УСТРОЙСТВО ЮСТИРОВКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель предназначена для юстировки твердотельных источников излучения, используемых при проведении измерений в области оптической радиометрии.
Устройство может быть использовано в качестве средства юстировки твердотельных источников излучения (ТТИИ): светодиодов, лазерных диодов и осветителей на их основе при проведении радиометрических или фотометрических измерений.
В соответствии с рекомендациями Международной Комиссии по Освещению (МКО) [1], при проведении радиометрических (фотометрических) измерений светоизлучающие диоды (СИД), следует размещать таким образом, чтобы его механическая или геометрическая ось направлялась непосредственно в центр апертуры фотодетектора. При этом, поверхность детектора должна быть перпендикулярна этой оси. Измерение расстояний производится от фронтальной вершины корпуса светодиода или его механического центра. Эти рекомендации обусловлены тем, что ось симметрии пространственного распределения, иногда весьма неоднородного по различным направлениям, испускаемого светодиодом излучения, часто не совпадает с геометрической осью его корпуса и может различаться от образца к образцу. Соответственно неопределенность и воспроизводимость результатов измерений оптических характеристик светодиода в значительной степени зависит от положения светодиода относительно оптической оси измерительной системы, формируемой перпендикулярно к поверхности фотоприемника. В отношении лазерных диодов основным требованием к юстировке при проведении измерений характеристик лазерного излучения является, согласно стандартам [2-6], коаксиальность оптической оси лазерного пучка и измерительной системы. Применение широко распространенных методов юстировки источников излучения, используемых в оптической радиометрии, крайне трудоемко и не обеспечивает необходимой точности, т.к. ТТИИ имеют малые размеры и значительно отличающуюся форму вторичной оптики.
Известна система юстировки, используемая в установке предназначенной для измерения фотометрических и цветовых характеристик переносных эталонных светодиодов [7]. Система юстировки, включает: котировочный лазер, цифровую видеокамеру, блок установки приемников; блок держателя эталонных светодиодов; автоматизированную платформу линейного перемещения и персональный компьютер.
Недостатками данной системы являются то, что она при фотометрических и радиометрических измерениях оптических характеристик предназначена для юстировки только эталонных светодиодов. Кроме того, данная система не обеспечивает одновременное наблюдение за положением испытуемого эталонного светодиода во фронтальной и профильной плоскостях. При этом после завершения юстировки светодиода в одной плоскости возможно ее нарушение поле юстировки его в другой. Для проверки нужно возвращаться в исходное положение, так что при таком способе юстировки необходимый результат достигается методом последовательных приближений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению (прототип), является устройство юстировки тела накала светоизмерительной лампы (ТНСЛ) [8]. В состав устройства входят: фотометрическая скамья, два котировочных лазера с узконаправленным потоком излучения; две координатные метки, с помощью которых формируются основная и вспомогательная оптические оси; система визуализации, состоящая из двух цифровых видеокамер, подключенных к персональному компьютеру, позволяющая одновременно выводить на экран монитора персонального компьютера изображение ТНСЛ в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; держатель лампы, и держатели оптических элементов.
Основным недостатком данного устройства является то, что юстируемый объект наблюдается только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Это недостаток обусловлен тем, что данное устройство предназначено для юстировки сравнительно плоского объекта, каковым является ТНСЛ, в отличие от ТТИИ, которые могут иметь сложную форму вторичной оптики и пространственное распределение излучения, значительно отличающееся от распределения светоизмерительных ламп. Соответственно, точная установка ТТИИ на оптической оси измерительной системы возможна только при одновременном изображении в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Кроме того, отсутствие изображения в третьей плоскости также приводит к увеличению ошибки определения расстояния измерений, так как расстояние, на котором проводится измерение оптических характеристик светоизмерительных ламп, составляет не менее 500 мм, в то время как минимальное расстояние измерений усредненной силы света СИД, согласно рекомендациям [1] составляет 100 мм.
Задачей полезной модели является создание устройства для юстировки ТТИИ, позволяющего в реальном режиме времени (on-line) наблюдать результат изменения положения корпуса ТТИИ относительно реперных линий в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, привязанных к выбранной точке пространства при выполнении любого юстировочного действия. Реализация этой задачи значительно ускорит процесс юстировки и повысит качество достигнутого результата.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство юстировки ТТИИ, включающее фотометрическую скамью, состоящую из двух оптических рельсов, размещенные на ней котировочный лазер, эталонный фотоприемник и две цифровые камеры, подключенные к персональному компьютеру, содержит непрозрачный экран с отверстием диаметром 0,2-0,6 мм, и третью цифровую камеру, подключенную к персональному компьютеру, все цифровые камеры установлены таким образом, что направления наблюдения камер взаимно перпендикулярны в одной точке в пределах корпуса твердотельного источника излучения на его механической оси, совмещенной с оптической осью устройства.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами, где:
на фиг.1 показана принципиальная схема устройства;
на фиг.2 результат симметрирования корпуса СИД типа АЛ-307 относительно оптической оси устройства (ООУ): при одновременном наблюдении с помощью всех трех камер с перпендикулярных направлений:
а
- симметрирование вершины СИД относительно ООУ, наблюдение вдоль ООУ со стороны образцового фотоприемника по направлению к лазеру;
б - симметрирование СИД относительно ООУ в горизонтальной плоскости, вид сверху;
в - симметрирование СИД относительно ООУ в вертикальной плоскости, вид сбоку.
Устройство юстировки ТТИИ содержит оптический рельс 1, на котором установлен котировочный лазер 2, цифровая камера 3, ТТИИ 4, координатная метка 5, непрозрачный экран 6 с отверстием диаметром 0,2-0,6 м, цифровая камера 7, эталонный фотоприемник 8. Установленные на рельсе 1 функциональные элементы устройства юстировки ТТИИ центрируются относительно его оптической оси 9. Под углом 90 градусов к рельсу 1, устанавливают оптический рельс 10, на котором закреплена цифровая камера 11. Направление наблюдения цифровой камеры 3 обозначено поз.12, а цифровой камеры 11 - поз.13. Функциональные элементы устройства юстировки ТТИИ закреплены и юстируются относительно оптической оси устройства с помощью соответствующих держателей оптических элементов 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21.
Цифровые камеры 3, 7 и 11 подключены к персональному компьютеру 22. В процессе настройки устройства, направления наблюдения камер должны быть ориентированы в точку, внутри корпуса ТТИИ на ее механической оси, совмещенной с оптической осью 9 под прямыми углами друг к другу, и находится в вертикальных и горизонтальных плоскостях. Изображения, воспроизводимые каждой из камер, отображаются в персональном ее окне, открытом на экране монитора ПК. В качестве упомянутых в задаче, решаемой с помощью этой полезной модели, реперных линий используют виртуальные перекрестия камер, отображаемые в их персональных окнах с помощью программного обеспечения. Эти виртуальные перекрестия жестко «привязаны» к матрицам камер и меняют свою ориентацию только при изменении положения камеры.
При проведении юстировки использованы координатные метки 5 и 23. Устройство работает следующим образом. Рабочие поверхности рельсов 1 и 10 выравнивают в горизонтальной плоскости. На рельс 1 устанавливают котировочный лазер 2 и непрозрачный экран 6 с отверстием диаметром 0,2-0,6 мм, имеющий черную матовую поверхность. Включив лазер 2, с помощью линейных и угловых смещений его держателя 14 и держателя 18 экрана 6 добиваются, чтобы при перемещении экрана 6 вдоль всей длины рельса световое пятно от лазера 2 оставалось симметричным относительно центра отверстия в экране. Формируем таким образом оптическую ось 9 предлагаемого устройства. Последующая установка и юстировка других элементов на рельсы 1 и 10 будет осуществляться относительно оптической оси 9.
Затем устанавливают и юстируют относительно оптической оси 9 эталонный фотоприемник 8. После чего на рельс 1 перед фотоприемником 8 устанавливают цифровую камеру 7, таким образом, чтобы экран 6 располагался вплотную к объективу камеры 7. Центрирование объектива цифровой камеры 7 относительно оптической оси 9 проводится, при симметрировании большей по наружному диаметру оправы объектива цифровой камеры относительно диска экрана 6. После установки торца оправы объектива камеры 7 перпендикулярно оптической оси 9 юстируют линии виртуального перекрестия камеры 7 по вертикали и горизонтали, используя координатную метку 5, закрепленную на держателе 17, перекрестие которой предварительно выставлено по отвесу, а плоскость нитей его перпендикулярна оптической оси 9.
Затем на рельс 1 в зоне пересечения его с рельсом 10 устанавливают испытуемый ТТИИ 4 вершиной излучающей части в направлении камеры 7. и с помощью держателя 16 устанавливают его корпус симметрично относительно оптической оси 9. Над корпусом ТТИИ размещают острие грузика отвеса, убирают ТТИИ с рельса 1 и опускают грузик отвеса до поверхности рельса. Перемещая нить отвеса в вертикальной плоскости перпендикулярной оси 9, вводят нить отвеса в лазерный пучок по его центру, т.е. добиваются пересечения нити отвеса с оптической осью 9 устройства. После успокоения нити на поверхности рельса 1 ставят в виде креста, центр которого находится под острием грузика отвеса, метку 23. Вертикаль, соединяющая точку пересечения нити с лазерным пучком в направлении метки 23, определяет направление наблюдения 12 камеры 3, после ее установки в рабочее положение.
После этого устанавливают на рельс 10 цифровую камеру 11 и центрируют ее поле зрения относительно точки пересечения нити отвеса с оптической осью устройства, ориентируясь на светящуюся точку в месте пересечения лазерного пучка с нитью отвеса. Устанавливают центр объектива камеры 11 над поверхностью рельса 10 на расстоянии равном расстоянию светящейся точки над рабочей поверхностью рельса 1. Получают резкое изображение нити отвеса и светящейся точки на мониторе ПК в окне камеры 11. С помощью держателя 21 совмещают центр виртуального перекрестия камеры 11 со светящейся точкой и, поворачивая камеру 11 в вертикальной плоскости, устанавливают вертикальную линию ее виртуального перекрестия с нитью отвеса. Так как направление наблюдения 13 камеры 11 выбирается вдоль прямой параллельной рабочей поверхности рельса 10 под прямым углом к оптической оси 9 в точке ее пересечения с направлением наблюдения 12, то направления наблюдения камеры 11 перпендикулярно направлению наблюдения 12 и располагается в горизонтальной плоскости.
Устанавливают камеру 3 в рабочее положение, для чего с помощью регулировки объектива камеры 3. получают резкое изображение координатной метки 23 и направляющих рельса 1 на мониторе ПК 22. Поворачивая и перемещая с помощью держателя 15 камеру 3 в горизонтальной плоскости, центрируют ее поле зрения относительно вертикали 12, направленной к поверхности рельса 1 в центр метки 23. При этом центр виртуального перекрестия камеры 3, также наблюдаемого на мониторе ПК, совмещают с центром метки 23, а вертикальные линии виртуального перекрестия камеры 3 устанавливают параллельно направляющим рельса 1.
По окончании юстировки оптические оси 9, 12 и 13 будут взаимно перпендикулярны, а направления наблюдения всех трех цифровых камер будут пересекаться (сходиться) в одной точке на основной оптической оси устройства юстировки ТТИИ, в месторасположении ТТИИ 4. После чего юстируют положение ТТИИ 4, одновременно наблюдая, за его изображениями ТТИИ в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, две из которых перпендикулярны рабочим поверхностям рельсов 1 и 10, а третья параллельна их поверхности. При этом поля зрения камер центрированы относительно линий наблюдения этих камер, которые представляют собой прямоугольную систему координат, ориентированных вдоль линий пересечения вышеуказанных плоскостей. Результат окончательной юстировки ТТИИ 4, в качестве которого для примера использовался светодиод типа АЛ-307, представлен на фигуре 2. Изображения корпуса этого светодиода симметрированы относительно виртуальных линий перекрестия камер 3, 7, 11 центрированных относительно общей точки пересечения линий наблюдения этих камер. После выполнения описанных настроечных процедур, юстировка других ТТИИ сводиться к установке конкретного ТТИИ в поле зрения всех трех камер. С помощью плавных угловых и линейных его перемещений, с одновременным наблюдением за отображением ТТИИ на мониторе ПК, выполняется симметрирование изображений корпуса ТТИИ относительно виртуальных перекрестий каждой из камер, а, следовательно, и симметрирование его реального корпуса относительно оптической установки.
Предлагаемое устройство может применяться также для юстировки источников излучения других типов.
Источники информации, принятые во внимание:
1. CIE 127:2007 Technical report CIE. Measurement of LEDs. 2nd edition Publication. - Vienna, CIE Central Bureau, 2007 - 32 p.
2. ISO 11554:2006 Оптика и оптические приборы. Лазеры и относящееся к лазерам оборудование. Методы испытаний мощности, энергии и временных характеристик лазерного излучения.
3. СТБ ИСО 13694-2004. Оптика и оптические приборы. Лазеры и относящееся к лазерам оборудование. Методы испытаний распределения плотности мощности (энергии) лазерного излучения.
4. СТБ ИСО 11146-1-2006. Лазеры и относящееся к лазерам оборудование. Методы испытаний для определения ширин, углов расходимости и параметров качества пучка. Часть 1. Стигматические пучки и пучки с простым астигматизмом.
5. СТБ ИСО 11146-2-2006. Лазеры и относящееся к лазерам оборудование. Методы испытаний для определения ширин, углов расходимости и параметров качества пучка. Часть 2. Пучки с общим астигматизмом.
6. СТБ ИСО 11146-3-2006. Лазеры и относящееся к лазерам оборудование. Методы испытаний для определения ширин, углов расходимости и параметров качества пучка. Часть 3. Собственная и геометрическая классификация лазерных пучков, преобразование и методы испытаний.
7. M. Lindemann, R. Maas. Photometry and colometry of reference LEDs by using a compact goniophotometer. Journel of Metrology of India. Vol.24, №3, 2009, P. 143-152
8. Устройство юстировки тела накала светоизмерительной лампы: патент №101849, Российская федерация, MПК G02B 7/00.