Метрологическое обеспечение измерений в оптико-электронных приборах и системах (стр. 4 )

с = 0,5[sin2(ϕ1–ϕ2)/sin2(ϕ1+ϕ2) + tg2(ϕ1–ϕ2)/tg2(ϕ1+ϕ2)],

где  ϕ1 - угол между падающим на поверхность лучом света и нормалью;

ϕ2 - угол между преломленным лучом и нормалью.

Для выполнения этого условия приходится включать в оптическую схему фотоприемного устройства так называемую косинусную насадку, формирующую необходимый угол зрения и компенсирующую погрешность, вносимую поверхностным отражением оптических элементов.

Поверхность материалов, используемых во входных устройствах, отражает падающее излучение по закону Френеля. Графически эта зависимость представлена на рис.3.2. Это означает, что фотоприемное устройство регистрирует излучение, не отвечающее соотношению Е = Е0Чсosв  при углах более 60°, т. е. отличное от реального излучения [57].

Рисунок 3.2 – Зависимость коэффициента отражения поверхности материала от угла падения

Для компенсации потерь отраженного излучения используют боковую грань диска из молочного стекла. Величина потока излучения, прошедшего внутрь стекла через боковые грани, пропорциональна величине цилиндрической освещенности. Под средней цилиндрической освещенностью Eп понимают среднюю освещенность боковой поверхности вертикально расположенного цилиндра.

Наиболее оптимальная косинусная насадка для рабочих средств  измерения оптического излучения представляет собой выполненный из молочного стекла элемент (рис.3.3) , равномерно рассеивающий падающее излучение по всем направлениям, обеспечивая тем самым выполнение закона Ламберта, согласно которому яркости светорассеивающей поверхности во всех направлениях одинаковы [52,57].

Рисунок 3.3 – Цилиндрическая косинусная насадка для рабочих средств измерения

Световой поток Ф, попадающий на используемый в ФПУ светочувствительный элемент, является функцией отражения (с) и пропускания (ф) используемого материала, освещенности плоской поверхности (Еп) и цилиндрической освещенности боковой грани (Ец):

Ф = f (Еп, Ец, с, ф).

Аналитически описать эту связь достаточно сложно из-за разброса параметров используемых материалов и геометрических размеров составляющих ФПУ элементов. При разработке и изготовлении ФПУ эмпирически находится оптимальное сочетание характеристик (марки молочного стекла, его толщины и высоты боковой поверхности, выступающей над корпусом), обеспечивающее заданную погрешность (1–2%), определяемую отличием полученной пространственной характеристики от теоретической [57].

Кроме того, при создании приборов для измерения оптического излучения необходимо решить задачу приведения спектральной характеристики чувствительности кремниевого фотодиода к относительной световой спектральной эффективности V(л), табулированные значения которой регламентированы решениями комиссии МКО и ГОСТ 8.332 [7,53].

Спектральная коррекция чувствительности фотоприемника Sф(л) к заданному виду S(л) осуществляется, как правило, цветными фильтрами. При этом коэффициент пропускания Т(л) определяется соотношением:

Т(л) = S(л)/Sф(л).

Существует два основных способа расположения корригирующих светофильтров перед фоточувствительным элементом (рис. 3.4). В первом случае цветные фильтры с подходящими спектральными характеристиками располагаются последовательно друг за другом. При таком расположении (рис. 3.4а) излучение, прежде чем попасть на фотоприемник, последовательно фильтруется в каждом фильтре.

Другой способ расположения фильтров с требуемыми спектральными характеристиками показан на рис. 3.4б. При этом расположении, называемом схемой Дреслера, некоторые фильтры размещаются рядом один с другим. Различные части светового потока по-разному пропускаются фильтрами, прежде чем поток достигает приемной площадки фотоприемника [53].

Рисунок 3.4 – Способы расположения коррегирующих светофильтров:

а) субтрактивный; б) субтрактивно-аддитивный (схема Дреслера)

Результирующая кривая спектрального пропускания комбинации может эффективно регулироваться путем изменения относительного размера отдельных компонентов. Выполненные по такому принципу корректирующие фильтры могут с высокой степенью точности приблизить относительную спектральную чувствительность фотоприемника к идеальным значениям V(л) при относительно высоком пропускании в максимумах кривых. Обычно на практике и в расчете рассматриваемых приборов используется первый способ расположения светофильтров ввиду его технологичности и простоты расчетов.

На рис.3.5 показан пример приведения спектральной характеристики кремниевого фотодиода Sф(л) к относительной световой спектральной эффективности V(л) [53,57].

Рисунок 3.5 – Вид кривых спектральной чувствительности кремниевого фотодиода S(л) и заданной меры V(л)

Характеристика S(л) приводится к заданной кривой с помощью исправляющего фильтра, который может быть составлен из цветных стекол (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Коррекция спектральной чувствительности фотоприемника с помощью цветных фильтров

Тип стекол и их количество выбирались полуэмпирическим способом, исходя из наличия производимых и доступных для использования марок. Так, например, для видимой области спектра пригодными для коррекции оказались следующие цветные стекла: СЗС-21, СЗС-22, СЗС-23, ЖС-20, ЖЗС-5, ЖЗС-6, ОС-5. Из группы сине-зеленых стекол (СЗС) было выбрано СЗС-21, так как оно хорошо подавляет излучение в ближней ИК-области спектра (760–1200 нм), где наблюдается максимальная чувствительность кремниевых фотодиодов (лmax = 800–900 нм), выбранных для коррекции. Оранжевое стекло ОС-5 взаимозаменяемо со стеклом ЖС-20, а желто-зеленое стекло ЖЗС-6 взаимозаменяемо со стеклом ЖЗС-5 [38,39].

Выбор марки стекол и их толщины и расчет спектрального коэффициента пропускания исправляющего светофильтра осуществляется таким образом, чтобы на каждой длине волны выполнялось условие: ф(л)= V(л)/Sф(л).

Строгое выполнение этого условия на всех длинах волн для серийных цветных стекол и фотоприемников практически невозможно. Всегда будет иметь место отступление реально выполненной кривой S(л) = Sa(л)Чф(л) от заданной, которое необходимо оценить в зависимости от назначения и способа градуировки фотометра, где применяется исправляющий светофильтр.

4 Приборы для измерения оптического излучения

Для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, согласно ГОСТ 24940-96 (заменен ГОСТ Р 54944-2012)  применяются люксметры Ю116, Ю117, АТТ-1508 [32,33]. Области их применения: различные сферы производства, а также работы, проводимые в процессах наладки, ремонта, лабораторных исследований, проводимых в научных, конструкторских и проектных организациях.

Люксметр Ю116 (рис.4.1) состоит из измерителя и отдельного фотоэлемента с насадками. На передней панели измерителя расположены: отсчетное устройство и корректор прибора, кнопка переключателя, ручка установки нуля. Прибор магнитоэлектрической системы имеет две шкалы, градуированные в люксах: 0-100 и 0-30. На каждой из них отмечено начало диапазона измерений: на шкале 0-100 эта точка находится на уровне отметки 20, на шкале 0-30 на уровне отметки 5. На боковой стенке корпуса измерителя расположена вилка для подключения селенового фотоэлемента, который находится в пластмассовом корпусе и присоединяется к измерителю шнуром с розеткой, обеспечивающей правильную полярность соединения.

Рисунок 4.1 - Люксметр Ю-116

1 – селеновый фотоэлемент в пластмассовом корпусе с насадками; 2, 6, 7 – насадки;

3 – миллиамперметр; 4, 5 – кнопки переключения диапазонов измерений

Площадь светочувствительной поверхности фотоэлемента составляет около 30 см2. Для уменьшения косинусной погрешности применяется насадка К, которая надевается на фотоэлемент. Эта насадка применяется вместе с одной из трех других насадок, обозначенных буквами М, Р, Т. Каждая из них вместе с насадкой  К образует три поглотителя с номинальным коэффициентом ослабления 10, 100, 1000 и предназначена для расширения диапазона измерения от 5 до 100000лк. Все насадки могут использоваться в определенном люксметре.

Отсчет производят с помощью измерителя, расположенного также горизонтально на некотором расстоянии от фотоэлемента, чтобы на него не попала тень от лица исследователя.

Прибор для определения освещенности АТТ1508 (рис. 4.2) приводится в рабочее состояние при помощи выключателя. Проверяется качество батареи. Если в левом углу дисплея прибора появляется надпись LO BAT, то батарею следует заменить. Фотоэлемент разместить в местах, где необходимо провести замеры освещенности.

Если фотоэлемент выключен, но показания на дисплее отличаются от нулевых значений, следует произвести настройку: при помощи отвертки поворачивать регулировочный винт 6 до тех пор, пока значения на дисплее не станут нулевыми.

Проверку люксметра согласно ГОСТ 8.014-72 «ГСОЕИ. Методы и средства поверки фотоэлектрических люксметров» необходимо осуществлять не реже одного раза в год. Необходимо оберегать прибор от ударов и сотрясений. С насадками и фотоэлементом следует обращаться как с оптическим прибором. Загрязненные насадки протирают ватным тампоном, смоченном в спирте, а поверхность фотоэлемента - сухим ватным тампоном. После эксплуатации люксметра при низкой температуре не следует открывать крышку футляра в течение 2-3 часов.

Рисунок 4.2 - Люксметр АТТ -1508