УСТРОЙСТВО ЮСТИРОВКИ ТЕЛА НАКАЛА СВЕТОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛАМПЫ

Предлагаемая полезная модель предназначена для выполнения котировочных работ в области фотометрии.
Общеизвестен визуальный интуитивно-понятный способ юстировки тел накала ламп (ТНЛ) с использованием нитяных отвесов. Однако он имеет низкую точность и его использование требует больших затрат времени.
Юстировка ТНЛ с помощью диоптрийных трубок (телескопов) более точна, но и весьма трудоемка. [1]
Известно устройство для юстировки фотометрической установки с использованием He-Ne лазера. В работе [2] он используется для установки лампы в рабочее положение. В случае использования ламп с матированной изнутри колбой лампа может быть выставлена в направлении оптической оси установки с помощью лазерного луча, отраженного колбой лампы в обратном направлении. При этом юстировка лампы по вертикали в ортогональном к оптической оси установки направлении осуществляется с помощью телескопа с присущими этому способу недостатками.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению (прототип), является устройство юстировки тела накала источников света, описанное в работе [3]. В устройстве юстировки тела накала для фиксации в пространстве оптической оси пучок излучения лазера с помощью зеркал выводится на оптическую ось установки, относительно которой он центрируется с помощью котировочных подвижек, оправ зеркал, диафрагмы и автоколлимационного зеркала с перекрестьем. Далее юстировка всех оптических элементов проводится относительно оси пучка лазера, которая при определенной длине скамьи могла быть выставлена относительно ее продольной оси.
При замене источника света в пучок лазера вводилась линза и экран с рамкой. На уровне оптической оси, перпендикулярно ей, в горизонтальной плоскости устанавливались зеркало, стеклянная пластина с перекрестьем и матовый экран с перекрестьем, размещенные в оправах кронштейна-рогатки, который крепился на подвижной каретке для свободного перемещения вдоль оси скамьи и устанавливался напротив тела накала лампы. С помощью плавной подвижки, перемещающей линзу в горизонтальной плоскости, расходящийся пучок лазера направлялся то на экран, то на зеркало и другой экран, на которых можно последовательно наблюдать теневые проекции тела накала лампы. По положению этих проекций относительно краев рамки и нитей перекрестья с помощью трех угловых и трех линейных подвижек юстируется тело накала источника света.
Технические нормативные правовые акты (ТИПА), регламентирующие фотометрические измерения, требуют, чтобы плоскость нитей ТНЛ была строго перпендикулярна оптической оси фотометрической установки (ООФУ) [4; 5; 6], так как от этой плоскости ведется отсчет расстояний.
В работе [3] это требование ТИПА при юстировке ТНЛ выполнялось с помощью наблюдения за перемещением теневых проекций ТНЛ на двух экранах с перекрестиями, линии которых ориентировались по вертикали и горизонтали. Для этого ТНЛ подсвечивалось расходящимся пучком излучения He-Ne лазера с двух взаимно перпендикулярных направлений. В направлении оси ООФУ, расположенной в горизонтальной плоскости, фронтальная проекция ТНЛ наблюдалась на первом экране, центр перекрестия линий которого находился на ООФУ, а его плоскость была ортогональна этой оси. При этом светоизмерительная лампа (СИЛ) располагалась на фотометрической скамье установки так, чтобы плоскость нитей ТНЛ [4] была ориентирована в направлении фотоприемника.
Профильная проекция (вид сбоку) ТНЛ наблюдалась на втором экране, ортогональном вспомогательной оптической оси фотометрической установки (ВООФУ). Оси ООФУ и ВООФУ располагались в общей горизонтальной плоскости под прямым углом друг к другу. Целью юстировки ТНЛ было расположить световой центр ТНЛ [5] в точке пересечения указанных осей, так как от этой точки ведется отсчет расстояний от ТНЛ до фотоприемника, а плоскость нитей ТНЛ - под прямым углом к ООФУ. Юстировка ТНЛ по прототипу завершалась, когда фронтальная и профильная его проекции симметрично располагались относительно перекрестий на первом и втором экранах.
Основным недостатком прототипа является то, что юстировка ТНЛ с помощью наблюдения за положением фронтальной и профильной теневых проекций относительно нитей перекрестия, соответственно, на экранах осуществляется не одновременно. При этом после завершения юстировки НТЛ по одной проекции и юстировки его по другой, всегда нужно возвращаться в исходное положение, так как при таком способе юстировки необходимый результат достигается методом последовательных приближений. В конечном итоге, всегда будет присутствовать неопределенность в положении ТНЛ относительно ООФУ, достигнутом в результате предыдущих котировочных операций.
К недостаткам прототипа так же следует отнести сложную процедуру формирование вспомогательной оси с большой затратой времени для ее завершения и невозможность визуального наблюдения точки пересечения ООФУ и ВООФУ. Поэтому в процессе работы сложно контролировать расположение ВООФУ в нужном положении, что ставит под сомнение правильность окончательной юстировки ТНЛ и, соответственно, увеличивает погрешность измерений. К недостаткам прототипа также можно отнести большое количество элементов, входящих в состав установки, в том числе оптических, и, соответственно, механических узлов для их крепления и юстировки.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства юстировки ТНЛ свободного от указанных выше недостатков, что позволит сократить время юстировки и выполнить котировочные работы более качественно, тем самым, снизив погрешность выполняемых измерений.
Задача решается за счет того, что устройство юстировки тела накала светоизмерительной лампы, включающее фотометрическую скамью, размещенные на ней образцовый фотоприемник, образцовую или рабочую светоизмерительную лампу и источник света с узконаправленным потоком излучения, содержит второй источник света с узконаправленным потоком излучения, две плоские рамки с перекрестием, персональный компьютер и две цифровые видеокамеры, подключенные к персональному компьютеру, при этом образцовый фотоприемник, образцовая или рабочая светоизмерительная лампа, два источника света и две цифровые видеокамеры жестко закреплены в каретках и установлены на оптических рельсах фотометрической скамьи, с возможностью их плавного смещения по линейным и угловым координатам.
Принцип работы полезной модели поясняется фигурой, на которой изображена схема предлагаемого устройства. Устройство включает два источника света 1 и 2 (могут быть использованы одномодовые лазеры, лазерные диоды, лазерные модули) с узконаправленным потоком излучения 3 и 4, и двух плоских рамок с перекрестиями 5 и 6, с помощью которых формируются основная и вспомогательная оптические оси устройства 7 и 8, две цифровые видеокамеры ЦВК 9 и 10, подключенные к персональному компьютеру ПК 11, образцовый фотоприемник 12 и образцовую или рабочую светоизлучающую лампу СИЛ 13 с телом накала.
Устройство работает следующим образом. Все, отображенные на схеме, элементы надежно закреплены на каретках, установленных на оптических рельсах фотометрической скамьи (на рисунке каретки и рельсы не показаны) с возможностью их плавного смещения по линейным и угловым координатам. Источник света 1, рамка 5, образцовый фотоприемник 12 и ЦВК 10 устанавливают на первый оптический рельс устройства. Вдоль этого рельса, параллельно ему, по координате Х формируется оптическая ось 7 фотометрического устройства (ООФУ). Формирование ООФУ осуществляется следующим образом. Вначале на рельс устанавливают каретки с источником света 1 и рамкой 5. С помощью котировочных линейных и угловых смещений указанных элементов добиваются, чтобы при перемещении каретки с рамкой 5 вдоль всей длины рельса световое пятно от источника света 1 оставалось симметричным относительно центра перекрестия рамки 5. При завершении этого этапа юстировки оптическая ось ООФУ будет параллельна рельсу. Жестко закрепляют на рельсе источник света 1. Устанавливают на рельс каретку с ЦВК 10, подключенной к ПК 11, и с помощью программного обеспечения ЦВК вызывают на мониторе ПК виртуальное перекрестие камеры. С помощью котировочных линейных и угловых смещений ЦВК 10 совмещают ее виртуальное перекрестие с перекрестием рамки 5. Устанавливают на рельс каретку с фотоприемником 12 и юстируют его положение на максимум выходного сигнала. Устанавливают на рельс и жестко закрепляют вплотную к каретке приемника упор, позволяющий после снятия каретки с фотоприемником с рельса, повторно устанавливать каретку с фотоприемником 12 в прежнее положение без нарушения, достигнутых ранее, юстировок фотоприемника. Для возможности подтверждения того, что приемник после снятия и возращения его на рельс не изменил своего положения по отношению к ООФУ, на тыльной стороне приемника, обращенной к ЦВК 10, устанавливают реперную метку, совмещенную с центром виртуального перекрестия ЦВК. Для этого можно предусмотреть в конструкции узла крепления фотоприемника рамку с перекрестием с возможностью перемещения этой рамки параллельно тыльной поверхности уже отъюстированного фотоприемника и возможностью ее жесткой фиксации после того, как это перекрестие будет совмещено с виртуальным перекрестием ЦВК 10. Если снять каретку с фотоприемником 12 с рельса и установить на рельс лампу с телом накала 13, то появляется возможность симметрирования фронтальной поверхности ТНЛ относительно ООФУ.
В горизонтальной плоскости, включающей ось ООФУ, в ортогональном ей направлении (в направлении координаты Y), формируется оптическая ось ВООФУ. Для этого, на фотометрической скамье в плоскости, параллельной плоскости XY, в направлении, перпендикулярном ООФУ, устанавливают второй оптический рельс (на рисунке не показан). На этом рельсе на каретках в юстируемых оправах устанавливают источник света 2, рамка с перекрестием 6 и ЦВК 9. Источник света 2 и рамка 6 юстируются так, чтобы световое пятно от источника света оставалось симметричным относительно центра перекрестия рамки 6 при перемещении ее вдоль рельса. Процедуру формирования ВООФУ можно считать завершенной, если пучок света от источника 2 будет пересекать пучок света от источника 1 под углом в 90°. При этом, ось ВООФУ будет параллельной второму рельсу и располагаться по направлению Y в общей горизонтальной плоскости XY с ООФУ. После завершения формирования осей ООФУ и ВООФУ снимают фотоприемник вместе с его кареткой с рельса, предварительно обозначив место установки каретки на рельс упором, и устанавливают на этот рельс каретку с фотометрической лампой. С помощью котировочных механизмов, позволяющих смещать лампу по линейным координатам XYZ и угловым в плоскостях XY, XZ и YZ (координата Y направлена по вертикали) производят юстировку ТНЛ относительно ООФУ и ВООФУ. Для этого на мониторе ПК 11 создать два окна для ЦВК 9 и 10. В окне камеры 9 можно наблюдать смещение ТНЛ относительно оси ООФУ в ортогональной этой оси плоскости YZ - смещение НТЛ со стороны выходного окна лампы. В окне камеры 10 можно наблюдать смещение ТНЛ в плоскости XZ - вид ТНЛ сбоку (для ламп с непрозрачной колбой - вид лампы сбоку). Юстировку лампы считают завершенной, когда изображения ТНЛ в окнах монитора ПК 11 будут симметричными относительно перекрестий рамок 5 и 6 и, соответственно, виртуальных перекрестий ЦВК 9 и 10. Наблюдение за смещением изображения лампы с выбранных направлений осуществляется одновременно, с возможностью немедленного внесения корректировок положения лампы в пространстве. Устройство позволяет:
1 - максимально удобно, быстро и точно выставить и визуализировать оптические оси ООФУ и ВООФУ;
2 - при юстировке положения ТНЛ относительно осей ООФУ и ВООФУ одновременно наблюдать на экране монитора ПК изображение ТНЛ (для ламп с прозрачной колбой) и самой лампы (для ламп с непрозрачной колбой) с фронта (со стороны выходного окна лампы) и сбоку (в профиль). С помощью котировочных механизмов, максимально удобно, быстро и точно, симметрировать эти изображения относительно перекрестий РСП на указанных осях, которые также наблюдаются на экране ПК, и с которыми, сразу же после завершения формирования и визуализации ООФУ и ВООФУ, были совмещены виртуальные перекрестия соответствующих ЦВК.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Yoshihiro Ohno. NIST Special Publication 250-37; NIST MEASUREMENT SERVICES: PHOTOMETRIC CALIBRATIONS. Optical Technology Division National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899 Supersedes SP 250-15. Reprint with changes July 1997;
2. Handbook of applied photometry / Ed. C. De Cusatis, Optical Society of America - 1997, New York, Berlin, Heisalberg: Springer - Verlad, 463 p.
3. M.B.Михайлов. Способ юстировки протяженного источника света на фотометрической скамье. Тез. докл. 6-ой Всес. научно-техн. конф., Москва - 1986. - С.227;
4. МИ 2229-92 - методика выполнения измерений ГСИ. Лампы накаливания электрические светоизмерительные образцовые и рабочие. Методика метрологической аттестации и поверки.
5. ГОСТ 17616-82 - Лампы электрические. Методы измерения электрических и световых параметров (п.3.2.3);
6. ГОСТ 10771-82 - Лампы накаливания электрические светоизмерительные рабочие. ТУ.