СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОВОЗВРАЩЕНИЯ
METHOD TO MEASURE PARAMETERS OF RETROREFLEXION

Заявляемый способ относится к области измерения оптических характеристик объектов, предназначен для измерения величины световозвращения и диаграммы направленности световозвращения различных материалов и световозвращающих устройств. Заявляемый способ может использоваться в различных областях техники, прежде всего, в строительной, а также в приборостроении, медицине, фармакологии, авиастроении и других отраслях.
Известно, что для измерения величины световозвращения существует стандартная методика - стандарт Е810, США (Standard Test Method for Coefficient of Retroreflaction of Retroreflective Sheeting Utilizing the Coplanar Geometry / E810-01 ASTM Standards). Терминология и обозначения, относящиеся к эффекту световозвращения, определены в стандарте Е808, США (Practice for Describing Retroreflection / E808 ASTM Standards.). Сущность которой заключается в том, что сколлимированный световой пучок излучения заданного сечения направляют на исследуемый образец под определенным углом β, называемым углом освещения, измеряют возвращенное излучение по определенным углом α, называемым углом наблюдения. Величины углов α, β в данном стандарте выбраны исходя из оценочных значений упомянутых углов при освещении дорожного знака фарами автомобиля на расстоянии 100-150 м. Аналогичный стандарт, соответственно и методика измерений, существует и в России (ГОСТ 10807). Измерение диаграмм направленности отраженного излучения указанными стандартами и ГОСТом не предусмотрено.
Известны также другие способы измерения световозвращения, как, например, способ, описанный в статье Н.В. Барышникова и В.Е. Карасика (Н.В. Барышников, В.Е. Карасик. Лабораторные исследования пространственно-частотных характеристик оптических световозвращающих систем // Вестник МГУ. Сер. Приборостроение. Спец. выпуск «Лазерные и оптико-электронные приборы и системы» - 1998, С11-15) или применение устройства, описанного в патенте RU 2202814 (Россия, G02B 23/12). В частности, аналогичная методика измерений предложена в патенте США US 6166813, который принят за прототип.
Для определения величины световозвращения краски дорожной разметки в России существует ГОСТ Р 51256-99. Согласно ГОСТ световозвращение измеряется аналогично стандарту Е810, но для других углов освещения и наблюдения.
A
A
A
A
A
A
Недостатком аналогов заявляемого способа, является невозможность разделить световозвращенную и диффузно рассеянную составляющие. Реально, рассмотренные способы измеряют сумму диффузной и световозвращенной составляющих. Рассмотрение прямой задачи - влияния диффузной составляющей индикатрисы рассеяния на диаграмму направленности световозвращающих покрытий дано в статье Т. Гросжеса (Т. Grosges. Retro-reflection of glass beads for traffic road stripe paints // Optical Materials, 2008, Vol.30, Issue 10, P.1549-1554), что подтверждает необходимость разделения указанных составляющих для увеличения точности измерений и получения дополнительной информации. При измерениях величины световозвращения R дорожных знаков величина диффузного рассеяния сравнительно мала по сравнению с реальным световозвращением. Величина R в этом случае, обычно, составляет 50…100 кд/лк/кв.м., а диффузного фона - 0.3…2 кд/лк/кв.м., т.е. доля диффузной составляющей не превышает 5%. Для потребителей продукции также не столь важно, за счет чего достигнута данная величина R, важно только, какова при этом видимость дорожного знака, дорожной разметки или другого объекта. Однако величина световозвращения дорожной разметки существенно ниже - 2…10 кд/лк/кв.м, т.е. ошибка в этом случае будет существенно больше, а, самое главное, для многих технических задач и производственных целей отличие типов рассеяния является принципиально важным. Ниже, приведен пример, поясняющий данное обстоятельство. Допустим, имеется два образца с нанесенным на них световозвращающим покрытием. При измерениях по стандарту Е810 (или при использовании способа прототипа) оба образца показали одинаковую (сравнительно маленькую) величину R. Однако, один из образцов является чисто диффузным рассеивателем - вообще не обладает световозвращающими свойствами (например, в нем отсутствуют микрошарики или другие световозвращающие элементы), а другой образец обладает реальным световозвращением с малой долей диффузной составляющей (например, высококачественное световозвращающее покрытие с сильно загрязненной поверхностью или поглощающим оптическим фильтром). Для того чтобы улучшить качество световозвращающего покрытия нужно выявить причину, по которой величина R не достаточно большая. Очевидно, что никакой дополнительной информации, используя указанные аналоги (или стандарт Е810) получить нельзя. Если при измерениях разделить диффузную и световозвращаемую составляющие, то будет ясно, что один из упомянутых образцов принципиально нельзя улучшить, так как он не обладает световозвращением, а во втором случае - необходимо уменьшить поглощение оптического излучения. Таким образом, разделение указанных составляющих (т.е. их соотношения) позволяет получить принципиально новую информацию о световозвращающем материале. Далее в тексте заявки, величину R в соответствии со стандартом Е810 за вычетом диффузного фона будем называть величиной истинного световозвращения, а возвращаемое излучение - истинным световозвращением.
A
A
Вид диаграммы направленности отраженного излучения также может быть полезен при разработке и совершенствовании световозвращающих материалов и устройств. Известно, что существует теоретический предел величины световозвращения R, связанный с шириной диаграммы направленности обратно отраженного излучения. Чем шире диаграмма направленности, тем меньше максимально возможная величина R. Таким образом, зная вид диаграммы направленности, также можно отличить высококачественное световзвращающее покрытие или устройство с загрязненной поверхностью от низкокачественного, величину световозвращения которого увеличить принципиально невозможно.
Разделение различных составляющих индикатрисы рассеяния - диффузной и направленной (зеркальной) в технике хорошо известно. Сущность метода разделения заключается в том, что функцию, аппроксимирующую диффузную составляющую индикатрисы рассеяния (ИР) в области, где заведомо известно, что нет зеркальной (направленной) составляющей ИР, экстраполируют в область зеркального отражения и определяют разность между экстраполированным значением и значением интенсивности, измеренным экспериментально. Данный метод реализован во многих изобретениях, отличающихся конструктивным исполнением, например в А.с. 1397728, СССР (Бабулевич А.Ю., Кизеветтер Д.В., Малюгин В.И. Устройство для бесконтактного определения высоты шероховатости поверхности // А.с. 1397728, СССР. - БИ. - 1988. - №19). Однако данный метод и известные устройства нельзя использовать для разделения диффузной и световозвращенной составляющих индикатрисы рассеяния по следующей причине. Максимум диффузной составляющей практически всегда совпадает с направлением зеркального отражения. Причем полуширина диффузной составляющей всегда значительно больше полуширины зеркального отражения. При малых углах освещения будут регистрироваться одновременно диффузная и световозвращенная составляющие, которые можно отделить от зеркальной составляющей, но нельзя отделить друг от друга. Угол освещения отличный от нуля (5° для стандарта Е810) в известных методиках выбран именно для снижения влияния зеркального отражения на результаты измерений. Методика разделения световозвращемой и диффузной составляющих ИР в литературе не описана.
За прототип способа принят патент США US6166813 «Ретрорефлектометр и способ измерения световозвращения материалов» ("Retroreflectometer and method for measuring retroreflectivity of materials"). Аналогично стандарту E810, сколлимированный световой пучок излучения заданного сечения направляют на исследуемый образец под определенным углом, измеряют возвращенное излучение. Однако для регистрации излучения, в отличие от аналогов, используют фотоприемную линейку, состоящую из множества фотоприемников. То есть, измерение световозвращения производится одновременно при различных углах наблюдения, а угол освещения выбирается в соответствии со стандартом и в процессе измерений не изменяется.
A
Главным недостатком прототипа, также как и рассмотренных выше аналогов, является то, что реально измеряется сумма световозвращенной и диффузной составляющих индикатрисы обратного рассеяния. Поэтому для световозвращающих материалов низкого качества невозможно определить обладает ли исследуемый рассеиватель истинным световозвращением или нет. А для материалов среднего качества использование единственного параметра R для расчета светотехнических характеристик в реальных условиях (нестандартный угол освещения и наблюдения - не 5° и 0,33° соответственно) приводит к значительной ошибке. То есть, можно считать, что отсутствие сведений о диффузной составляющей является ошибкой измерений. Вторым недостатком прототипа, также как и других способов и устройств, указанных выше, является невозможность оптимизации параметров измерительной установки для достижения максимальной угловой разрешающей способности.
Целью изобретения является увеличения точности измерений, получение дополнительных сведений о качестве световозвращателя - соотношения световозвращенной и диффузной составляющих, увеличение точности расчета светотехнических характеристик на основании измеренных параметров световозвращателя, а также определение диаграммы направленности и минимизация времени измерений.
i
i
i
i
Поставленная цель достигается тем, что выбираются углы облучения образца исходя из углов наблюдения: β=α/2, где α - угол наблюдения i-того фотоприемника, включая α=0; при регистрация излучения сканирующим по углу α фотоприемником углы β выбираются произвольно с шагом от 0,1° до 0.5°;
w
i
осуществляют измерение усредненных по различным точкам образца индикатрисы рассеяния I(α), в том числе при малых углах наблюдения - световозвращенной составляющей индикатрисы рассеяния (I(α)≈0); первое измерение производят при α=0 и β=0, производят оценку полуширины w индикатрисы рассеяния I(α) при β=0 по уровню 0,1 от максимального значения; далее - производят измерение I(α) для угла освещения β соответствующему выбранному стандарту измерений (например, 5° для стандарта Е810); если w<10°…30°, то изменяют угол освещения на ближайший к величине β=w/2 и аналогичным образом измеряют усредненную по различным участкам образца индикатрису рассеяния I(α); если w>30°, то β задают как ближайшее к 15° значение;
i
i+1
w
w
A
i
последовательно изменяют угол освещения β на β и повторяют регистрацию усредненных значений пока в диапазоне углов наблюдения от α=0 до α=2β распределение I(α) не станет двумодальным с локальным минимумом функции I(α) с величиной менее 15%-20% от величины 0.5·(I(α=0, β=0)+I(2β)), далее - определяют вид индикатрисы рассеяния относительно направления зеркального отражения I(α-2β) и аппроксимируют ее функцией f(x), где x=α-2β; если локальный минимум не наблюдается, то после выполнения измерений I(α) при β вблизи нуля, аналогично случаю w>30°, переходят на угол β, наиболее близкий к 15°;
i
m
A
m
A
A
продолжают увеличивать β, насколько это возможно технически и измерять усредненные индикатрисы рассеяния; на основании измерений определят величины интенсивности в направлении зеркального отражения I(β) и производят аппроксимацию этой функции в диапазоне от β>w/2 (или 15°) до 45° функцией I(β), вид которой выбирают исходя из вида функции I(β); далее - производят экстраполяцию I(β) в область β<w/2 и определяют величину I(β=0);
i
A
S
i
S
A
S
A
S
определяют световозвращенную и диффузную составляющие при нулевых углах освещения и наблюдения как разность: I=I(α=0, β=0)-I(β=0);. для ненулевого (стандартного) угла β вычисляют как: I=I(α=0, β=β)-f(β)·I(β);
i
A
если I(β=0)<<I(β=0), то полагают, что исследованный образец не обладает истинным световозвращением;
D
D
m
D
D
для углов освещения близких к 90° относительно нормали («скользящих») используют заявляемый способ, применяя методику для описанного выше случая для w>30°, задавая требуемые углы α, β, но проводя интерполяцию зависимостей I(β) в области β<90°-w/2-β и экстраполируя результаты в область β>90°-w/2-β.
Описание изобретения поясняется 7-ю фигурами: на фигуре 1 приведена схема экспериментальной установки, реализующей заявляемый способ, на фигурах 2-4 - экспериментально измеренные индикатрисы рассеяния при различных углах освещения для фольги с монослоем стеклянных микрошариков на поверхности, на фигуре 5 - разность между измеряемым световозвращением и величиной диффузного фона и соответствующая функция аппроксимации, на фигуре 6 - экспериментально измеренная индикатриса рассеяния монослоя стеклянных микрошариков в краске для дорожной разметки, на фигуре 7 - зависимость величиной диффузного фона от угла освещения и соответствующая функция аппроксимации.
Заявляемый способ основан на использовании свойств диффузной, зеркальной и световозвращаемой составляющих индикатрисы рассеяния: при изменении угла освещения угол наблюдения первых двух составляющих смещается в соответствии с законом отражения, а световозвращенная составляющая - всегда наблюдается при углах, близких к углу обратного отражения. Принципиальное отличие заявляемого способа от существующих методик, и в частности, от прототипа, заключается в том, что аппроксимация-экстраполяция функции распределения интенсивности отраженного излучения (индикатрисы рассеяния) производится при некоторых определенных углах освещения, которые в свою очередь, определяются параметрами индикатрисы при последовательном изменении угла освещения, начиная от нулевого значения (угла нормального падения). То есть имеет место новая последовательность действий с новым назначением - разделением диффузной и световозвращенной составляющих. На основании выявленных закономерностей, проявляющих себя в виде возможности провести аппроксимацию и экстраполяцию диффузной составляющей в область β≈0, определяется соотношение диффузной и световозвращенной составляющих, соответственно и величина истинного световозвращения. Следует отметить, что методика измерения параметра «истинное световозвращение» в литературе не описана. Поэтому можно сказать, что заявляемый способ позволяет получить принципиально новую характеристику исследуемого объекта, которую нельзя получить с использованием рассмотренных аналогов и прототипа. Таким образом, заявляется не алгоритм вычислений, не являющийся предметом изобретения, а последовательность действий - измерений, основанных на знании свойств диффузной и световозвращенной составляющих индикатрисы рассеяния, на основании которых, используя определенный алгоритм, определяют величину истинного световозвращения, а также других параметров индикатрисы, позволяющих увеличить точность измерений и вычислений светотехнических характеристик при использовании полученных результатов измерений. Измеряемая индикатриса рассеяния, по сущности, является диаграммой направленности световозвращающего образца или покрытия, также состоящей из диффузной, зеркально отраженной и световозвращенной составляющих. Вид световозвращенной составляющей может быть полезен для совершенствования технологии производства или определении качества световозвращателей.
i
i
i
i
i
i
i
Указанная последовательность действий выбрана по следующим причинам. Выбор углов облучения образца исходя из углов регистрации: β=α/2, где α - угол регистрации (наблюдения) i-того фотоприемника, включая α=0 обусловлен необходимостью измерения всех составляющих индикатрисы рассеяния в заданном направлении (фактически, при заданном α). При β=α/2 угол зеркального отражения от образца равен углу падения излучения, соответственно, фотоприемник будет регистрировать зеркально отраженную составляющую индикатрисы рассеяния. Если угол освещения β будет отличаться от указанного, то зеркальная составляющая будет измерена неправильно, т.е. будет иметь место ошибка измерения.
R
A
R
A
R
D
D
D
w
i
w
w
D
R
2
2
Существующее определение световозвращения как «излучения вблизи направления обратного отражения» не позволяет точно классифицировать различные участки индикатрисы рассеяния. Поэтому, в основу положена полуширина световозвращения w для известных различных материалов. Так, например, для пленки фирмы «3М» на основе микропризм с R≈400…500 кд/лк/м полуширина световозвращенной составляющей менее 1°, для пленок на основе шариковых отражателей - 1,5°…2°, пленок Российского производства - 1,5°…3°. Монослой стеклянных микрошариков на краске для дорожной разметки имеет w 5°…10°. Даже для отражающих покрытий с R≈1,5…2 кд/лк/м полуширина w не более 15°…17°. Следовательно, излучение, рассеянное на углы более 30° можно считать диффузным. Что касается излучения при малых углах рассеяния, то следует отметить, что для многих шероховатых поверхностей полуширина диффузной составляющей ИР w соизмерима с полушириной световозвращенной составляющей. Так, например, шероховатые поверхности стекол, полученные шлифовкой свободным абразивом различной зернистости имеют w в диапазоне 5°-10° (См. Кизеветтер Д.В., Малюгин В.И. Индикатрисы рассеяния света шероховатой поверхностью стекол // Оптико-механическая промышленность. - 1987. - №.2. - С.13-15.), а шероховатые поверхности металлов - 5°-15° (См. А.С.Топорец. Оптика шероховатой поверхности. - Л.: Машиностроение, 1988. - 191 С.). То есть, при малых углах освещения - меньше w, в частности, при углах β, соответствующих американскому и европейскому стандарту, в некоторых случаях, разделить диффузную и световозвращенную составляющую невозможно. Следовательно, прототип и упомянутые аналоги в этом случае для разделения составляющих неприменимы, поэтому может иметь место неустранимая ошибка измерений. Для устранения указанной ошибки в заявляемом способе использованы измерения при различных углах освещения, что ранее для этих целей никем не использовалось. Также поэтому, производят оценку полуширины w индикатрисы рассеяния I(α), и если w<10°…30°, то изменяют угол освещения на ближайший к величине β=w/2, а если w>30β, то β задают как ближайшее к 15° значение. Известно, что максимум диффузного рассеяния находится вблизи направления зеркального отражения. Соответственно, при изменении угла освещения, пик зеркального отражения и центр диффузного распределения смещаются на другой угол наблюдения. Если отражение от исследуемого образца таково, что присутствуют как световозвращение, так и узконаправленное диффузное отражение (или/и зеркальная составляющая), то при β=w/2 индикатриса будет иметь два максимума. Один - вблизи α=0 - обусловленный световозвращением, а другой - вблизи направления зеркального отражения. Соответственно, между ними будет локальный минимум. Уровень определения полуширины w индикатрисы рассеяния I(α) при β=0 по уровню 0,1 выбран условно, исходя из того, что при значениях больше 0,1 возрастает ошибка разделения составляющих, связанная с наличием световозвращенной составляющей. А меньшее значение может дать завышенное значение полуширины, так как при малых величинах световозвращения уровень менее 0,1 будет соответствовать диффузному фону. Естественно, что в некоторых случаях можно использовать и уровень, например, 0,05, а в некоторых - оптимальным уровнем может быть и, например, 0,2. Однако, уровень 0,1, хотя иногда и не оптимальный, но подходит для большинства случаев. Уровень локального минимума функции I(α) менее 15%-20% от величины 0.5·(I(α=0, β=0)+I(2β)) также выбран приближенно исходя из того, что, с одной стороны, локальный минимум должен быть выражен явно, т.е. должны быть явные максимумы, соответствующие различным составляющим индикатрисы (соответственно, уровень желательно задать как можно меньше), но в тоже время эта величина должна быть достижимой как в случае существенного отличия мощностей составляющих, так и в случае соизмеримых величин w и w. Указанный уровень 15%-20% также наиболее подходит для большинства световозвращающих материалов. Отсутствие локального минимума свидетельствует об отсутствии зеркального отражения и большой полуширине диффузной составляющей (или ее отсутствии). В этом случае, как уже указано выше, диффузным будем считать то излучение, которое имеет угол рассеяния выше 30°. Наличие двух пиков - двух составляющих, позволяет математически их разделить. То есть, определить долю диффузной с зеркальной составляющей и световозвращенной составляющей - величину истинного световозвращения. При отсутствии минимума разделение составляющих производится аппроксимацией части индикатрисы рассеяния в соответствии с формулой изобретения.
w
m
A
m
A
m
Но полученное таким образом значение истинного световозвращения соответствует углу освещения β, а существующие стандарты требуют определения величины световозвращения при некторых других определенных углах освещения. Поэтому на основании полученных данных необходимо вычислить величину световозвращения при стандартных углах освещения. Для этого надо определить характер изменения разделенных составляющих в зависимости от угла освещения. Следовательно, определить зависимости, обозначенные в формуле изобретения как I(β), I(β). Аппроксимация в диапазоне от β>w/2 (или 15°) до 45° обусловлена тем, что при углах более 45° становится существенным эффект смещения центра распределения диффузной составляющей от направления зеркального отражения к нормали (См. выше монографию А.С. Топорца). Соответственно, точность аппроксимации и последующей экстраполяции уменьшается. Вид функций I(β), I(β) зависит от материала и типа световозвращателя, поэтому вид функции аппроксимации выбирают исходя из вида функции I(β).
При расчете светотехнических характеристик, используя полученные сведения, имеется возможность более точно по сравнению с обычными методами расчета задать исходные данные: учесть различную угловую расходимость диффузного фона и световозвращенной составляющей индикатрисы рассеяния, соответственно - получить более точный результат. Таким образом, более точное определение характеристик рассеяния - разделение истинного световозвращения и диффузного фона позволяет увеличить точность расчета светотехнических характеристик, основываясь на использовании экспериментально измеренных данных.
S
C
S
C
C
Заявляемый способ измерений таков, что последовательное измерение индикатрис рассеяния при различных углах освещения производится только в определенном угловом диапазоне, что обусловлено специфическими свойствами индикатрис световозвращающих материалов (рассмотрено выше) и возможностью уменьшения трудозатрат и времени измерений. После проведения первых двух измерений при β=0 и стандартном угле β, дальнейший угол β выбирается исходя из параметров измеренных индикатрис. Так как в угловом интервале β<β<β непосредственное разделение составляющих невозможно, такие измерения не представляют практической ценности. Следовательно, начиная последующие измерения с угла β, сокращается полное время измерений. Так, для рассмотренных ниже образцов сокращение времени измерений составляло 30% и 50%.
Выбор шага по углу β в пределах от 0,1° до 0.5° обусловлен следующими причинами. При шаге по β менее 0,1° увеличивается время измерений, а никакой дополнительной полезной информации уменьшение шага не дает, а при шаге более 0,5° - возможно снижение точности измерений параметров высококачественных световозвращателей.
К
Д,1
Д,М
В,1
В,N
Д,1
Д,2
Д,М
Заявляемый способ был опробован на экспериментальной установке, схема которой приведена на фиг.1. Луч полупроводникового лазера 1, пройдя ограничивающую ирисовую диафрагму 2, формирующую пучок оптимального диаметра круглой формы, попадал на полупрозрачное зеркало 3. Часть излучения проходила зеркало 3, ослаблялось фильтром 8 и регистрировалось фотоприемником 10 (ФП), контролирующем мощность, излучаемую лазером, а часть излучения отражалась от зеркала 3 и попадала на исследуемый образец 4, закрепленный на подвижке 5. Излучение, отраженное от образца регистрировалось фотоприемниками 7, расположенными по дуге (ФП…ФП) и фотоприемниками 6, регистрирующими излучение вблизи направления обратного отражения (ФП…ФП). Можно считать, что фотоприемники группы 6 регистрировали преимущественно световозвращенное излучение, а группы 7 - диффузно рассеянное. Фотоприемник 11 регистрировал обратно отраженное излучение под углом α=0. Излучение, регистрируемое группой фотоприемников 6 испытывало дополнительное ослабление по сравнению с группой 7 на полупрозрачном зеркале 3 и на «глухом» зеркале 9. Следует также отметить, что расстояние от фотоприемников групп 6 и 7 до образца различное, соответственно, надо было производить отдельную калибровку каждой группы. Первый фотоприемник дуги ФП располагался под углом α=1,25°, последующие (ФП…ФП) - с интервалом 2,5°. С помощью параллельного перемещения подвижки имелась возможность усреднять измеряемые значения в различных точках образца. В качестве световозвращающих материалов были выбраны:
1. монослой стеклянных мирошариков с размерами 100-630 мкм, закрепленных прозрачным клеем на волнистой поверхности алюминиевой фольги
2. монослой стеклянных мирошариков с размерами 100-630 мкм, расположенных на поверхности краски «Дорога-М» с плотностью заполнения 30%…50%.
В первом случае, кроме световозвращаемой составляющей имело место диффузное рассеяние, обусловленное различными углами наклона волнистой поверхности. На маленьком участке поверхности отражение от такой поверхности можно было считать зеркальным, однако на всей площади образца отраженное излучение давало индикатрису рассеяния с угловой шириной порядка 10°. То есть, имелась диффузная составляющая со сравнительно маленькой полушириной. Во втором случае, кроме световозвращаемой составляющей наблюдалась диффузная составляющая индикатрисы рассеяния с широкой диаграммой направленности: от 0° до 90°. Диаметр лазерного пучка был выбран 2 мм. Усреднение осуществлялось суммированием регистрируемых значений интенсивности при параллельном перемещении образца, аналогично способу, описанному в А.С. №1397728 (См. выше).
S
A
i
A
A
S
i
S
A
S
A
S
A
i
i
2
2
2
2
Рассмотрим последовательность действий для первого образца. Был установлен угол освещения образца β=0 и измерена индикатриса рассеяния I(α) с использованием всех фотоприемников установки, в том числе и значение I(α=0) с использованием ФП для регистрации световозвращения. Пример распределения I(α), измеренного при β=0, приведен на фиг.2. Зависимости приведены в нормированном к единице виде. Оценочное значение полуширины индикатрисы рассеяния по уровню 0.1-w - приближенно 15°. Далее был установлен угол β, соответствующий стандарту (β) Е810 - 5° и была определена зависимость I(α). Последующий угол β был установлен как ближайшее к 15°/2 значение - 6,25°. Полученная индикатриса приведена на фиг.3. Видно, что максимум функции сместился в сторону зеркального отражения, т.е. имеет место диффузная составляющая с полушириной порядка 10°. При дальнейшем увеличении β у функции индикатрисы рассеяния появляется локальный минимум - фиг.4: β равно 11,25°, минимум вблизи α=12,5°. Функцию распределения интенсивности диффузного отражения можно аппроксимировать в виде суммы двух функций - П-образной функции или функции гаусса с полушириной около 7° и функции косинуса (или функции гаусса с большой полушириной). В связи с тем, что пик функции распределения диффузного рассеяния имеет «резкие границы» в рассмотренном диапазоне углов этой составляющей можно пренебречь: доля такого излучения в направлении обратного отражения пренебрежимо мала. Величина «широкой» диффузной составляющей в использованных единицах измерения аппроксимируется функцией (30…50)cos(α), т.е. функцией независящей от β. Тогда I(β=0)=30…50. Величина обратного отражения в указанных единицах составляла от 1200 до 800 единиц, в частности I(α=0, β=0)=1981. Тогда, I=I(α=0, β=0)-I(β=0)≈1950…1930, т.е., учитывая калибровочный коэффициент (1 отн. ед. ≈0.0125 кд/лк/м) приближенно 24,1 кд/лк/м. Доля диффузного излучения составляла 1,5%…2,5%. Однако эту величину невозможно было бы измерить, задав, непосредственно, β=0 или β=5° (как требуется по стандарту Е810), так как интенсивность диффузного рассеяния в несколько раз превосходила интенсивность световозвращения. Поэтому для определения величины световозвращения по американскому стандарту (R) необходимо использовать формулу для ненулевого (стандартного) угла β в соответствии с формулой изобретения: I=I(α=0, β=β)-f(β)·I(β). Для рассматриваемого образца функция f(β) была аппроксимирована константой от β. Поэтому удобно аппроксимировать непосредственно I(β). Функция I(β) была определена в соответствии с формулой изобретения как разность между измеряемой величиной световозвращения и экстраполированным значением диффузного фона, и для рассматриваемого образца представлена на фиг.5 в относительных единицах. Полученная зависимость была аппроксимирована в интервале 15°…45° полиномом 2-й степени: a+b1*β+b2*β, где a=1296.1, b1=-20.101, b2=-0,0126, т.е функцией, близкой к линейной. Учитывая, что I(α=0, β=0)=24,1 кд/лк/м, для β=5° получаем:
A
2
R=24.1·(1296.1-20.101·5-0.0126·25)/1296.1≈22.2 кд/лк/м
То есть при β=5° световозвращение составляет приближенно 92.2% от величины световозвращения при β=0° («в нуле»).
Естественно, что точность измерений рассматриваемого образца можно было бы увеличить, если, во-первых, увеличить количество усреднений по различным точкам образца: использовалось усреднение только по 3-м измерениям, а желательно - по 100, а лучше - по 1000 измерений; во-вторых, если при аппроксимации учитывать зеркальное отражение и пик диффузного распределения, то для экстраполяции можно использовать больший диапазон углов: не от 15°, а от 5°…7°. Однако целью данного примера являлось не измерение параметров образца с наибольшей точностью, а демонстрация использования заявляемой методики. Аналогично рассмотренному примеру, можно произвести измерение для других углов регистрации а, используя другие (кроме ФП 11) фотоприемники из группы 6 (фиг.1). Указанные фотоприемники должны быть расположены в соответствии с требуемым стандартом. В случае если это конструктивно невозможно: например, в случае близкого расположения ФП для европейского и американского стандартов, то следует также воспользоваться процедурой аппроксимации. Но в этом случае нужно аппроксимировать функцию истинного световозвращения как функцию угла регистрации α. Однако, в данном случае это действие является простой математической операцией, не являющейся предметом изобретения, так как представляет собой только лишь уточнение значения функции между несколькими точками - измеренными значениями, и не дает никакой принципиально новой информации.
S
S
m
m
m
m
A
i
A
i
i
S
i
S
S
A
S
A
S
A
S
A
S
2
2
2
Теперь рассмотрим последовательность действий для второго образца. Аналогично первому случаю, первоначально был установлен угол освещения образца β=0 и измерена индикатриса рассеяния I(α) с использованием всех фотоприемников установки, в том числе и значение I(α=0) с использованием ФП для регистрации световозвращения. Пример полученного распределения I(α) приведен на фиг.6. На основании измеренной зависимости (фиг.6) была оценена полуширина индикатрисы рассеяния по уровню 0.1-w: приближенное значение - более 65°. Далее был установлен угол β, соответствующий стандарту (β) Е810 - 5° и была определена зависимость I(α). Реально, для дальнейшей работы необходимо только одно значение I для угла α, также соответствующему выбранному стандарту (α=0,33°). Однако, если конструкция измерительного устройства такова, что нельзя задать требуемый угол α, то в дальнейшем будет использована вся зависимость I(α) для ее аппроксимации. Так как полуширина w оказалась более 30°, далее угол β был установлен как ближайшее к 15° значение - 16,25°, а наличие локального минимума I(α) не проверялось (в действительности - минимума не было). Была измерена усредненная зависимость I(α), угол β изменен на следующее значение и т.д. до β=45°. На основании выполненных измерений были определены величины интенсивности в направлении зеркального отражения I(β) и произведена аппроксимация зависимости линейной функцией, т.к. более точно вид функции I(β) не определить (фиг.7). Интенсивность излучения измерялась в относительных единицах. Получено следующее выражение для аппроксимации I(β) в диапазоне 15°…45°:I(β)≈I(β)=137.696-0.743β. Далее, была вычислена интенсивность, соответствующая истинной величине световозвращения при нулевых углах освещения и наблюдения как разность: I=I(α=0, β=0)-I(0=0): полученное значение - I≈272 относительных единицы. Учитывая калибровочный коэффициент (1 отн. ед.≈0.0125 кд/лк/м), получаем величину истинного световозвращения для нулевого угла - 3,4 кд/лк/м. Можно было бы также использовать аппроксимацию зависимости I(β), аналогично первому рассмотренному случаю, т.к. отличие заключалось бы только в различных коэффициентах аппроксимации. Для ненулевого (стандартного) угла β вычисляем: I=I(α=2β, β=β)-f(β)·I(β). Так как f(x)≈1, имеем: I(α≈2,5°, β=5°)≈392 отн. ед., I(β)=134 отн. ед, соответственно, 1,7 кд/лк/м. Как следует из результатов измерений, такой образец следует считать световозвращателем среднего или даже ниже среднего качества, так как доля истинного световозвращения составляет только 1/3, а на 2/3 регистрируемое в обратном направлении излучение является диффузным.
2
2
2
2
Измерения проводились также на световозвращающих пленках производства фирмы «3М» - на бесцветной пленке и на пленке синего цвета. Для бесцветной пленки было получено значение световозвращения около 77 кд/лк/м при величине диффузного фона порядка 0,5 кд/лк/м, т.е. фон составлял мене 1%, что свидетельствует о высоком качестве пленки. Для синей пленки на красной длине волны (0,65 мкм) было получено значение световозвращения порядка 5,5 кд/лк/м, что по абсолютному значению соизмеримо с величиной световозвращения второго исследованного образца. Однако величина диффузного фона при измерениях была ниже чувствительности прибора - менее 0,05 кд/лк/м. То есть, приближенно, также как и для и для бесцветной пленки «3М» - не более 1%…2%. Это означает, что заявляемая методика позволяет отличить объекты (материалы) с истинным световозвращением, но малой величиной световозвращения от световозвращателей низкого качества, в частности, от диффузных рассеивателей.
В некоторых частных случаях методика может быть упрощена. Так, например, для высококачественных световозвращающих покрытий с узким угловым пиком возвращенного излучения и диффузным фоном, аппроксимируемым функцией косинуса, разделение указанных составляющих для стандартного угла освещения 5° может быть выполнено за два измерения, а если вид индикатрисы известен априори - то и при однократном измерении индикатрисы с последующей аппроксимацией.
Таким образом, основными достоинствами заявляемого способа являются: 1. возможность отличить материалы или устройства, обладающие эффектом световозвращения, от материалов или устройств, обладающих зеркальным отражением или узконаправленным диффузным рассеянием, т.е. получение новой дополнительной информации о свойствах объекта, 2. увеличение точности измерений световозвращения за счет учета величины диффузного и отраженного излучения, 3. одновременно с измерением величины световозвращения производится измерение диаграмм направленности световозвращения.