Измеритель распределения энергиив лучистых потоках

 

Союз Советскмк

Соцмалмстмческмк

Республик

ОП ИСАНИИ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii)845018 (61) Дополнительное к авт. сид-ву— (22) Заявлено 12.06.79 (21) 2777278/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл. э

G 01 Т 1/04

Гооударствеииый комитет (53) УДК 535.242 (088.8) Опубликовано 07.07.81. Бюллетень № 25

Дата опубликования описания 17.07.81 ло делан изобретений и .открытий (72) Авторы изобретения

Е. М. Кошеляев, Ю. П. Мацицкий, В. П. Казначеев ю- . ° fw,. . °;. и А. А. Дьяконов

uaxev,: з "f, Д" У

:! i::Р V ""„„"";;.... (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В ЛУЧИСТЫХ ПОТОКАХ

Изобретение относится к оптическим измерительным приборам и предназначено для определения параметров прямых и отраженных потоков.

Известен прибор для измерения коэффициентов диффузного отражения, например, методом интегрирующей сферы, который состоит из источника лучистой энергии, коллимирующей системы, образца, окружающей его полусферы с диффузно рассеивающим белым покрытием и неподвижного приемника лучистой энергии (1).

К недостаткам прибора относятся возможность измерения коэффициентов диффуз ного отражения с удовлетворительной точность|о только для диффузно отражающих покрытий, возможность измерения коэффициентов диффузного отражения только при одном угле падения лучей на образец (около 10 ). хотя коэффициенты полусферичес-. кого отражения шероховатых поверхностей существенно зависят от угла падения лучей на поверхность и трудность интерпретации полученных результатов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель распределения энергии в лучистых потоках, содержащий лучезащитный корпус, стол для крепления образца, приемник лучистого по5 тока и источник лучистой энергии.

Прибор имеет формирующую оптическую систему, коллимирующую лучистый поток от диффузно излучающего источника. Путем отражения от системы зеркал луч под заданным углом падения попадает на образец.

Другой системой зеркал и фокусирующих линз отраженный от образца луч подается на неподвижный приемник лучистого потока. Поворачивая последнюю систему зеркал, можно направить на приемник лучи, отраженные в главной плоскости при углах наблюдения = 5 — 80 . Направляя падающий луч под образец, можно той же системой улавливающих зеркал измерить индикатрису пропускания. Отраженный (пропущенный) на приемник луч сравнивается с

20 опорным лучом, идущим от источника через другую систему зеркал и полупрозрачное зер кало.

845018

Однако в таком приборе возможность измерения индикатрисы отражения только в одной (главной) плоскости затрудняет оценку величины полусферического коэффициента отражения (в главной плоскости лежат нормаль к поверхности и падающий луч), поляризация прямого, опорного и отраженного лучей, проходящих через систему отражающих и полупрозрачных зеркал, затрудняет интерпретацию результатов измерений, относительность метода измерения индикатрисы отражения, обусловленная сравнением отраженного от образца луча не с падающим, а с опорным, требует измерений с эталоном. Кроме того, относительно большая апертура направляющей сис темы зеркал и приемника лучистой энергии (около 5 ) затрудняет изучение тонкой структуры отраженного поля. Постоянное оптическое расстояние от приемника до образца приводит к необходимости применения высокочувствительных приемников с широким диапазоном измеряемой плотности лучистой энергии. Только такой приемниК может уловить как слабый сигнал от диффуз но отражающей черной поверхности, так и сильный сигнал от зеркально отражающего образца.

Целью изобретения является повышение точности измерений при определении распределения энергии в любой плоскости относительно исследуемого образца.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном измерителе распределения энергии в лучистых потоках, содержащей лучезащитный корпус, стол для крепления образца, приемник лучистой энергии и источник лучистой энергии, приемник и стол выполнены подвижными и имеют по две степени свободы, причем центры вращения приемника и стола совмещены, а расстояние от чувствительной поверхности приемника до центра вращения стола постоянно. Для выбора апертурного угла наблюдения отраженного (пропущенного) потока соответственно уровню отраженного сигнала и требованиям к разрешающей способности прибора изменяется оптическое расстояние от приемника до стола или диаметр диафрагмы перед приемником. Для изменения угла падения лучей на стол и ориентации плоскости поляризации падающего луча относительно отражающей поверхности стол установлен на координатнике с двумя степенями свободы. Источник лучистой энергии расположен вне прибора. При измерении угла расходимости лучистого потока источника стол сдвигается в сторону от прямого луча.

В случае измерения индикатрисы отражения (пропускания) в качестве источника удобно применить лазер, дающий высокоинтенсивный коллимированный плоско-поляризованный монохроматический луч.

Стабильность источника контролируется с

Зо

50 помощью неподвижного приемника лучистой энергии, дающего сигнал от входящего в прибор через полупрозрачное зеркало лучистого потока.

На фиг. 1 дана принципиальная схема устройства; на фиг. 2 — установка устройства на оптической скамье.

Измеритель содержит подвижный стол

1 с закрепленным на нем образцом 2, координатник 3 с двумя степенями свободы для перемещения стола 1 вокруг центра «О», расположенного на поверхности образца, подвижный приемник лучистой энергии 4, координатник 5 с двумя степенями свободы для перемещения приемника 4 вокруг той же точки «О» на поверхности образца, лучепоглощающий корпус 6 с входным отверстием 7 для ввода лучистого потока 8 от внешнего источника, например лазера и зажимное устройство 9.

Координатник 3, состоящий из узлов 10—

16, позволяет вращать стол 1 относительно точки «О». С помощью валиков 10, II, 12, вала 13 и ручки 14 осуществляется поворот стола 1 вокруг оси ХХ. Поворот стола

1 вокруг оси УУ достигается с помощью полого вала 15 и ручки 16.

Координатник 5, состоящий из узлов 17—

24, перемещает приемник 4 вокруг стола 1 по сферической поверхности с центром в точке »О». Поворот приемника 4 вокруг оси

УУ осуществляется с помощью кронштейна

17, валиков 18, 19, шкива 20 и ручки 21.

Поворот приемника 4 вокруг оси ХХ достигается вращением с помощью ручки 22 крыш ки 23 с закрепленным на ней через стойку

24 приемником 4. Поворот приемника 4 вокруг оси ХХ достигается вращением с помощью ручки 22 крышки 23, на которой закреплена стойка 24 крепления подшипника ролика 18.

Выбор необходимой разрешающей способности измерителя осуществляется изменением длины кронштейна 17 с lloMolllью вин та 25 или изменением диаметра диафрагмы 26. Винтом 27 приемник 4 в положении слева от стола 1 (показан на фиг. 1 пунктиром) устанавливается точно по оси ХХ. Для измерения интенсивности сильно расходящегося прямого луча 8 с помощью приемника 4 в положении слева от стола 1, перекрывающего луч 8, стол 1 с координатником 3 смещается вверх вдоль оси УУ. Координатник

3 скользит на подшипниках 28, закрепленных в лучепоглощающем корпусе 6. Если луч 9 слабо расходящийся и свободно проходит сквозь отверстие 29 в столе 1, то сдвигать координатник 3 вверх по оси УУ не требуется.

Для контроля стабильности луча 8 вблизи входного отверстия 7 расположено съемное полупрозрачное зеркало 30 и неподвижный приемник лучистой энергии 3f, закреп

845018 Е(о, Р ) = K - ч(1р y) / ID (1) где К вЂ” тарировочный коэффициент;

I0 — плотность падающего потока.

Возможные изменения плотности падающего потока I в процессе измерений корректируются по данным измерений неподвижного приемника 31 (2), 45 о = ч (р) 31® ы (4) Ц(В ) -плотность падающего потока измеряемая подвижным при емником 4 в момент време 0

1, (С ) -плотность падающего пото- 5О тока, измеряемая неподвиж ным приемником 31 в то же время ;

1 (Г)-плотность падающего пото3i ка, измеряемая неподвижным приемником 31 в тече55 чение времени измерения г индикатрисы. где ленные на лучепоглощающем корпусе 6 посредством кронштейна 32.

Посредством юстировочных винтов 33 измеритель 34 устанавливается на оптической скамье 35. На левом торце и сбоку корпуса 6 имеются две крышки 36 и 37 для доступа к столу 1.

Источник лучистой энергии (на чертеже не показан), например лазер, устанавли-. вается на оптической скамье 35 посредством юстировочных винтов (на чертеже не показаны).

1О

Устройство работает следующим образом

Испытуемый образец с помощью зажимного устройства 3 устанавливается на поворотном столе 1. Поворотом ручек 14, 16 координатника 3 выставляется требуемая ориентация плоско-поляризованной волны лазерного луча 8 относительно поверхности стола 1 и угол падения io. Поворотом ручек 21, 22 координатника 5 выставляется требуемый полярный и азимутальный угл ы наблюдения отраженного (пропущенного) 2О потока приемником 4. Показания приемников лучистой энергии 4 и 31 фиксируется измерительными приборами. Вращением ручки 22 координатника 5 осуществляется измерение подвижным приемником 4 индикатрисы отражения (пропускания) 3С„(9) при постоянных значениях 1„и . В показанном на фиг. 1 положении стола 1 луч 9 скользит по столу 1, т. е. угол падения i

90 и отражения нет., Когда стол 1 выставляется перпендикулярно лучу 9, то зо угол падения 1О = О. Вращением ручки 21 и фиксацией приемником 4 достигается измерение индикатрисы отражения (пропуска ния) при постоянных значениях углов i H 7.

Результаты измерения индикатрисыХ„(фр) обрабатываются по формуле

При измерении индикатрисы отражения — (пропускания) в главной плоскости I<(F ) в направлении зеркального отражения = определяется коэффициент зеркального отражения т3„(, ) — I (— р/Io) где 1ропределяется из выражения (2).

Коэффициент диффузного отражениями/ (iD) определяется путем двукратного интегрирования индикатрисы отражения (1) по полусфере над образцом в интервале углов наблюдения О 4 ф 90, азимутов 0(++360 по формулам (3) К Е а (1,=40 .) () л А (ь =40О)Ф4р (ь =МОЮ) э где o(.> и41, -результаты обработки опытных данных по индикатрисе отражения эталонного покрытия при 1. и il — поляризованной волне при К=

Ъ

= 1.0.

Работа измерителя 34 при измерении углов расходимости лучей 8.

При малых углах расходимости лучей 8 " (— эЩ -, jd qq, d + — диаметры отверстий 29 и 7 в столе и боковой стенке, I— расстояние оси УУ от подвижной крышки

23) ручкой 16 плоскость стола 1 выставляет ся перпендикулярно лучу 8, а полупрозрачное зеркало 30 убирается. При больших углах расходимости стол 1 сдвигается вверх по оси УУ.

Для увеличения разрешающей способности измерителя 34 перед приемником 4 ставится диафрагма 26 малого диаметра

d 100.Ли . В положении приемника

4 слева от оси УУ (показано на фиг. 1 пунктиром) . поворотом ручки 21 и фиксацией показаний приемника 4 и углов поворота ручки 21 проводится измерение распределения энергии в поперечном сечении луча 8. р

X(io, P ) = 3 Х,(iD,(, Р ) coS) dc ) (6)

D ((р) =,, . ® (4 ) 1 г . (5)

Значение тарировочного коэффициента ."

«к» в формулах (1,4) находится по результатам измерения на длине волны 3l. Л„ коэффициента полусферического отражения эталонного диффузного покрытия с помощью образцового прибора, например, типа ФМШ вЂ” 56М (1) — с >(iр — — 10 ) и измерений индикатрисы отражения измерителем 34 (см. фиг. 2) на длине волныЛ gy для перпендикулярно и параллельно поляризованной олны

845018 (7).

Формула изобретения

Определяются такие углы поворота ручки 21 и > F которым соответствуют значения йлотности потока, равные п0ловине от максимальныхХ(() =3K +"(0)/g Пос ле разворота с помощью винта 27 приемника 4 на угол 180 находятся аналогичные значения углов и > ", которым соответствуют значениИ + (ф 1) =д " "(О) /2 (положение приемника 4 в этом случае показано на фиг. 1 пунктиром). Значение углов расходимости луча 8 определяется из выражения

Х = 0,5 ((qa — <а) — (h4 — (,) ) Поворотом ручки 22 на угол ф координатника 5 достигается измерение угла расходимости луча 9 в различных продольных сечениях.

Измеритель распределения энергии в лучистых потоках позволяет определять распределение энергии отраженного (пропущенного) образцом поля при различных углах падения и ориентациях плоскости поляризации электромагнитной волны относительно поверхности стола. В зависимости от характеристик входящего лучистого потока возможно исследование полной картины вза имодействия с поверхностью образца неполяризованного или поляризованного, монохроматического, спектрально ограниченного или интегрального потока лучистой энергии путем измерения коэффициентов зеркального отражения, угла расходимости отраженного (пропущенного) луча, индикатрисы отражения (пропускания) в плоскостях, различным образом ориентированных относительно главной плоскости, полусферического коэффициента отражения (пропускания) после интегрирования замсренных в различных плоскостях индикатрис отражения (пропускания) и тарировки по образцовому прибору.

Экспериментальная проверка предлагаемого устройства подтвердила возможность измерения углов расходимости, индикатрис отражения и полусферических коэффициентов отражения. Тарировка проводилась на серийном приборе типа ФМШ вЂ” 56М и эталонном баритовом образце этого прибора.

В качестве источника монохроматического линейно-поляризованного лучистого потока использован лазер типа ЛГ№26, работающий на одной из длин волн: 0,63, 1,15;

3,39 мкм.

Измеритель распределения энергии в лучистых потоках, содержащий лучезащитный корпус, стол для крепления образца, приемник лучистой энергии и источник лучистой энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения точнЬсти измерений при определении распределения энергии в любой плоскости относительно исследуемого образца, указанные приемник и стол выполнены неподвижными и имеют по две степени свободы, причем центры вращения приемника и стола с в лещены, а расстояние от чувствительной н верхности приемника до центра вращения стола постоянно.

Зо Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Техническое описание прибора «Фотометр шаровой фотоэлектрический, ФМШ вЂ” 56М», прибор № 734052, Паспорт, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 205335, кл. G 01 3 1/36, 1966 (прототип).

845018

/К р у ГР

Редактор Л. Утехина

Заказ 4134/1

Составитель В. Юртаев

Техред А. Бойкас Корректор Н, Швыдкая

Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4