УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Полезная модель относится к области оптических измерений, в частности к определению двунаправленной характеристики отражения материалов - коэффициента яркости, представляющего собой отношение энергетической яркости отражающей поверхности исследуемого материала к энергетической яркости совершенного рассеивателя при одинаковых угловых расположениях источника облучения и приемника излучения (Фиг. 1). Коэффициент яркости необходим при решении задач определения полей яркости эффективного излучения тел сложной формы при наличии внешних источников облучения.
Известно устройство для измерений двунаправленных отражательных характеристик материалов - гониофотометр (И.А. Непогодин, К.И. Мальчонок, Д.Т. Тиранов, В.А. Невзоров. Оптика и спектроскопия. 1966. Т. 20, вып. 4, С. 701-708). Облучение образца материала здесь осуществляется с использованием когерентных источников излучения. Недостатками устройства являются невозможность получения спектральных зависимостей отражательных характеристик, а также необходимость учета влияния поляризации излучения.
Известно устройство для измерений коэффициента яркости материалов, принятое за прототип (В.В. Витковский, А.Б. Корнилов и др. Оптический журнал. 2002 г. т. 70. №: 6 С. 27-32), которое включает источник облучения на поворотной платформе, оптическую систему облучения образца и сбора отраженного излучения на основе сферических зеркал, образец с черным экраном и приемник излучения. Основным недостатком этого устройства является ограниченность применения, связанная с:
- возможностью измерений только при одном угле отражения,
- неопределенностью гониометрической схемы поворота платформы источника облучения,
- отсутствием опоры для образца и черного экрана, из-за чего может не обеспечиваться жесткость расположения образца относительно источника облучения при его повороте.
Задачей и техническим результатом полезной модели является создание устройства измерений коэффициента яркости в инфракрасном диапазоне длин волн, позволяющего обеспечить условия параксиальности падающего и отраженного потоков излучения, упростить юстировку измерительного устройства, достичь инвариантности размеров образца от размеров телесных углов осветителя и приемника, повысить точность измерений, включая материалы с ярко выраженным пиком отражения и облегчить процедуру измерений в диапазонах углов облучения и наблюдения, измеряемых от нормали до касательной к поверхности.
Решение задачи и указанный технический результат достигаются тем, что в устройстве измерений коэффициента яркости материала в инфракрасном диапазоне длин волн, содержащем расположенные на поворотной платформе источник облучения и зеркальную оптическую систему облучения образца с обеспечением фокусировки потока, зеркальную оптическую систему сбора и фокусировки отраженного потока, приемник излучения, черный экран с образцом, источник облучения и приемник излучения выполнены с возможностью регулирования телесных углов соответственно облучающего и принимаемого потоков излучения, установлен оптический столик с черным экраном, образец расположен по центру оптического столика, поворотная платформа источника облучения с оптической системой облучения образца выполнена перемещаемой относительно центра образца в плоскости измерений.
Устройство измерений коэффициента яркости в инфракрасном диапазоне длин волн (Δλ=1-15 мкм) поясняется фиг. 1-3, на которых представлены:
На фиг. 1 - схема падающего и отраженного потоков излучения при определении коэффициента яркости материала;
на фиг. 2 - оптическая схема предлагаемого устройства,
на фиг. 3 - влияние размера отверстия приемника излучения на результат измерения
Предлагаемое устройство (Фиг. 2) содержит источник облучения 1, оптическую систему облучения образца, состоящую из сферических зеркал 2 и 4, столик 11 с черным экраном 6 для крепления на нем образца 5 (эталона), оптическую систему сбора и фокусировки отраженного потока, состоящую из сферического зеркала 7, и приемник излучения 9. Оптический столик 11 позволяет расположить и закрепить образец по центру столика, что позволит осуществлять поворот платформы с источником излучения относительно центра образца. Черный экран (6) на оптическом столике необходим для поглощения облучаемого потока, не попавшего в контур образца. Источник облучения 1 и приемник излучения 9, выполнены с возможностью регулирования телесных углов за счет отверстий 3 и 8 соответственно облучающего и принимаемого потоков излучения. Поворотная платформа 10, на которой закреплены источник облучения 1 с оптической системой облучения образца, выполнена перемещаемой относительно центра образца 5.
Обеспечение параксиальности потока облучения образца и сбора отраженного излучения в приемнике осуществляют за счет выбора геометрии расположения основных элементов оптической системы устройства при условии минимизации угла между направлением потока и основной оптической осью. Кроме того, наряду с решением проблемы параксиальности потоков рассматривалась проблема учета дифракции на малых отверстиях, решение которой осуществляется за счет регулирования отверстия 3 (Фиг. 2). Для обеспечения удаления источника от отверстия осветителя и в то же время для проецирования источника на срез отверстия устанавливается сферическое зеркало 2, что необходимо для фокусировки излучателя на срез отверстия.
Использование сферических зеркал 4, 7 в оптических системах соответственно облучения образца и сбора отраженного излучения, позволяет избежать хроматической аберрации линз, поскольку сферической аберрацией при условиях, когда потоки близки к параксиальным, можно пренебречь. Это позволяет использовать для юстировки системы в инфракрасном диапазоне юстировку, выполняемую в видимом диапазоне. В то же время наличие на зеркалах алюминиевого покрытия с высоким коэффициентом отражения 95% в ИК-области не приведет к увеличению потерь по сравнению с линзами.
Наличие на оптическом столике 11 черного экрана 6 позволяет осуществлять выбор размеров образца только из условия непревышения поперечных сечений падающих и отраженных потоков, но достаточных для формирования общепринятых оптических свойств материалов. В этом случае исчезает необходимость подбора размеров образца по характеристикам приемника.
Размещение источника облучения 1 с оптической системой облучения на поворотной платформе 10 углового перемещения относительно центра образца позволяет осуществлять процедуру измерения коэффициента яркости в широком диапазоне углов падения и наблюдения, измеряемых от нормали до касательной к поверхности.
Основным методическим аспектом измерений коэффициента яркости материалов, включая материалы с ярко выраженным пиком отражения, является учет его зависимости от  и , т.е. от характеристик измерительной аппаратуры и параметров источника. Для уменьшения этой зависимости и увеличения сигналов использовались следующие условия:
где  - угол рассеивания, определяемый средней шириной зеркального пика;
- телесный угол источника;
- телесный угол приемника.
Условия (1) при измерении диффузных покрытий реализуются без затруднений, а в случае материалов, имеющих сильно выраженный зеркальный пик или близких к идеальному зеркалу, требуют специального рассмотрения. Это обусловлено тем, что угол рассеивания для указанных покрытий определяется в процессе измерений итерационно путем многократного уменьшения телесного угла источника . В связи с этим для первоначального предварительного измерения выбирается величина , достаточная для обеспечения разрешающей способности аппаратуры. При этом для покрытий, имеющих сильно выраженную зеркальную составляющую, первое из условий (1) может не выполняться. Это связано с тем, что в области узких зеркальных пиков величины  и  будут одного порядка, а случаи приближений к идеальному зеркалу, когда , не рассматриваются. Во избежание появляющейся зависимости β от , т.е. от характеристик измерительной аппаратуры, и, соответственно, для устранения ограничений по свойствам зеркальности отражения исследуемых материалов принимается условие:
Имеющееся противоречие условия (2) со вторым соотношением условий (1) разрешается при равенстве угла измерения и угла источника (), выполнение которого приведет к определению β уже в зависимости от . Такие коэффициенты яркости β, зависимые от параметров источников, затрудняют их практическое применение, поэтому целесообразно рассмотреть возможности получения установившихся β при изменении . При этом  следует уменьшать для выполнения условия , т.к. полностью независимый коэффициент яркости для всех покрытий может быть получен только при точечном источнике (→0).
Для формирования итерационного процесса необходимо учесть сильную при узких зеркальных пиках зависимость β от , устранить которую не представляется возможным. Это обусловлено тем, что в случае идеального зеркала и идеального плоскопараллельного потока, когда коэффициент β как известно, принимает значение ∞, в выражении общей яркости появится неопределенность вида ∞⋅0. Если для зеркала эта неопределенность раскрывается точно, то для покрытий, близких к зеркальным, получается произведение больших и малых чисел. Это приведет к необходимости интегрирования с очень малым шагом при неконтролируемых погрешностях. Предварительное использование в этом случае коэффициента яркости, эквивалентного по результатам интегрирования общей яркости, позволит избежать указанных трудностей. При этом для узконаправленных источников с постоянной по всему источнику яркостью, в частности для зеркально отражающих поверхностей материалов, эквивалентно осредненный по  коэффициент яркости определится следующим соотношением:
где ρ(ψ) - коэффициент отражения поверхности зеркала, который измеряется известными методами.
Для зеркально-диффузных отражений определение аналогичного коэффициента требует отдельного рассмотрения с учетом точности результата интегрирования общей яркости.
Измерения при первоначальном источнике излучения и соответствующем телесном угле  позволят получить коэффициенты яркости в первом приближении и оценить свойства зеркальности материалов, которые последовательно будут уточняться по признакам видов поверхностей, представленных ниже.
Зеркальная. Ширина зеркального пика приблизительно соответствует , тем самым получен коэффициент яркости, соответствующий соотношению (4) при . В случае других источников () определение коэффициента яркости осуществляется путем пересчета с учетом коэффициента .
Диффузная. Средняя ширина зеркального максимума много больше , тогда зависимость  практически пропадает, но полностью она исчезнет только при совершенно диффузном покрытии (β(ψ,2π)=ρ(ψ,2π)).
Зеркально-диффузная. Последовательность измерений зависит от отношения средней ширины зеркального максимума к . Так, если его значение по предварительным оценкам находится в интервале от 2 до 10, то потребуются проверочные итерационные измерения с уменьшением угла источника. В результате могут быть получены установившиеся значения коэффициента яркости при изменении , т.е. независимые значения β с заданной точностью. В случае, когда средняя ширина зеркального максимума по отношению к  меньше 2, определение независимого коэффициента β может быть ограничено возможностями установки, и тогда потребуется более совершенная аппаратура. В связи с этим следует измерять осредненные коэффициенты яркости для конкретных источников. Имеющееся при этом увеличение потребной информации не имеет решающего значения в практическом применении, т.к. для источников типа лазера необходимы отдельные измерения, связанные, в частности, с учетом неравновесных термодинамических условий. Для фоновых источников, когда их телесные углы больше , экспериментально определенные коэффициенты яркости при этом угле реально применимы. При приближении характеристик покрытий к идеально зеркальным получить независимый β практически невозможно.
Указанные качественные признаки видов поверхностей позволяют не только оценить свойства зеркальности исследуемых материалов, но и определить практическую применимость полученных результатов измерений.
В рамках представленного устройства (Фиг. 2) измерения осуществляют следующим образом. Поток от источника облучения 1 с помощью сферического зеркала 2 попадает на регулируемое по ширине отверстие 3 и далее на сферическое зеркало 4. Сформированный зеркалом 4 поток направляется на исследуемый образец 5, расположенный на столике 11 с черным экраном 6. Отраженный от образца поток собирается сферическим зеркалом 7 на входном отверстии 8 приемника излучения 9, при этом не попавший в контур образца поток поглощается черным экраном (6). Отверстие 3 осветителя 1 и входное отверстие 8 приемника излучения 9, имеющие прямоугольную форму сечения и с очень острыми краями, расположены в фокусах соответствующих зеркал 4 и 7, поэтому угловые расхождения падающего и измеряемого потоков ( и ) определяются размерами отверстий 3, 8 и фокусным расстоянием зеркал 2 и 7:
а
а
где  - ширина отверстия 3 осветителя (=1-4 мм);
b - ширина отверстия 8 приемника (b=1-7 мм);
h - высота отверстий 3 и 8 (h=7 мм);
ƒ - фокусное расстояние зеркал 2 и 7 (ƒ=252 мм).
0
Устройство осуществляет измерение коэффициента яркости в диапазоне длин волн Δλ=l-15 мкм по углу падения при дискретных значениях углов отражения θ=θ:
где ρ- коэффициент отражения плоского зеркала (эталона) при нормальном падении потока;
0
I, I - сигналы от приемника с учетом принятых соотношений размеров образца и поперечных сечений падающего и измеряемого отраженного потоков.
ψ, β - углы падения и отражения потоков излучения (Фиг.1);
В устройстве регулировка телесных углов  и  осуществлялось через размеры отверстий а и b. Результаты влияния их на точность определения β при зеркальном отражении и правомерность принятия условия  показаны на примере лакокрасочного покрытия ЭП-140. Так, на Фиг. 3 показано влияние размера входного отверстия b приемника измерения на коэффициент яркости при зеркальном отражении в условиях постоянства размера отверстия источника излучения а. Видно, что с приближением размера отверстия приемника к размеру отверстия источника излучения точность измерений увеличивается и при равенстве а=b () достигается установившееся значение.
Таким образом, создано устройство измерений коэффициента яркости в инфракрасном диапазоне длин волн, позволяющее обеспечить условия параксиальности падающего и отраженного потоков излучения, упростить юстировку измерительного устройства, достичь инвариантности размеров образца от размеров телесных углов осветителя и приемника, повысить точность измерений, включая материалы с ярко выраженным пиком отражения и облегчить процедуру измерений в диапазонах углов облучения и наблюдения, измеряемых от нормали до касательной к поверхности.
Предлагаемое устройство обеспечивает получение полной информации о коэффициенте яркости материалов.