Фотометр

 

Использование: в инфракрасной технике, в приборах для измерения интенсивности теплового излучения. Сущность изобретения: фотометр содержит объектив 1, зеркальный обтюратор 2, первый, второй фотоприемники 3, 4, первую, вторую диафрагмы 5, 8, коллиматор 6, источник излучения 7, сумматор 9, два предварительных усилителя 10, 11, двухзеркальный фиксатор уровня 12, 13, вычислительно-регистрирующий блок 10. Цель изобретения - повышение точности измерения излучения. 3 ил.

Изобретение относится к инфракрасной технике, в частности к высокочувствительным фотометрам. Оно может быть использовано в приборах для измерения интенсивности теплового излучения, в устройствах преобразования ИК-излучения в электрический сигнал или в видимое излучение, в том числе в тепловизорах.

Известно устройство, содержащее объектив, оптически связанный с первым фотоприемником и через расположенный наклонно к оптической оси объектива обтюратор с зеркальной передней поверхностью - со вторым фотоприемником, выходы первого и второго фотоприемников через соответствующие последовательно включенные предусилители и фиксаторы уровней подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, двухканальный датчик синхроимпульсов, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого и второго фиксаторов уровня, а вход оптически связан с обтюратором, и вычислительно-регистрирующий блок.

В устройстве обеспечивается высокая чувствительность и устраняются искажения в передаче формы входного оптического сигнала.

Однако с течением времени в связи со старением элементов устройства и при изменении температуры окружающей среды возникает нарушение идентичности излучений соответственно от задней поверхности обтюратора и от пластины, что приводит к увеличению погрешности измерения оптического потока.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Это достигается тем, что в фотометре, содержащем объектив, оптически связанный с первым фотоприемником и через расположенный наклонно к оптической оси объектива обтюратор с зеркальной передней поверхностью - со вторым фотоприемником, выходы первого и второго фотоприемников через соответствующие последовательно включенные предусилители и фиксаторы уровней подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, двухканальный датчик синхроимпульсов, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого и второго фиксаторов уровня, а вход оптически связан с обтюратором, и вычислительно-регистрирующий блок, задняя поверхность обтюратора выполнена зеркальной и введен коллиматор с регулируемым источником излучения, расположенный на оптической оси второго фотоприемника и оптически связанный через заднюю зеркальную поверхность обтюратора с первым фотоприемником.

Кроме того, в фотометр введены фильтр нижних частот и переключатель, подвижный контакт которого подключен к входу регулируемого источника коллиматора, выход сумматора подключен через фильтр нижних частот к первому неподвижному контакту переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с вычислительно-регистрирующим блоком, а также в фотометр введена диафрагма, расположенная между обтюратором и коллиматором.

На фиг. 1 представлена функциональная схема фотометра; на фиг. 2 - форма обтюратора; на фиг. 3 - эпюры сигналов.

Фотометр содержит объектив 1, на оптической оси которого последовательно расположены зеркальный обтюратор 2, наклоненный к ней под углом, в частности, 45^о, и первый фотоприемник 3. По разные стороны от обтюратора 2 встроены второй фотоприемник 4, оптически связанный через переднюю поверхность обтюратора 1, и расположенные на оптической оси фотоприемника 4 диафрагма 5, препятствующая попаданию на фотоприемники 3, 4 паразитных потоков излучения от стенок фотометра, и коллиматор 6 с регулируемым источником 7 излучения, снабженным диафрагмой 8. Пропущенный диафрагмой 5 поток излучения с коллиматора 6 является известным благодаря ранее выполненным измерениям интенсивности этого потока при различных положениях регулирующего органа (подвижного контакта потенциометра, положения переключателя и т. п. ) в коллиматоре или при различных значениях управляющего параметра (например, напряжения, тока, сопротивления). Коллиматор 6 также оптически связан через заднюю зеркальную поверхность обтюратора 2 с фотоприемником 3.

Выходы фотоприемников 3, 4 подключены к первому и второму входам сумматора 9 через последовательно соединенные индивидуальные предусилители 10, 11 и фазочувствительные фиксаторы 12, 13 уровня, содержащие конденсаторы 14, 15, резисторы 16, 17, управляемые ключи 18, 19 и высокоомные усилители 20, 21. Связь фотоприемников 3, 4 с предусилителями 10, 11 переменного или постоянного тока может быть выполнена гальванической или через разделительные RC-цепи (на чертеже не показаны).

Управляющие входы ключей 18, 19, выполненных, в частности, на биполярных транзисторах, соответственно подключены к первому и второму выходам двухканального датчика 22 синхроимпульсов, сопряженного с рабочей зоной обтюратора 2 и содержащего источник 23 узконаправленного (сечение сфокусированного луча в 10 и более раз меньше ширины лопасти обтюратора 2) светового излучения, выполненный, в частности, на основе лампы 24 накаливания. Фотоприемные блоки 25, 26 оптически связаны с источником 23 через центральную часть обтюратора 2 совершенно идентично связям фотоприемников 3, 4 с объективом 1 через рабочую (периферийную) зону обтюратора. Блоки 25, 26 помимо фотоприемников могут содержать в своем составе оконечные каскады, формирующие выходные импульсы прямоугольной формы, поступающие соответственно на управляющие входы фазочувствительных фиксаторов 12, 13 уровня.

Фотометр содержит также вычислительно-регистрирующий блок 27 и сглаживающий фильтр 28 нижних частот с низким значением частоты среза, подключенные к выходу сумматора 9. Выход фильтра 28 подключен через переключатель 29 к управляющему входу коллиматора 6 (входу регулировки источника 7).

Обтюратор 2 закреплен на валу электродвигателя 30 и имеет с двух сторон зеркальные симметрично расположенные лопасти, причем угловые размеры лопасти и паза - промежутка между соседними лопастями - в периферийной зоне обтюратора являются одинаковыми. Зеркальные лопасти обтюратора (см. фиг. 2) со стороны источника 23 светового излучения имеют узкие периферийные неотражающие свет (например, зачерненные) участки 31, расположенные в центральной зоне обтюратора, взаимодействующие с пучком света источника 23, причем секторные участки 31 расположены симметрично относительно соответствующего края лопасти обтюратора 2. Итоговой целью такого выполнения обтюратора является получение на выходах датчика 22 более кратковременных синхроимпульсов, чем длительности полупериодов прерывания входного потока излучения, поступающего на фотоприемники 3, 4 при симметричности расположения каждого синхроимпульса в паузе видеосигнала (см. фиг. 3). При этом условии обеспечивается правильная работа фазочувствительных фиксаторов 12, 13 уровня.

Фотометр работает следующим образом (при нижнем положении подвижного контакта в переключателе 29, показанном на фиг. 1).

Входной поток излучения (см. фиг. 3, эпюра 32), проходящий через объектив 1 на фотоприемники 3, 4, последовательно прерывается и отражается обтюратором 2. Кроме того, в течение такта прерывания входного потока на приемник 3 поступает излучение от коллиматора 6, отраженное зеркальной поверхностью лопасти обтюратора 2. В течение следующего такта излучение коллиматора 6 через паз обтюратора поступает на фотоприемник 4. В результате при вращении обтюратора на выходах фотоприемников 3, 4 образуются мультиплексированные сигналы (см. эпюры 33, 34), сдвинутые по времени относительно друг друга на половину периода несущей частоты. Эти импульсные последовательности проходят через предусилители 10, 11 и фазочувствительные фиксаторы 12, 13 уровня, на выходе которых (см. эпюры 35, 36) формируются усиленные по амплитуде приращения видеоимпульсов относительно известного опорного уровня, фиксированные к постоянному, например, нулевому уровню напряжения. При этом работа нормально разомкнутых ключей 18, 19 в фиксаторах 12, 13 управляется импульсами, вырабатываемыми двухканальным датчиком 22 синхроимпульсов на первом (см. эпюру 37) и на втором (см. эпюру 38) выходах.

Выходные сигналы фиксаторов 12, 13 объединяются в сумматоре 9, с выхода которого видеосигнал (см. эпюру 39), повторяющий по форме входной поток излучения, регистрируется в блоке 27. При этом в нем вырабатывается окончательный результат измерения посредством учета известной интенсивности диафрагмированного потока излучения с коллиматора 6, соответствующей известной величине параметра, управляющего излучением источника 7 (учет опорного уровня излучения с коллиматора 6 показан на фиг. 1 штрихпунктирной линией). В другом случае интенсивность диафрагмированного излучения с коллиматора 6 может быть измерена при помощи образцового фотометра, устанавливаемого до или после обтюратора 2 (на чертеже не показано).

В предлагаемом устройстве достигается инвариантность фотометра к инфранизкочастотным шумам фотоприемников и к дрейфу предусилителей 10, 11. Для частичного устранения влияния высокочастотных шумов этих элементов служат введенные в схему фазочувствительных фиксаторов 12, 13 уровня резисторы 16, 17, образующие совместно с конденсаторами 14, 15 интегрирующие цепи, работающие как усреднители шумов в такты замыкания ключей 18, 19.

При реализации предлагаемого фотометра коллиматор 6 с управляемым источником 7 излучения может быть выполнен как с ручным, так и с автоматическим управлением, в частности, с использованием выходного сигнала сумматора 9 или вычислительно-регистрирующего блока 27 (как показано на фиг. 1 штрихпунктирной линией). Подавая через фильтр 28, имеющий низкую частоту среза, и переключатель 29, поставленный в верхнее положение, на управляющий вход источника 7 излучения в коллиматоре 6 постоянную составляющую сигнала с выхода сумматора 9 (или с блока 27), получаем автоматическую компенсацию постоянного входного потока излучения, в частности, фона. Благодаря этому достигается увеличение динамического диапазона измеряемых переменных потоков излучения, подавление постоянной фоновой засветки и повышение чувствительности прибора или преобразователя, работающего на принципе выделения оптического контраста объекта, в частности тепловизора.

При реализации коллиматора 6 в качестве источника 7 излучения может быть применено не только абсолютно черное тело, изображенное на фиг. 1, но и любой другой подходящий излучатель, например ИК-светодиод. Оптическая схема коллиматора 6 также может быть упрощена, например, за счет замены зеркала и линзы трубчатым световодом - диафрагмой.

При макетировании фотометра предусилители 10, 11 выполняли идентичными в виде усилителей переменного тока, высокоомные усилители 20, 21 - в виде повторителей постоянного напряжения, сумматор выполнен на операционном усилителе, а в качестве блока 27 использовался электронный осциллограф.

В других случаях, например в системах тепловидения, в качестве блока 27 может использоваться блок формирования полутонового изображения на основе кинескопа. Кроме того, в качестве блока 27 может быть включен цифровой вольтметр с печатью, запоминающее устройство с дисплеем и т. п.

В качестве органа, регулирующего интенсивность излучения источника 7 в коллиматоре 6, может использоваться переменное сопротивление в виде потенциометра (как показано на фиг. 1) или на основе транзистора, управляемого напряжением, подаваемым на базу или затвор транзистора. В этом случае управляющий электрод транзистора может быть непосредственно подключен к выходу фильтра 28 с получением эффекта компенсации постоянной составляющей входного потока излучения.

По сравнению с известными устройствами аналогичного назначения (прототип) предлагаемый фотометр характеризуется более высокой долговременной и температурной стабильностью работы, особенно в ИК-диапазоне, обеспечивая более высокую точность измерений. Кроме того, предлагаемое устройство может быть использовано для преобразования входного переменного потока ИК-излучения в электрический сигнал в тепловизионных приборах и системах. При этом благодаря автоматически осуществляемой компенсации постоянного или медленно изменяющегося фона обеспечивается не только высокая чувствительность преобразователя, но и широкий динамический диапазон работы тепловизора и высокое качество изображения. (56) Авторское свидетельство СССР N 1633518, кл. H 04 N 5/33, 1988.

Формула изобретения

1. ФОТОМЕТР, содержащий объектив, оптически связанный с первым фотоприемником и через расположенный наклонно к оптической оси объектива обтюратор с зеркальной передней поверхностью - с вторым фотоприемником, выходы первого и второго фотоприемников через соответствующие последовательно включенные предусилители и фиксаторы уровней подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, двухканальный датчик синхроимпульсов, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого и второго фиксаторов уровня, а вход оптически связан с обтюратором, вычислительно-регистрирующий блок, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, задняя поверхность обтюратора выполнена зеркальной и введен коллиматор с регулируемым источником излучения, расположенный на оптической оси второго фотоприемника и оптически связанный через заднюю зеркальную поверхность обтюратора с первым фотоприемником.

2. Фотометр по п. 1, отличающийся тем, что в него введен фильтр нижних частот и переключатель, подвижный контакт которого подключен к входу регулируемого источника коллиматора, выход сумматора подключен через фильтр нижних частот к первому неподвижному контакту переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с вычислительно-регистрирующим блоком.

3. Фотометр по п. 1, отличающийся тем, что в него введена диафрагма, расположенная между обтюратором и коллиматором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3