УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Устройство для контроля источников излучения
Настоящая полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для определения спектральных и энергетических параметров и характеристик любых источников излучения ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов, а также цветовых параметров и характеристик источников излучения видимого диапазона.
Известен патент на полезную модель «Устройство для измерения пространственного распределения силы излучения твердотельных источников излучения» (RU 114151 U1, МПК C01J 1/00, опубл. 10.03.2012). Это устройство предназначено для измерения пространственного распределения силы света светодиодов, светодиодных осветителей и силы излучения лазерных диодов и монохромных светодиодов и содержит: гониометр, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых твердотельных источников излучения с помощью двух поворотных платформ с сертифицированными значениями углов поворота; контроллер шаговых двигателей, обеспечивающий автоматизированное управление поворотных платформ; держатель источников излучения, установленный на поворотную платформу, вращающуюся вокруг горизонтальной оси; оптическую скамью; фотометр, включающий фотометрическую головку и блок регистрации, радиометр, включающий фотодиодную головку и блок регистрации; держатель фотометрической и фотодиодной головок; систему юстировки и измерения расстояния, состоящую из двух цифровых камер, двух координатных меток, котировочный лазер, двулучевой котировочный лазер, набор калиброванных концевых мер и угольника; систему термостабилизации, состоящую из термоконтроллера, элемента Пельтье и датчика температуры; систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра и цифрового мультиметра; персональный компьютер.
В сущности, известное устройство представляет собой устройство для контроля источников излучения, содержащее оптическую скамью, устройство крепления исследуемого источника излучения, приемник оптического излучения, имеющий входное окно, устройство крепления приемника оптического излучения, блок управления и обработки информации. Приемник оптического излучения соединен с блоком управления и обработки информации, а входное окно приемника оптического излучения зафиксировано в устройстве крепления приемника оптического излучения. Устройство крепления исследуемого источника излучения и устройство крепления приемника оптического излучения установлены на оптическую скамью таким образом, что исследуемый источник излучения расположен в зоне анализа приемника оптического излучения. На оптической скамье также установлено подвижное устройство, соединенное с блоком его управления, который связан с блоком управления и обработки информации.
Это известное устройство выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Однако этот прототип имеет существенные недостатки, а именно:
- ограниченная функциональность, поскольку применяется приемник оптического излучения (комбинация фотометра и цифровых камер), который позволяет измерить только пространственное распределение силы света и только одного типа источников излучения (светодиодная продукция);
- низкая точность измерений из-за наличия набора калиброванных концевых мер и угольника;
- трудоемкий процесс сборки, обусловленный сложностью юстировки положения приемника оптического излучения из-за того, что необходимо обеспечить перпендикулярность направления излучения от исследуемого источника излучения относительно плоскости чувствительной площадки приемника оптического излучения.
Задачей настоящей полезной модели является создание нового устройства для контроля источников излучения с достижением следующего технического результата: повышение функциональности и точности с одновременным упрощением конструкции.
Поставленная задача решена за счет того, что в заявляемом устройстве имеется блок управления исследуемым источником излучения, соединенный с блоком управления и обработки информации, а устройство крепления приемника оптического излучения установлено на оптическую скамью посредством закрепления его на подвижном устройстве, причем подвижное устройство выполнено трехкоординатным, а в качестве приемника оптического излучения применен оптоволоконный спектрометр, входное окно которого образовано с помощью оптоволоконного кабеля.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что устройство для контроля источников излучения, содержащее оптическую скамью, устройство крепления исследуемого источника излучения, приемник оптического излучения, имеющий входное окно, устройство крепления приемника оптического излучения, блок управления и обработки информации, причем приемник оптического излучения соединен с блоком управления и обработки информации, а входное окно приемника оптического излучения зафиксировано в устройстве крепления приемника оптического излучения, а устройство крепления исследуемого источника излучения и устройство крепления приемника оптического излучения установлены на оптическую скамью таким образом, что исследуемый источник излучения расположен в зоне анализа приемника оптического излучения, на оптической скамье также установлено подвижное устройство, соединенное с блоком его управления, который связан с блоком управления и обработки информации, согласно настоящей полезной модели, имеется блок управления исследуемым источником излучения, соединенный с блоком управления и обработки информации, устройство крепления приемника оптического излучения установлено на оптическую скамью посредством закрепления его на подвижном устройстве, причем подвижное устройство выполнено трехкоординатным, а в качестве приемника оптического излучения применен оптоволоконный спектрометр, входное окно которого образовано с помощью оптоволоконного кабеля.
Таким образом, это заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет:
- повысить функциональность устройства за счет одновременного определения энергетических, спектральных и цветовых (для источников излучения видимого диапазона) параметров и характеристик источников излучения и благодаря использованию малогабаритного оптоволоконного спектрометра, а также возможности визуализации получаемых результатов в режиме реального времени;
- повысить точность устройства благодаря возможности оценки параметров и характеристик любых источников оптического излучения в любой точке поля их излучения при реализации трехкоординатного сканирования пространства за счет использования трехкоординатного подвижного устройства, позволяющего входному окну приемника перемещаться по трем координатам;
- упростить конструкцию за счет отсутствия необходимости юстировки положения источника излучения и приемника оптического излучения, поскольку, в отличие от известного устройства, где необходимо определить центр распределения излучения и направить его на фотометр, в заявляемом устройстве сканируется область, которую освещает источник излучения целиком.
Сущность заявляемой полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
На Фиг. 1 представлена схема устройства для контроля источников излучения.
На Фиг. 2 представлены иллюстрации к примеру: результаты измерения а) трехмерные индикатрисы излучения б) спектральная характеристика излучения в) цветовые параметры излучения.
Устройство для контроля источников излучения (Фиг. 1) содержит оптическую скамью 1, устройство 2 крепления исследуемого источника 3 излучения, приемник 4 оптического излучения, имеющий входное окно 5, устройство 6 крепления приемника оптического излучения, подвижное устройство 7, блок 8 управления подвижным устройством, блок 9 управления исследуемым источником излучения, блок 10 управления и обработки информации, блок 11 питания.
Приемник 4 оптического излучения соединен с блоком 10 управления и обработки информации. Входное окно 5 приемника 4 оптического излучения зафиксировано в устройстве 6 крепления приемника оптического излучения.
Устройство 2 крепления исследуемого источника 3 излучения и устройство 6 крепления приемника оптического излучения установлены на оптическую скамью 1 таким образом, что исследуемый источник 3 излучения расположен в зоне анализа приемника 4 оптического излучения. При этом устройство 6 крепления приемника оптического излучения установлено на оптическую скамью 1 посредством закрепления его на подвижном устройстве 7, также установленном на оптической скамье 1 и соединенным с блоком 8 управления подвижным устройством, который связан с блоком 10 управления и обработки информации.
Блок 8 управления подвижным устройством выполнен с возможностью обеспечения контроля параметров работы подвижного устройства 7.
Имеется блок 9 управления исследуемым источником 3 излучения, соединенный с блоком 10 управления и обработки информации и с блоком 11 питания.
В качестве блока 11 питания может быть применен источник LPF-40-42 с выходными параметрами 0,96 А - 42 В (данный источник питания подключается к сети 220 В). Импульс с блока 11 питания и сигнал с блока 10 управления и обработки информации поступают на цифровые входы блока 9 управления. В качестве блока 9 управления может быть применена платформа Arduino Uno, к ее цифровым выходам (выходы Широтно-Импульсной Модуляции или ШИМ) подключается исследуемый источник 3 излучения. В блоке 9 управления сигнал изменяет ширину импульса, поступившего с блока 11 питания, изменяя ширину импульсы можно подавать постоянный сигнал между минимальным и максимальным значением на исследуемый источник 3 излучения, тем самым управлять яркостью его свечения (параметрами питания исследуемого источника 3 излучения).
2
Подвижное устройство 7 выполнено трехкоординатным. В качестве него могут быть применены три моторизованных линейных транслятора 8МТ175 фирмы Standa, расположенные под углом 90° друг относительно друга и размещенные параллельно исследуемому источнику 3 излучения. Использующиеся линейные трансляторы имеют диапазон перемещения 200 мм с разрешением в 0.31 мкм, что позволяет обеспечить необходимую точность позиционирования входного окна 5 приемника 4 оптического излучения по всей области пространства 200×200 мм, в конкретном варианте исполнения.
В качестве приемника 4 оптического излучения применен оптоволоконный спектрометр, например, USBQE65000 фирмы OceanOptic, входное окно 5 которого образовано с помощью оптоволоконного кабеля.
Спектрометр позволяет определять пространственные, спектральные и цветовые (для источников излучения видимого диапазона) параметры и характеристики исследуемого источника 3 излучения в любой точке области пространства с помощью перемещения входного окна 5 приемника 4 оптического излучения по координатам этой области. Перемещение входного окна 5 по координатам производится с помощью трех моторизованных линейных трансляторов (подвижного устройства 7).
Блок 10 управления и обработки информации снабжен устройством вывода информации (на чертеже не показано), например, монитор, и выполнен с возможностью обеспечивать управление всеми элементами заявляемого устройства. Также данный блок обеспечивает представление результатов пространственного распределения излучения (трехмерные модели и двухмерные графики распределения освещенности/облученности при заданных координатах пространства), спектральной характеристики, координат цветности и строит карту цветов (для источников излучения видимого диапазона) от источников 3 излучения. В качестве блока 10 управления и обработки информации может быть применен персональный компьютер.
Заявляемое устройство применяют следующим образом.
Исследуемый источник 3 излучения закрепляют в устройстве 2 крепления на оптической скамье 1. Напротив него на расстоянии, которое зависит от типа источника и его предназначения (например, для лазера TSL-510, применяемого в оптической когерентной томографии, это расстояние должно составлять 1-5 мм; для галогенной лампы camelion KD-021, применяемой для настольного освещения, это расстояние должно составлять до 400 мм; для светодиодного источника света, применяемого в устройствах сортировки стеклобоя, это расстояние должно составлять до 300 мм) на оптическую скамью 1 устанавливают подвижное трехкоординатное устройство 7, а на нем фиксируют устройство 6 крепления приемника оптического излучения. Входное окно 5 (оптоволоконный кабель) приемника 4 оптического излучения (спектрометра) закрепляют в устройстве 6 крепления приемника оптического излучения.
Излучение от исследуемого источника 3 излучения поступает во входное окно 5, затем, пройдя по каналу передачи излучения (оптоволоконному кабелю), оно поступает на приемник 4 оптического излучения (спектрометр). Линейные трансляторы подвижного устройства 7 перемещают входное окно 5 приемника 4 оптического излучения. Данная конструкция обеспечивает корректное сканирование области, освещаемой/облучаемой исследуемым источником 3 излучения, за счет жесткого контроля расположения линейных трансляторов подвижного устройства 7 друг относительно друга и необходимой фиксации входного окна 5 приемника 4 оптического излучения.
Сканирование происходит следующим образом. С помощью линейных трансляторов подвижного устройства 7 устанавливают начальное значение координат XYZ, спектрометр посредством канала передачи излучения (оптоволоконный кабель) фиксирует спектральные и энергетические параметры излучения исследуемого источника 3 излучения для указанных значений координат. Далее один из линейных трансляторов изменяет значение координаты X и повторяется измерение спектральных и энергетических параметров излучения исследуемого источника 3 излучения для данных значений координат. После реализации полного цикла изменения координаты X другой линейный транслятор изменяет значение координаты Y и цикл измерений повторяется. Измерения производятся для всех возможных значений координат.
Посредством приемника 4 оптического излучения осуществляется снятие значений распределения освещенности/облученности от исследуемого источника 3 излучения по всей освещенной данным источником области пространства. С помощью блока 10 обработки и управления осуществляется обработка измерительных данных, поступающих с приемника 4 оптического излучения, это позволяет одновременно определять спектральные и цветовые (для источников излучения видимого диапазона) параметры источника 3 излучения и осуществлять привязку полученных значений параметров источника 3 излучения к пространственным координатам. Результаты измерения записываются, хранятся и обрабатываются в блоке 10 обработки и управления, а изображения распределения освещенности по плоской поверхности, распределения освещенности в декартовых координатах, спектра и цветовой карты (для источников излучения видимого диапазона) исследуемого источника 3 излучения, поступают на устройство (на чертеже не показано) вывода информации.
Пример.
2
В качестве примера представлены результаты исследования параметров и характеристик протяженного светодиодного источника излучения, состоящего из 66 белых светодиодов. Во время эксперимента исследуемый светодиодный источник был закреплен в устройство 2 крепления на оптической скамье 1 на расстоянии 300 мм от входного окна 5 приемника оптического излучения. Измерялось пространство 200×200 мм с шагом 10 мм. Полученные результаты энергетических и цветовых параметров представлены в виде таблице 1, а спектральные характеристики представлены в таблице 2.
Таблица 1.
Энергетические и цветовые параметры светодиодного источника
Координаты пространства, мм
Сила излучения, отн. ед.
Координаты цветности
Значения карты цветов
X
Y
Z
X
Y
Z
R
G
B
0
0
300
0,243894
1,523
1,551
1,553
255
198
187
10
0
300
0,24405
1,528
1,556
1,557
255
198
187
20
0
300
0,24424
1,515
1,543
1,544
255
198
187
30
0
300
0,244372
1,505
1,534
1,535
255
198
187
40
0
300
0,245494
1,496
1,525
1,526
255
198
187
50
0
300
0,247815
1,482
1,511
1,512
255
198
186
60
0
300
0,266945
1,462
1,493
1,494
255
199
185
70
0
300
0,322786
1,449
1,481
1,481
255
199
184
80
0
300
0,391084
1,436
1,468
1,469
255
199
183
90
0
300
0,424916
1,426
1,459
1,459
255
199
184
100
0
300
0,409702
1,42
1,453
1,453
255
199
184
110
0
300
0,351848
1,42
1,453
1,453
255
199
184
120
0
300
0,284046
1,428
1,46
1,461
255
199
184
130
0
300
0,251126
1,439
1,471
1,471
255
199
184
140
0
300
0,245575
1,453
1,484
1,485
255
199
185
150
0
300
0,24449
1,467
1,497
1,498
255
199
185
160
0
300
0,243891
1,485
1,514
1,516
255
199
185
170
0
300
0,243881
1,498
1,528
1,529
255
198
186
180
0
300
0,243818
1,512
1,54
1,542
255
198
186
190
0
300
0,243774
1,521
1,55
1,551
255
198
186
200
0
300
0,243758
1,528
1,556
1,557
255
198
186
0
10
300
0,244086
1,522
1,549
1,55
255
198
186
10
10
300
0,244119
1,51
1,537
1,539
255
199
186
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
190
190
500
0,349474
1,091
1,156
1,145
255
198
188
200
190
500
0,349426
1,103
1,166
1,154
255
199
188
0
200
500
0,349478
1,136
1,196
1,186
255
199
188
10
200
500
0,349602
1,199
1,256
1,247
255
199
188
20
200
500
0,349756
1,286
1,339
1,331
255
199
188
30
200
500
0,349929
1,36
1,408
1,403
255
198
188
40
200
500
0,350101
1,425
1,467
1,464
255
198
188
50
200
500
0,350294
1,466
1,504
1,502
255
198
188
60
200
500
0,350472
1,499
1,532
1,533
255
198
188
70
200
500
0,350626
1,523
1,554
1,555
255
198
189
80
200
500
0,350735
1,514
1,545
1,545
255
197
189
90
200
500
0,350765
1,5
1,533
1,533
255
197
189
100
200
500
0,350709
1,474
1,51
1,509
255
197
189
110
200
500
0,350571
1,449
1,487
1,485
255
197
190
120
200
500
0,350396
1,42
1,461
1,459
255
197
190
130
200
500
0,350219
1,393
1,437
1,434
255
197
190
140
200
500
0,350043
1,371
1,417
1,413
255
197
190
150
200
500
0,349862
1,345
1,394
1,389
255
198
190
160
200
500
0,349696
1,335
1,386
1,381
255
198
190
170
200
500
0,34956
1,322
1,373
1,367
255
198
188
180
200
500
0,349477
1,33
1,381
1,375
255
199
188
190
200
500
0,349437
1,328
1,379
1,373
255
199
188
200
200
500
0,349408
1,349
1,399
1,393
255
199
187
По полученным результатам (Таблица 1) можно сделать вывод, что исследуемый протяженный светодиодный источник излучения освещает равномерно и цвет его излучения является белым только в области 60×110 мм, данная область находится на расстоянии 300 мм от входного окна приемника оптического излучения. За пределами этой области яркость становится меньше, освещение - менее равномерным и излучение приобретает желтоватый оттенок.
Таблица 2.
Спектральная характеристика исследуемого светодиодного источника
Длина волны, нм
Энергетическая яркость, Вт/(м<sup>2</sup>·ср)
380,15
1409
380,41
1359,85
380,66
1376,24
380,92
1470,44
381,17
1355,76
381,43
1331,18
381,68
1466,35
381,94
1329,13
382,2
1472,49
…
…
776,09
1322,99
776,31
1290,22
776,54
1333,23
776,77
1460,2
776,99
1419,24
777,22
1363,95
777,45
1361,9
777,68
1423,34
777,9
1335,28
778,13
1427,43
778,36
1322,99
778,58
1331,18
778,81
1277,93
779,04
1351,66
779,27
1345,52
779,49
1378,28
779,72
1372,14
779,95
1320,94
780,17
1249,26
По полученным результатам (Таблица 2) можно сделать вывод, что спектральная характеристика исследуемого протяженного светодиодного источника излучения имеет два максимума, первый из которых находится в синей области (443 нм), второй - в желто-красной области (582 нм). Присутствие двух максимумов означает, что конструкция светодиодов, вошедших в протяженный светодиодный источник, содержит полупроводниковый чип нитрида галлия, который излучает в фиолетово-синем диапазоне длин волн, и люминофор, переизлучающий в желто-красном диапазоне длин волн.
С помощью заявляемого устройства можно:
- оценивать параметры и характеристики любых типов источников оптического излучения (лазерных, светодиодных, ламповых, составных источников излучения различной формы) в любой точке поля их излучения при реализации трехкоординатного сканирования пространства с шагом 1 мм за счет использования трех линейных трансляторов;
2
- одновременно определять цветовые параметры источников света в диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм и спектральные характеристики источников излучения в диапазоне длин волн от 200 нм до 1600 нм, а также оценивать равномерность освещения/облучения зоны анализа размером, например, 200×200 мм (размер зоны анализа определяется типом исследуемого источника излучения), источников излучения, применяемых в различных областях и сферах производства (например, в автоматических системах промышленного контроля и/или измерения цвета продукции) за счет использования малогабаритного оптоволоконного спектрометра;
- визуализировать получаемые параметры и характеристики исследуемых источников излучения в доступной форме и в режиме реального времени.
Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно: повышение функциональности и точности с одновременным упрощением конструкции.