Фотометр

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению. С целью повышекия точности и упрощения конструкции фотометра оптический компенсатор изменения чувствительности фотоприемника от угла падения света выполнен в виде фотографического негатива с переменной плотностью, уменьшающейся от центра к периферии. Причем оптическая .ось негатива совмещена-с оптической осью фотоприемника, а фотоприемник установлен от плоскости оптического компенсатора на расстоянии f, удовлетворяющем условию (0,9-1,5), где R - расстояние от точечного источника света до полупрозрачного экрана; ш - масштаб фотографирования. Для изготовления оптического компенсатора для фотометра точечным источником света освещают полупрозрачный экран и фотографируют полученное распределение освещенности с другой стороны экрана. 4 ил., 2 табл. SS ю со Oi 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G 01 J 1 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3779521/24-25 (22) 14.08.84 (46) 15.03.87. Бюл. Р 10 (72) Г.С.Черемухин, А.И.Рачительньп1, M.À.минеева, Г.А.Лебедева, Н.П.Шептуха и А.Т.Шахов (53) 535.24(088.8) (56) Патент США Р 3700314, кл.350314, 1972.

Патент ГДР 1 75647, кл. 42 h 17/02, 1970. (54) ФОТ01"1ЕТР (57) Изобретение относится к оптическому приборостроению. С целью повышения точности и упрощения конструкции фотометра оптический компенсатор изменения чувствительности фотоприем„„SU„„12968 8 А1 ника от угла падения света выполнен в виде фотографического негатива с переменной плотностью, уменьшающейся от центра к периферии. Причем оптическая ось негатива совмещена с оптической осью фотоприемника, а фотоприемник установлен от плоскости оптического компенсатора на расстоянии f, удовлетворяющем условию f=R/m (0,9 — 1,5), где R — - расстояние от точечного источника света до полупрозрачного экрана; ш — масштаб фотографирования.

Для изготовления оптического компенсатора для фотометра точечным источником света освещают полупрозрачный экран и фотографируют полученное распределение освещенности с другой стороны экрана. 4 ил ., 2 табл.

129б848 (3) АБ — = ш

ДГ (5) Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к приборам для светотехнических измерений в астрономии, фотографии.

Цель изобретения — упрощение конструкции фотометра, На фиг.l показана схема фотометра, ; схема получения компенсатора (фильтра) с переменным про-tO пусканием света на негативе; на фиг.3 — экспериментально измеренные на микрофотометре ИФО-451 кривые пропускания узкого пучка света фильтром при нулевом угле падения света в зависимости от расстояния до центра компенсатора (фильтра); на фиг.4 экспериментально измеренные кривые зависимости выходного сигнала фотометра от угла падения света, косинус- 20 ная функция сигнала кремниевого фотодиода от угла падения света.

Фотометр содержит оптический компенсатор 1 во входном окне корпуса 2 со светопоглощающими внутренними стенками. Оптическая ось 3 является общей для компенсатора 1 и фотоприемника 4. Оптической осью 3 фотоприемника является перпендикуляр к его светочувствительной поверхности, про- 0 ходяший через ее геометрический центр.

Фотоприемник 4 подключен к нагрузке

5, Выходной сигнал фотометра снимается на клеммах 6 и 7. В качестве фотоприемника 4 может быть использован, например, кремниевый фотодиод н нентильном режиме, т.е. нагрузка 5 н этом случае должна быть низкоомной для сохранения фотоэлектрической линейности фотодиода. 40

В способе изготовления оптического компенсатора 1 (фильтра-негатива) используется матовая лампа 8 (220 В, 100 Вт) на расстоянии К от полупрозрачного рассеивающего свет экрана 9. 45

С противоположной по отношению к лампе 8 стороны экрана 9 на расстоянии

L от экрана 9 установлен фотоаппарат

10. Экран 9 перпендикулярен прямой, соединяющей лампу 8 и фотоаппарат 10. 50

Для получения оптического компенсатора 1 (фильтра-негатива) использовался фотоаппарат Зенит-В. Экраном 9 служил лист плотного ватмана.

Фотометр работает следующим об— разом.

При нулевом угле падения света у-=0 слаборасходящийся световой пучок проходит на фотоприемник 4 через О, компенсатора 1, где наибольшая оптическая плотность, При наклонном падении (Ч 0) световой пучок проходит, например, через точку К, компенсатора 1, где оптическая плотность меньwe чем в центре О, . Следовательно, световой поток, поступающий на фотоприемник 4 через компенсатор I, возрастает при увеличении угла падения что и требуется для компенсации уменьшения чувствительности фотоприемника при увеличении угла 4

Зависимость пропускания света с компенсатором (фильтром) от расстояния r от центра О, фильтра при нулевом угле падения света определяется, когда точечный источник света и фотоприемник неподвижны. Фильтр перпендикулярен прямой, соединяющей источник света и фотоприемник, и осуществляется скан фильтра вдоль его поверхности. Размер снеточувствительной поверхности фотоприемника предполагается малым по сравнению с размером фильтра, M0=R, MK=R/cosa<. Освещенность Е в точке 0 экрана 9

1

Ф

Ео " Кг (1)

Пропускание Y. света компенсатором (фильтром-негативом) 1 в точке 0 (в центре фильтра), соответствующей точке 0 экрана 9, равно

1 г T == — — -R с - (2)

01 E

Д

Для точки К фильтра 1, соотнетстнующей точке К экрана 9, 2 2

1 соя о, R

Е --- г = - (. к (NK) гг К1 сояду о соя,с

Учитывая, что соя 4=(1+tg с) . 1+tg d.).. (4)

Справедливость формул (2), (3) объясняется тем, что фотографические слои ,имеют линейный участок зависимости плотности почернения от десятичного логарифма экспозиции,а также тем,что плотный ватман имеет практически равномерную индикатрису рассеяния света.

При фотографировании экрана 9, имеющего линейный размер АБ, на негативе получается иэображение экрана с линейным размером ДГ. Таким образом,. отношение

1296848 является масштабным коэффициентом изменения размеров экрана 9 до размеров фильтра 1. Отрезок 0K= †. tg d. (фиг.2).

Отрезок О, К, =(OK/m)=R.й фа=1 tgÔ=

=r (фиг,!).

Следовательно

tg Ы= — ° tg V= — — = pr

m1 m r

R R (6) 1О

Т =: „=Т (! (1О- г) 1

= ((1+ (-- Е8М) ) о

R (7)

Формула (7) дает для фильтра зависимость пропускания света от расстояния зондируемой узким пучком света точки фильтра от его центра при нулевом угле падения света.

Образцы негативов-фильтров были изготовлены следующим образом (фиг.2)20

Лампа матовая, 100 Вт на "220 В; расстояние . = 22 см; фотоаппарат "ЗенитВ"; выдержка (время экспозиции) 0,2 с объектив "Индустар-50-2"; фотопленка черно-белая, негативная, 65 ед., ГОМТ

24876-21 (КПО "Тасма" им.Куйбышева), эмульсия N - 30176. Проявитель метоловый мелкозернистый для негативных

I чернобелых"катушечных фотопленок; время проявления 6 мин. Фиксаж нейтральный. Время закрепления 15 мин.

На фиг.3 показаны кривые 11 и 12 пропускания двух образцов негативовфильтров, измеренные на микрофотометре ИФО-451 при размере светового зон-35

2 да lх) мм . В микрофотометре источником света является вольфрамовая лампа накаливания рН-8-20, фотоприемником — фотоумножитель ФЭУ-17А чув40 ствительный в спектральной области от 0,3 мкм до 0,6 мкм. Фильтр с кривой Il пропускания получен при расстоянии L=I65 см, диафрагме "8" и фотоаппарате Зенит-В, а фильтр с кривой 12 пропускания — при L=145 см и диафрагме "5,6". Для фильтра с кривой ll масштабный коэффициент ш =

=36,92 и 7, =3,877, а для фильтра с кривой 12 m = 32,44 и т, =1,415Х.

В табл.1 приведено рассчитанное по формуле (7) пропускание света обоими фильтрами в зависимости от расстояния r.

Кривая I 1 совпадает с расчетной при всех значениях r. Кривая 12 хорошо совпадает с расчетной при r c 4 мм и идет несколько выше расчетной при

r > 5 мм. Таким образом, справедли— вость формулы (7) подтверждена. В дальнейшем для экспериментов использовался фильтр с кривой 11 пропускания.

Очевидно, что пропускание света . для точки К, компенсатора (фильтра) 1 для луча 13 света с углом падения ч меньше, чем рассчитанное по формуле (7) для этой же точки K при нулевом угле падения света, потому что при наклонном падении>длина пути луча света в фильтре возрастает. Ввиду малой толщины фотопленки (0,14 мм) сравнительно с размером светочувствительной поверхности фотоприемника (! мм) эффектом смещения выходящего из пленки пучка света вдоль пленки относительно направления входящего в пленку пучка света можно пренебречь.

При любом угле падения света Ч для данной точки фильтра коэффициент поглощения света К сохраняется неизменным, а меняется только длина пути луча света. Исходя из-оптических констант пленки, уравнение для пропускания света для какой-то точки пленки имеет вид при произвольном угле падения света

2п

Ч = — — — — 10 (8) п2+ 1 где n — показатель преломления света;

К вЂ” коэффициент поглощения света, — длина пути луча света в l пленке, имеющей геометрическую толщину t;

2п †-- — сомножитель, учитывающий отп +I ражение света на обеих поверхностях пленки. Уравнение (8) справедливо для углов падения света ч - 40,,и оно незна- чительно нарушается при 40 @ 60 из — за возрастания отражения света от поверхностей пленки.

Уравнение (8) содержит три неизвестных: n,k,t, так как величина t ! может быть выражена через t, и и Ш .

Для определения констант было экспе— риментально измерено пропускание фильтра при .сканах черех его центр при трех значениях угла падения света 4, > 1 э з

Получается три уравнения:

2п — — .10 (9) п +!

1296848 6

2п

10 п2 + (10) --- — — -10

2п (1 1), 3 п2 + 1 откуда после преобразования получа5

15 ется

1Й()2 )

1g(=- ) (12)

sin У, -1

Уравнение (12) позволяет итерациями найти показатель преломления пленки, потому что преобразовать : уравнение в явной форме относительно п затруднительно.

Было получено, что

1g(— ) т2 — О 235 г ю У У

1 (-- )

3 и из (12) получается п=1,?

Из уравнений (7) и (8) при угле

))>=0 следует, что

2п П)Г 2

10 (— — — -} =). I+(— ) ) 2 .) 1 о R

20 (13) 25 откуда з

К = — - 1g (14)

2п (- — --) п2 +1

Вводят выражение (14) в выражение (8):

)-ц 2

-.EI.(-", ) 3 ,„2

)= ю

) -1

2 () 5) 10

Выходной сигнал фотометра не должен зависеть от угла падения света ))> т.е. ) cos Ч> (16)

Вводят в выражение (16) зависимость 45 (15) и учитывают, что Г=1 tgy, полу" чают

-.) )= -, )) л + 1 50 (. ) (," )(-s )=.. (11)

В уравнении (17) известными являются

55 параметры n, m, К, ),, а угол Ч задается. Следовательно, итерациями можно определить расстояние ), от фильтра 5 до светочувствительной поверхности фотоприемника 7 (фиг.I) лри любом заданном угле падения света %

Поскольку расстояние 1 в фотометре является неизменным, можно проверить, как сохраняется равенство левой части уравнения (17) его правой части при конкретном значении ) при всех углах 4

В табл.2 приведены результаты расчета величины левой части уравнения (17) Г„, и погрешности л ч.

--- — ---- — --:1007. (18) с в зависимости: от угла падения света

)1)при следующих параметрах: n=1,2;

R=22 см; m = 36,92; L = 0,0387; (= — 1,22 = 2,27 мм . (19)

Малые величины погрешности с в табл.2 в широком диапазоне углов 4 свицетельствуют о том, что удовлетворительная компенсация косинусной зависимости сигнала фотоприемника от угла падения света в фотометре с фильтром-негативом реализуется.

На фиг.4 представлены результаты измерений выходного сигнала фотометра с кремниевым фотодиодом, имеющим размер квадратной светочувствительной поверхности 1,5 х 1,5 мм . Зависимость сигнала этого фотодиода (кривая 12) от угла 12 падения света близка к косинусной (кривая 15).

Используют фильтр-негатив с кривой 11 пропускания (фиг.3). Свето— чувствительная поверхность фотодиода. установлена на расстоянии ),=-7,8 мм от фильтра. Фотометр устанавливают на расстоянии 50 см от лампы КГМ 12100. В качестве нагрузки 5 (фиг.2) используют микроамперметр типа М 1201 в режиме токового измерения на шунте

0,3. Кривые 16 и 17 соответствуют выходному сигналу при угловых отклонениях Ц> .(+50 ) вдоль направления перфорации фотопленки, а кривые 18 и 19— для )I)i(+50 ) перпендикулярно направлению перфорации фотопленки.

Показатель преломления фильтра-негатива, изготовленного на фотографических материалах различных наименований, может отличаться от n=1,2.

Если, например, n=l 5, то минимальная погрешность по формуле (17) получаетR ся при ),= — 1,01. На оптические харакm теристики фильтра могут повлиять, также, особенности проявления и зак—

1296848 репления негатива. Поэтому расстояние (= — (0,9-1,5)

R (20) уточняется в каждом конкретном случае (для конкретного фотоматериала) посредством индивидуальной юстировки фотометра. (1+ (p r) 1, где, Таблица 1

Пропускание света г, Ж г=2мм г=3мм

Фильтр

r = 0 r = 1 мм

r=4 мм r=5 мм r=6 мм

4,306 4,851 5,614 6,595 7,79

Кривая 11 3,87 3,98

Кривая 12 1,415 1,4196 1,538 1,692 1,907 2,184 2,52

Таблица 2

20 30 40 50

Угол Ч,град 0

0,0387 0,03875 0,038 0,0378 0,3767 0,0413

0 +0,12 -1,714 -2,17 -2,65 +6,78

Формула изобретения

Фотометр, содержащий корпус со светопоглощающими внутренними стенками, снабженный фотоприемником и вход- !5 ным окном, в котором установлен оптический компенсатор изменения чувствительности фотоприемника от угла падения света, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности и упрощения конструкции, оптический компенсатор выполнен в виде фотографического негатива с переменным пропусканием света т-, характеризуемым соотношением пропускание света в центре компенсатора; константа, расстояние от центра компенсатора до точки его поверхности при нулевом угле падения света.

1296848 б 5 4 У Г О / Г У 4 5 6 Ц/ /и

0,7с

Мх

Z0 30 Фр fg

Фиа4

Составитель Ю.Гринева

Редактор С.Лисина Техред М.Ходанич Корректор С.Шекмар

Заказ 766/42 Тираж 7/7 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4