RU130404U1 - PHOTOMETRIC SENSOR - Google Patents

Abstract

1. Фотометрический датчик, содержащий чувствительный элемент, корригирующий фильтр, корпус и насадку - бленду для защиты от отраженного излучения, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен с возможностью изменения площади приемной части фотоприемника из условия изменения расстояния фотометрирования и дискрета угла поворота измерительного прибора, но не более площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения.2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что средство изменения площади чувствительного элемента связано со средством измерения расстояния фотометрирования.3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что площадь чувствительного элемента меньше площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения в 1,2±20% раза.1. A photometric sensor containing a sensing element, a corrective filter, a housing and a nozzle - a hood for protection from reflected radiation, characterized in that the sensitive element is configured to change the area of the receiving part of the photodetector from the condition of changing the photometric distance and the discrete rotation angle of the measuring device, but no more than the spot area of the elementary flux of light incident on it. 2. The sensor according to claim 1, characterized in that the means for changing the area of the sensitive element is connected with a means for measuring the distance of photometric measurement. The sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the area of the sensitive element is less than 1.2 ± 20% times less than the spot area of the elementary flux of incident light radiation.

Description

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при определении основных оптических характеристик светотехнической продукции, излучающей во всем оптическом диапазоне (200÷100 нм).The utility model relates to test equipment and can be used to determine the main optical characteristics of lighting products emitting in the entire optical range (200 ÷ 100 nm).

В распоряжении современного метролога имеются несколько основных методов с соответствующими средствами измерений. Для начала следует напомнить, что основной и самой важной фотометрической единицей оптических характеристик излучателей является сила света, имеющая (размерность кандела [кд]). Сила света lv не зависит от расстояния до источника, ее создающего и является векторной величиной, связанной с направлением излучения:At the disposal of a modern metrologist there are several basic methods with appropriate measuring instruments. To begin with, it should be recalled that the main and most important photometric unit of the optical characteristics of the emitters is the luminous intensity having (candela dimension [cd]). The luminous intensity lv does not depend on the distance to the source that creates it and is a vector quantity associated with the direction of radiation:

где Φ - световой поток, [лм]; Ω - телесный угол, [ср].where Φ is the luminous flux, [lm]; Ω is the solid angle, [cf.].

Интегрирование по функции поверхности, образованной векторами с длиной, пропорциональной значению силы света является одним из самых точных методов нахождения светового потока. Интегральный световой поток - это сумма всех элементарных световых потоков, заключенных в объеме фотометрического тела. Сечения фотометрического тела определенными плоскостями с осью в световом центре осветительного прибора образуют диаграммы углового распределения силы света в этих плоскостях, которые часто и помещают в спецификациях или технических условиях как оценочную характеристику пространственного распределения силы света. Пространственное распределение силы света прибора позволяет также рассчитывать другие единицы (угловые характеристики излучения, светового потока, пространственного распределения светового потока и др.) в фотометрии.Integration over the function of the surface formed by vectors with a length proportional to the value of the light intensity is one of the most accurate methods for finding the luminous flux. The integrated luminous flux is the sum of all elementary luminous fluxes enclosed in the volume of a photometric body. The cross sections of a photometric body by certain planes with an axis in the light center of the lighting device form diagrams of the angular distribution of light intensity in these planes, which are often placed in specifications or technical conditions as an estimated characteristic of the spatial distribution of light intensity. The spatial distribution of the light intensity of the device also allows you to calculate other units (angular characteristics of radiation, light flux, spatial distribution of the light flux, etc.) in photometry.

Стоит добавить, что угловые характеристики излучения являются основой для расчетов коэффициентов формы и класса светораспределения осветительных приборов [см. ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»], а также оценки работы и разработки параметров оптических систем по данным расчетов пространственного распределения светового потока. Так, например, при расчете линз обязательно учитывается пространственное распределение силы света источника (как и его геометрические размеры), излучение которого подлежит концентрировать или перераспределять в разрабатываемой оптической системе. В данном слдучае часто бывает важно значение плоского угла излучения, который отражает то или иное значение светового потока, заключенного в определяемых им границах пространственной диаграммы.It is worth adding that the angular characteristics of radiation are the basis for calculating the shape factors and the light distribution class of lighting devices [see GOST R 54350-2011 “Lighting devices. Lighting technical requirements and test methods ”], as well as evaluating the performance and development of the parameters of optical systems according to calculations of the spatial distribution of the light flux. So, for example, when calculating lenses, the spatial distribution of the light intensity of the source (as well as its geometric dimensions), the radiation of which must be concentrated or redistributed in the developed optical system, must be taken into account. In this case, the value of the plane angle of radiation, which reflects one or another value of the light flux enclosed in the boundaries of the spatial diagram defined by it, is often important.

Как следует из вышесказанного, основные фотометрические единицы - сила света и световой поток - имеют общие корни, соответственно, могут быть получены различными метрологическими приемами (как косвенными, так и прямыми измерениями). Различные методы измерений, применяются для различных типов источников света, при этом точность измерений единиц и возможность получения сопутствующих характеристик должна определятся точностью (ошибкой) их измерений. Одним из самых распространенных и традиционных является метод измерения светового потока с помощью сферического интегратора или фотометрического шара. Самый распространенный вариант измерения выполняется по схеме, подробно описанной в ГОСТ Р 54350-2011. «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»; ГОСТ 17616-82. «Лампы электрические. Методы измерения электрических и световых параметров». Другим, не менее распространенным методом измерений фотометрических характеристик, является гониофотометрический метод. Он считается самым точным, первичным по отношению к другим с точки зрения минимальных погрешностей, универсальным, потенциально самым информативным и легко сочетаемым с возможностью одновременного измерения других характеристик. Идеология этого метода состоит в том, что пространственное распределение силы света (фотометрическое тело), а также все производные фотометрические единицы, описанные выше, получаются путем измерения значения силы света при каждом определенном угле поворота источника света (осветительного прибора) относительно регистратора фототока, находящегося с ним на одной оптической оси. Таким образом выстраивается диаграмма углового распределения силы света в одной плоскости (как правило, горизонтальной). Затем, при изменении положения второго, вертикального угла положения источника, световой центр которого находится в геометрическом центре вращения относительно фотометра, измеряется диаграмма углового распределения силы света в другой плоскости, и так далее, до получения полного набора плоскостей всего фотометрического тела. По такой схеме работает гониофотометр так называемой системы фотометрирования Сγ. Существуют и используются и другие системы, где поворот в горизонтальной плоскости излучения комбинируется с изменением меридиональной координаты источника относительно фотометра. Таким образом, точность метода будет зависеть от нескольких основных условий:As follows from the foregoing, the basic photometric units - the light intensity and the light flux - have common roots, respectively, can be obtained by various metrological techniques (both indirect and direct measurements). Different measurement methods are used for different types of light sources, while the accuracy of unit measurements and the possibility of obtaining related characteristics should be determined by the accuracy (error) of their measurements. One of the most common and traditional is the method of measuring light flux using a spherical integrator or photometric ball. The most common measurement option is performed according to the scheme described in detail in GOST R 54350-2011. “Lighting devices. Lighting requirements and test methods "; GOST 17616-82. “Electric lamps. Methods of measuring electrical and light parameters. " Another, no less common method of measuring photometric characteristics is the goniophotometric method. It is considered the most accurate, primary in relation to others in terms of minimum errors, universal, potentially the most informative and easily combined with the ability to simultaneously measure other characteristics. The ideology of this method is that the spatial distribution of the light intensity (photometric body), as well as all the derived photometric units described above, are obtained by measuring the value of the light intensity at each determined angle of rotation of the light source (lighting device) relative to the photocurrent recorder located at him on one optical axis. Thus, a diagram of the angular distribution of light intensity is built in one plane (usually horizontal). Then, when changing the position of the second, vertical angle of the position of the source, the light center of which is located in the geometric center of rotation relative to the photometer, a diagram of the angular distribution of light intensity in another plane is measured, and so on, until a complete set of planes of the entire photometric body is obtained. According to this scheme, the goniophotometer of the so-called Cγ photometric system works. Other systems exist and are used where rotation in the horizontal plane of radiation is combined with a change in the meridional coordinate of the source relative to the photometer. Thus, the accuracy of the method will depend on several basic conditions:

- шага угла поворота;- step angle of rotation;

- корректно выбранного и точно измеренного расстояния фотометрирования;- correctly selected and accurately measured photometric distance;

- соответствия этих условий площади окна фотометра;- compliance of these conditions with the photometer window area;

- правильного выбора диапазона значений освещенности фотометра, лежащих в линейной зоне рабочей характеристики;- the correct choice of the range of photometer illumination values lying in the linear zone of the operating characteristic;

- уровня соответствия спектральной чувствительности фотометра функции видности спектральной чувствительности глаза V(λ).- the level of correspondence of the spectral sensitivity of the photometer to the visibility function of the spectral sensitivity of the eye V (λ).

Шаг угла поворота определяется стандартом [ГОСТ Р 54350-2011]. Однако, измеренные с таким шагом диаграммы пространственного распределения силы света оказываются слишком усредненными по соседним точкам и не могут служить качественным материалом для расчетов потока и формирования корректных данных для проектирования. Например, при шаге угла поворота не более 0,02° реальное физическое измерение силы света (силы излучения) обеспечивается при соответствующем расстоянии фотометрирования измерения около 20 м. Кроме того, для корректного измерения силы света необходимо соблюдение закона «обратных квадратов», когда значение элементарной энергии (освещенности), которую фиксирует фотометр с площадью Sф→0, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния L→∞ от источника. В этом случае освещенность площадки фотометра Е [лк] вырождается в единицу, не зависящую от расстояния, т.е. сила света lv [кд]:The pitch of the rotation angle is determined by the standard [GOST R 54350-2011]. However, the spatial distribution diagrams of the light intensity measured with this step turn out to be too averaged over neighboring points and cannot serve as quality material for calculating the flux and generating the correct design data. For example, at a step of a rotation angle of not more than 0.02 °, a real physical measurement of light intensity (radiation intensity) is provided with an appropriate measurement photometric distance of about 20 m. In addition, for the correct measurement of light intensity, the law of "inverse squares" must be observed when the value is elementary energy (illumination), which is fixed by a photometer with an area of Sph → 0, changes inversely with the square of the distance L → ∞ from the source. In this case, the illumination of the photometer site E [lx] degenerates into a unit independent of the distance, i.e. luminous intensity lv [cd]:

;

;

где i - фототок фотометра; L - расстояние до фотометра; K - коэффициент преобразования фотометра, зависящий от спектра источника излучения и степени соответствия функции видности глаза V(λ) характеристики спектральной чувствительности фотометра. При этом простой расчет геометрических размеров фотометрических трасс (длиной до 30 м) и соответствующих характеристик фотометров показывает, что заявленное физическое разрешение измерения силы света с шагом угла поворота менее 0,5° не может быть обеспечено рекомендованными Международной Комиссией по Освещению (МКО) размерами чувствительной части окна фотометрической головки (Рекомендации CIE 127-2007 диктуют применение фотодатчиков с площадью 100 мм² или диаметром 11,3 мм и стандартными значениями расстояния фотометрирования: А - 100 и В - 316 мм).where i is the photocurrent of the photometer; L is the distance to the photometer; K is the photometer conversion coefficient, depending on the spectrum of the radiation source and the degree of correspondence of the eye visibility function V (λ) of the spectral sensitivity of the photometer. At the same time, a simple calculation of the geometric dimensions of photometric traces (up to 30 m long) and the corresponding characteristics of photometers shows that the declared physical resolution of the measurement of light intensity with a pitch of less than 0.5 ° cannot be ensured by the sizes recommended by the International Commission on Lighting (CIE) parts of the window of the photometric head (Recommendations CIE 127-2007 dictate the use of photosensors with an area of 100 mm ² or a diameter of 11.3 mm and standard values for the photometric distance: A - 100 and B - 316 mm).

Таким образом, задача настоящей полезной модели сводится к дальнейшему повышению точности измерения, при этом результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в возможности измерения силы света с физическим разрешением без усреднения, в том числе, при использовании в ближнем УФ диапазоне, видимом диапазоне, ближнем ИК диапазоне длин волн.Thus, the objective of this utility model is to further improve the accuracy of measurement, while the result achieved by solving the stated problem consists in the possibility of measuring light intensity with physical resolution without averaging, including when used in the near UV range, the visible range, near infrared wavelengths.

Возможность достижения поставленного результата в заявленном фотометрическом датчике (фотометре), в частности, служащем для измерений силы света (силы излучения) и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом и содержащем чувствительный элемент, корригирующий фильтр, корпус и насадку - бленду для защиты от отраженного излучения обусловлена тем, что чувствительный элемент выполнен с возможностью изменения площади приемной части фотоприемника из условия изменения расстояния фотометрирования и дискрета угла поворота измерительного прибора, но не более площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения; например, площадь чувствительного элемента меньше площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения в 1,2±20% раза; кроме того, предусмотрена возможность связи средства изменения площади чувствительного элемента со средством измерения расстояния фотометрирования, что способствует автоматическому выбору площади чувствительного элемента в зависимости от такого расстояния.The possibility of achieving the set result in the claimed photometric sensor (photometer), in particular, used to measure light intensity (radiation intensity) and its spatial distribution by the goniophotometric method and containing a sensitive element, a corrective filter, a housing and a nozzle - a hood for protection from reflected radiation is due to that the sensitive element is configured to change the area of the receiving part of the photodetector from the condition of changing the distance of the photometry and the discrete angle of rotation a meter, but not more than the area of the elementary stream of incident light radiation spot; for example, the area of the sensitive element is less than the area of the spot of the elementary flux of incident light by 1.2 ± 20% times; In addition, it is possible to connect the means for changing the area of the sensitive element with the means for measuring the distance of photometric measurement, which contributes to the automatic selection of the area of the sensitive element depending on this distance.

Возможность достижения поставленного результата посредством заявленного датчика рассмотрим с учетом схемы измерения силы света с помощью гониофотометра (рис.1). На схеме отмечены элементарные световые потоки dф, формирующие пропорциональную освещенность на площадке фотометра. Они заключены в телесный угол, образованный плоским основанием, равным диаметру площадки фотометра, и при повороте (угловом перемещении) источника света перемещаются в соответствии с минимальным шагом угла поворота. На рис.1а можно заметить, что при одном и том же угле отклонения источника от оси измерения (повороте), фотометр 1 и фотометр 2 оказываются в разных условиях фотометрирования (условиях освещенности потоками dф0, dф1, dф2). Так, фотометр 2, находящийся на гораздо большем расстоянии L2, с каждым шагом поворота освещается разным световым потоком dф, не пересекающимся с предыдущим, не имеющим с ним разрыва и являющимся его продолжением. В то же время отсутствуют участки диаграммы, не охваченные фотометром, а следовательно, с незафиксированной силой света, как на рисунке 16, где шаг угла поворота «а» слишком велик, и фотометр 2 фиксирует только один из нескольких условных потоков dф. Подобное отсутствие особенно нежелательно при условии, что значения dф0, dф1, dф2, dф3 и т.д. не равны (а это бывает в 100% случаев - как теоретически, так и на практике), т.е. значения силы света в этих точках различны. Однако фотометр 1 при том же угле поворота практически несколько раз фиксирует одно и то же значение силы света, находясь одновременно в режиме, близком к пределу своего динамического диапазона из-за довольно большой разницы сигналов в максимуме и минимуме диаграммы. В этом случае он каждый раз интегрирует части соседних потоков, в следствии чего возникает большая ошибка в измерении как самого значения силы света в большинстве точек углов поворота, так и в следствии различных угловых характеристик по разным уровням lv и особенно светового потока. Таким образом, расстояние фотометрирования L2, при котором элементарные потоки dф0, dф1, dф2 (рис.1а) не пересекаются, является оптимальным для измерения пространственного распределения силы света данного источника излучения с минимальной ошибкой, в пределе определяемой только точностью фиксации угла поворота и погрешностью фотометра. Однако, на рис.1а представлен еще и Фотометр 3, площадь которого существенно (в девять раз) больше площади Фотометра 2. Находясь на большем, чем Фотометр 2 расстоянии, тем не менее, он также одновременно засвечен всеми потоками dф0, dф1, dф2, образующими на рис.1а суммарный поток Sdф. Таким образом, измеренная им сила света окажется результатом интегрирования элементарных потоков и ее значение будет одно, вместо девяти различных. На сноске к рисунку 1 наглядно показана разница в пятне засветки различающихся по площади Фотометров 2 и 3, указывающая на существенное различие в разрешении измерения силы света. Очевидно, что каким бы ни был малым минимальный угол поворота гониометра, он не сможет обеспечить физическое разрешение диаграммы по этому углу с фотометром такой площади.The possibility of achieving the result by means of the claimed sensor, we consider taking into account the scheme of measuring light intensity using a goniophotometer (Fig. 1). The diagram shows the elementary light fluxes df, which form a proportional illumination at the photometer site. They are enclosed in a solid angle formed by a flat base equal to the diameter of the photometer area, and when the light source is rotated (angularly displaced), it moves in accordance with the minimum pitch of the rotation angle. In Fig.1a, it can be noted that for the same angle of deviation of the source from the measurement axis (rotation), photometer 1 and photometer 2 are in different photometric conditions (lighting conditions with fluxes df0, df1, df2). So, photometer 2, located at a much greater distance L2, is illuminated with a different luminous flux df with each step of rotation, which does not intersect with the previous one, which does not have a gap with it and is its continuation. At the same time, there are no parts of the diagram that are not covered by the photometer and, therefore, with unrecorded light intensity, as in Figure 16, where the step of the angle of rotation “a” is too large, and photometer 2 captures only one of several conditional fluxes df. This absence is especially undesirable provided that the values of df0, df1, df2, df3, etc. are not equal (and this happens in 100% of cases - both theoretically and in practice), i.e. the values of the light intensity at these points are different. However, at the same angle of rotation, photometer 1 captures the same light intensity almost several times, being simultaneously in a mode close to the limit of its dynamic range due to a rather large difference in signals at the maximum and minimum of the diagram. In this case, each time it integrates parts of neighboring streams, as a result of which there is a big error in measuring both the value of the light intensity at most points of rotation angles, and as a result of different angular characteristics at different levels lv and especially the light flux. Thus, the photometric distance L2, at which the elementary fluxes df0, df1, df2 (Fig. 1a), is optimal for measuring the spatial distribution of the luminous intensity of a given radiation source with a minimum error, in the limit determined only by the accuracy of fixing the angle of rotation and the error of the photometer . However, Fig. 1a also shows Photometer 3, whose area is substantially (nine times) larger than the area of Photometer 2. Being at a greater distance than Photometer 2, nevertheless, it is also simultaneously illuminated by all streams df0, df1, df2, forming in Fig. 1a the total flow Sdf. Thus, the measured light intensity will be the result of the integration of elementary flows and its value will be one, instead of nine different. The footnote to Figure 1 clearly shows the difference in the spot of illumination of Photometers 2 and 3, differing in area, indicating a significant difference in the resolution of the measurement of light intensity. Obviously, no matter how small the minimum angle of rotation of the goniometer, it will not be able to provide physical resolution of the diagram along this angle with a photometer of such an area.

Практика измерений силы света и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом, а также расчетов светового потока при отклонении от поставленных условий даже в небольшой степени, свидетельствует о возможности получения ошибки до 20% (как правило, в большую сторону), что сравнимо с точностью измерений в сферическом интеграторе. Некорректные измерения узконаправленных источников света искажают расчеты потока в разы. Следует отметить, что метод измерения характеристик источников с помощью гониометра универсален: при соблюдении условий фотометрирования им можно пользоваться для измерений параметров любых источников - протяженных и точечных, монохромных и широкополосных, с любой неравномерностью яркости выходного отверстия, с любой формой пространственного распределения силы света (КСС) и излучающих вплоть до 4πср.The practice of measuring the luminous intensity and its spatial distribution by the goniophotometric method, as well as calculating the luminous flux when deviating from the set conditions, even to a small extent, indicates the possibility of obtaining errors of up to 20% (usually up), which is comparable with the accuracy of measurements in the spherical integrator. Incorrect measurements of narrowly directed light sources distort the flow calculations at times. It should be noted that the method of measuring the characteristics of sources using a goniometer is universal: if the photometric conditions are met, it can be used to measure the parameters of any sources - extended and point, monochrome and broadband, with any unevenness in the brightness of the outlet, with any form of spatial distribution of light intensity (KSS ) and emitting up to 4πср.

Claims (3)

1. Фотометрический датчик, содержащий чувствительный элемент, корригирующий фильтр, корпус и насадку - бленду для защиты от отраженного излучения, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен с возможностью изменения площади приемной части фотоприемника из условия изменения расстояния фотометрирования и дискрета угла поворота измерительного прибора, но не более площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения.1. A photometric sensor containing a sensing element, a corrective filter, a housing and a nozzle - a hood for protection from reflected radiation, characterized in that the sensitive element is configured to change the area of the receiving part of the photodetector from the condition of changing the photometric distance and the discrete rotation angle of the measuring device, but no more than the area of the spot of an elementary stream of light radiation incident on it. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что средство изменения площади чувствительного элемента связано со средством измерения расстояния фотометрирования.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the means for changing the area of the sensitive element is associated with a means for measuring the distance of the photometry. 3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что площадь чувствительного элемента меньше площади пятна элементарного потока падающего на него светового излучения в 1,2±20% раза.

3. The sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the area of the sensitive element is less than 1.2 ± 20% times less than the spot area of the elementary flux of incident light radiation.

Images