположены таким образом, что пятно измерительного сигнала засвечивает одновременно все торцы, либо имеется возможность поочерёдного позиционирования указанных входных элементов в поле облучения измерительным сигналом. В случае необходимости, дополнительно может применяется оптический концентратор (разветвитель (на фиг.1 не показан)) с одним входным отверстием. Выход каждого из световодов связан с блоком 3 посредством спектрометров 6.
Назначение радиометрических датчиков - измерение энергетической освещенности и интегральной мощности излучения, падающей на площадку с известной площадью входного окна датчика с известной характеристикой абсолютной спектральной чувствительности, а чувствительный элемент датчика может быть выполнен в виде, например, матрицы на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью) или дискретных фотодиодов (фоточувствительных элементов) из различных или однотипных материалов, или фотодиода (фоточувствительного элемента). Выходы датчиков посредством регистратора фототока 7 и вольтметра 8 связаны с блоком 3. Конструкция датчика предполагает возможность изменения площади входного окна, соответствующего круглому отверстию, в пределах диапазона диаметров 2,9 ÷ 7,1 мм. В заявленном устройстве, для обеспечения измерений энергетических параметров излучения во всем диапазоне длин волн (но, как указано выше, не менее 200 нм), применяется не менее двух отдельных радиометрических датчиков, работающих в различных, но перекрываемых по длине волны диапазонах. Позиционирование входного окна каждого датчика относительно пятна засветки измерительным сигналом (ввиду его малых размеров) может осуществляться раздельно: датчики поочередно устанавливаются на необходимом расстоянии в плоскости центра пятна сигнала, расположенной перпендикулярно его оптической оси. Однако при условии достаточности размера пятна сигнала, возможна одновременная засветка всех (или более одного) используемых при измерении датчиков. Преобразованный датчиком в зависимости от спектрального распределения мощности излучения измеряемого источника, электрический сигнал измеряется по величине, которая пропорциональна падающей на его входное окно мощности излучения. Измерение соответствующей электрической величины (тока или напряжения) от каждого датчика производится по отдельному каналу и в дальнейшем используется для расчетов облученности, мощности излучения в пределах площади активного окна датчика, энергетической яркости источника в соответствующем направлении наблюдения, силы излучения, энергетической экспозиции излучения для оценки фотобиологической опасности его воздействия, интегральной мощности излучения источника во всем диапазоне длин волн (от 200 нм). Расчет коэффициента преобразования каждого датчика для конкретного измеряемого источника излучения выполняется при каждом новом измерении на основе данных о спектральном распределении его энергетической величины.
Опционально, между блоками 1 и 2, на оси, проходящей через фотометрический центр испытуемого источника излучения, может быть расположена диафрагма 9 излучателя, располагаемая вблизи от испытуемого источника излучения.
1. Способ измерения показателей энергетической экспозиции источника излучения и радиометрических характеристик излучения, включающий предварительное позиционирование испытуемого источника излучения и измерительного блока в виде комбинации размещенных во входных окнах по меньшей мере одного спектрометра и радиометрических датчиков, чувствительные элементы которых локализованы в направлении фотометрического центра испытуемого источника излучения, при этом указанное предварительное позиционирование проводят по оси, проходящей через фотометрический центр испытуемого источника излучения, и последующее облучение измерительного блока излучением испытуемого источника из условия монотонного заполнения всей площади по меньшей мере одного окна радиометрического датчика излучением испытуемого образца.
2. Устройство измерения показателей энергетической экспозиции источника излучения и радиометрических характеристик излучения, содержащее расположенные по оси, проходящей через фотометрический центр испытуемого источника излучения, с возможностью изменения расстояния друг относительно друга блок испытуемого источника излучения и измерительный блок, связанный с блоком анализа и вывода результатов измерения, измерительный блок выполнен в виде комбинации размещенных во входных окнах, по меньшей мере, входа одного спектрометра (входного торца световода) и радиометрических датчиков, чувствительные элементы которых локализованы в направлении фотометрического центра испытуемого источника излучения из условия монотонного заполнения всей площади входного окна излучением испытуемого образца, а блок испытуемого источника выполнен с возможностью его поворота на 360° не менее чем в двух плоскостях пространства относительно упомянутой фотометрической оси.
3. Устройство по п.2, в котором количество каждого из датчиков составляет не менее двух, выбранных из условия перекрытия их характеристик.
4. Устройство по п.2, выполненное с возможностью изменения площади входного окна каждого из радиометрических датчиков в пределах диапазона диаметров не менее 2,9–7,1 мм.
5. Устройство по п.2, в котором чувствительный элемент радиометрического датчика выполнен в виде матрицы на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью) со спектральной чувствительностью не менее 200 нм.
6. Устройство по п.2, в котором чувствительный элемент радиометрического датчика выполнен в виде дискретных фотодиодов (фоточувствительных элементов) из различных или однотипных материалов, объединённых одним входным окном, размер которого находится в диапазоне диаметров 2,9–7,1 мм или имеет возможность изменения этого размера в пределах указанного диапазона, один из которых со спектральной чувствительностью не менее 200 нм.
7. Устройство по п.3, в котором чувствительный элемент одного из радиометрических датчиков выполнен в виде матрицы на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью), а другой или другие - в виде дискретных фотодиодов (фоточувствительных элементов) из различных или однотипных материалов, объединённых одним входным окном, размер которого находится в диапазоне диаметров 2,9–7,1 мм или имеет возможность изменения этого размера в пределах указанного диапазона, один из которых со спектральной чувствительностью не менее 200 нм.
8. Устройство по любому из пп. 2-7, в котором в качестве спектрометра (спектрометров) применён спектрорадиометр, монохроматор или иной спектральный прибор, позволяющий измерять спектральное распределение энергетической величины в необходимом диапазоне длин волн, начиная с 200 нм.
