Дифузний випромінювач змінної яскравості

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Останнім часом спостерігається швидкий розвиток цифрових оптико-електронних систем з багатоелементними приймачами випромінювання (БПВ) - цифрових фотоапаратів, відеокамер, web-камер, спеціалізованих камер для оптичної мікроскопії, астрономії, дистанційного зондування Землі (ДЗЗ), та ін.. Однак їх подальший розвиток в значній мірі залежить від методів та засобів вимірювання їх енергетичних характеристик.

Найважливішою особливістю вимірювання енергетичних характеристик ЦВС з БПВ являються високі вимоги до випромінювача, який повинен відповідати деяким технічним умовам [6]:

1. Випромінювач повинен забезпечувати освітлення великої кількості фоточутливих елементів БПВ з нерівномірністю не більше 1-3%.

2. Випромінювач повинен мати широкий динамічний діапазон зміни освітленості БПВ, не менше 10⁴ - без зміни спектрального складу і ступеня поляризації оптичного випромінювання.

3. Випромінювач повинен забезпечувати високе значення максимальної освітленості вхідної зіниці ЦВС або фото чутливої площадки БПВ більше 5 Вт/м².

4. Випромінювач повинен гарантувати високу повторюваність результату зі СКВ меншим 0.05.

Як показав критичний аналіз, створення випромінювача, в повній мірі задовольняючих вимогам, перекисленим в [6], являється важкою технічною задачею. Так, використання ламп розжарювання та галогенних ламп дозволяє отримувати високі яскравості, але не забезпечує виконання вимог по однорідності, лінійності та повторюваності через їх невеликий строк служби та вигорання нитки розжарювання. Застосування потужних світлодіодів не дозволяє виконати вимоги по стабільності спектрального складу і повторюваності вимірювань через їх високу чутливість до зміни температури та напруги. А установка інтегруючої сфери хоч і дозволяє досягти високої однорідності по великій площі, лінійності вихідної характеристики та повторюваності, але виконання вимог по яскравості та великому динамічному діапазону, конструктивно проблематичне.

Тому, не дивлячись на велику кількість відомих випромінювачів, зараз потрібний випромінювач змінної яскравості найбільш задовольняючий вимогам наведеним вище.

Найбільш досконалими на сьогоднішній день вважаються установки, призначені для калібрування та атестації ЦВС - дифузні випромінювачі на основі інтегруючої сфери.

Дифузні випромінювачі змінної яскравості (ДВЗЯ) на основі сполучених інтегруючих сфер [6] призначені для формування у вихідній апертурі однорідного поля яскравості значної інтенсивності і регулювання його величини з високою точністю без зміни спектральної характеристики. Враховуючи високі метрологічні характеристики ДВЗЯ, вони можуть застосовуватися у вимірювальній фотометрії, наукових дослідженнях, установках для калібрування прецизійних ЦВС, зокрема для атестації перед запуском оптико-електронних сканерів космічного базування.

Останнім часом інтерес до приладів такого типу значно підвищився у зв'язку з перспективою їх використання для вимірювання енергетичних характеристик та атестації перед запуском оптико-електронних систем дистанційного зондування Землі із космосу, що розробляються на Україні. Зокрема, гостра необхідність в наявності достатньо точного пристрою для енергетичного калібрування ЦВС постала в КП СПБ “Арсенал” м. Київ, де розробляються космічні сканери. Тому підвищення точності і покращення метрологічних характеристик є важливою, актуальною, але до кінця не вирішеною в наш час задачею.

Відомі роботи в області кульових фотометрів і дифузних випромінювачів [5, 6, 7] мають, в даному випадку, обмежене використання, що пояснюється суттєвою різницею в роботі пристроїв цього типу і традиційних випромінювачів. Зокрема, використання сполучених інтегруючих сфер, симетрична конструкція пасивного випромінювача і винесення із нього джерел випромінювання, забезпечує значно кращі умови для формування однорідного поля яскравості на виході, що, в свою чергу, зменшує вплив систематичних похибок на фотометричні характеристики ДВЗЯ. Основну роль при цьому починають грати випадкові фактори - нестабільність джерел випромінювання, зміна характеристик внутрішнього покриття інтегруючих сфер, флуктуація геометричних і фізичних параметрів конструктивних елементів, технологічні похибки і цілий ряд інших. Як показали попередні дослідження, ДВЗЯ забезпечує яскравість вихідної апертури більше ніж 10 Вт/(ср*м2 ) при величині останньої не менше 0.2 м нерівномірності поля яскравості не більше 0.5%. Динамічний діапазон таких випромінювачів складає 104-105, а нелінійність характеристики яскравості на виході не перевищує 0.5%.

Однак, для реалізації високих потенційних можливостей таких систем, їх практичного використання для калібрування вітчизняних космічних сканерів, проектування і подальший розвиток закладає гостру необхідність у проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, розробки практичних рекомендацій по конструюванню, підбору елементної бази і метрологічного забезпечення. Матеріали наукових публікацій по ДВЗЯ та ДВ, що служили опорою при написанні дипломного проекту подані в [6, 7, 8, 9]. Установка призначена для лабораторної роботи. Відповідно застосовуються вимоги до точності та функціональності.

Розробка установки мас навчально-дослідницький характер тому виробництво складових установки буде одиничне, з метою тестування зразка.

Результати роботи передбачається використати при розробці вітчизняних установок для вимірювання енергетичних характеристик та калібрування оптико-електронних пристроїв космічного базування, що розробляються в Україні, в тому числі вКП СПБ “Арсенал”, а також можуть бути використані для калібрування прецизійних цифрових відеосистем широкого класу.

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ТА ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ВІДОМИХ СХЕМ ТА КОНСТРУКТОРСЬКИХ РІШЕНЬ

1.1 Дифузні випромінювачі та їх застосування

Основне призначення дифузного випромінювача - це просторове інтегрування енергетичного потоку. Завдяки інтегруючим властивостям фотометричної кулі було розроблено джерело з високо рівномірним розподілом яскравості по апертурі.

Дифузні випромінювачі (ДВ) на основі інтегруючої сфери (ІС) знайшли широке застосування при вимірі енергетичних характеристик БПВ й пристроїв на їхній основі: цифрових фотоапаратів, відеокамер, web-камер, спеціалізованих камер для оптичної мікроскопії, астрономії, дистанційного зондування Землі (ДЗЗ), та ін. Однак, установка інтегруючої сфери хоч і дозволяє досягти високої однорідності по великій площі, лінійності вихідної характеристики та повторюваності, але виконання вимог по яскравості та великому динамічному діапазону, конструктивно проблематичне.

Найбільш досконалими на сьогоднішній день вважаються установки, призначені для калібрування та атестації ЦВС - дифузні випромінювачі на основі інтегруючої сфери.

Дифузні випромінювачі змінної яскравості (ДВЗЯ) на основі сполучених інтегруючих сфер [6] призначені для формування у вихідній апертурі однорідного поля яскравості значної інтенсивності і регулювання його величини з високою точністю без зміни спектральної характеристики. Враховуючи високі метрологічні характеристики ДВЗЯ, вони можуть застосовуватися у вимірювальній фотометрії, наукових дослідженнях, установках для калібрування прецизійних ЦВС, зокрема для атестації перед запуском оптико-електронних сканерів космічного базування.

Останнім часом інтерес до приладів такого типу значно підвищився у зв'язку з перспективою їх використання для вимірювання енергетичних характеристик та атестації перед запуском оптико-електронних систем дистанційного зондування Землі із космосу.

1.2 Головні елементи, параметри та характеристики сфери

1.2.1 Конструктивні параметри сфери

Для аналізу енергетичних характеристик ДВЗЯвикористовуються наступні, виправдані конструктивними міркуваннями та застосуванням в аналогічних системах параметри:

1. Відносний отвір ДВЗЯ, де - діаметреквівалентного отворуввторинній сфері, площакотрогорівнасуміплощ вихідної апертуриівсіх калібровочних діафрагм:

2. Енергетичний параметр випромінювачаР, рівний сумарній площі калібровочних діафрагмдоплощі вихідної апертури:

3. Кількість первинних випромінювачівN₁;

4. Відносний отвір первинного випромінювачаG₁, рівний відношенню максимального діаметра калібровочної діафрагмидо діаметра первинної сфери ().

5. Коефіцієнт заповнення випромінювачів первинної сфери К_З ().

6. Величина потоку, що випромінює одне ДВ ;

7. Покриття первинної і вторинної інтегруючої сфери с

8. Діаметр вихідної апертури.

Під час розробки інтегруючої сфери орієнтуються на вимоги щодо максимального динамічного діапазону яскравості, діаметра вихідної апертури та нерівномірності яскравісного поля, що формується на виході ДВЗЯ.

Діаметр вихідної апертури повинен бути на 15…20% більше діаметра вхідної зіниці ЦВС, яку калібрують. Діаметри інтегруючих сфер обираються з умови, що розумне збільшення діаметра сфери при незмінному діаметрі вихідної апертури поліпшує інтегруючі властивості випромінювача. Найменшим значенням приймається значення , а найбільшим - . Із цих же міркувань обирається й максимальний діаметр каліброваних діафрагм.

1.2.2 Дифузні відбиваючі покриття

Дифузне відбиваюче покриття має відповідати наступним вимогам:

- дифузні властивості;

- постійна відбиваюча властивість для як можна ширшої ділянки спектру;

- температурна та механічна стабільність.

Розглянемо деякі найперспективніші та найефективніші покриття виконані з традиційних та нових матеріалів.

Рис. 1.1 Спектральні характеристики внутрішніх покриттів інтегруючої сфери (традиційні матеріали)



Рис. 1.2 Спектральні характеристики внутрішніх покриттів інтегруючої сфери (нові матеріали)

Характеристики деяких матеріалів приведено в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1

Spectralon (Labsphere)
Клас	Матеріал
Спектральний діапазон	250-2500 нм
Відбиття 99%	400-1500 нм
Відбиття 95%	250-2500 нм
Температурна стабільність	Вище 400? С
Вакуумна стабільність	Ніяких газовиділень
Граничий опір лазерному випромінюванню	4 Дж/см2
Встановлення	Монтування блоками
Spectraflect (Labsphere)
Клас	Покриття
Спектральний діапазон	300-2400 нм
Відбиття 96-98%	Середнє 600 нм
Температурна стабільність	до 100?С
Вакуумна стабільність	Низьке газовиділення у високому вакуумі
Граничий опір лазерному випромінюванню	17 Дж/см2
Встановлення	Нанесення розпиленням
Duraflect (Labsphere)
Клас	Покриття
Спектральний діапазон	350-1200 нм
Відбиття 94-96%	Середнє 600 нм
Температурна стабільність	80? С
Вакуумна стабільність	Газовиділення при 120?С
Водопроникність	Водонепроникний
Граничий опір лазерному випромінюванню	Відсутній
Встановлення	Нанесення розпиленням
Infragold(Labsphere)
Клас	Покриття
Спектральний діапазон	0.7-20 мкм
Відбиття 94-95%	1-16 мкм
Вакуумна стабільність	Ніяких газовиділень
Граничий опір лазерному випромінюванню	19.3 Дж/см2, середнє 10.6 мкм
Встановлення	електрохімічне нанесення

1.2.3 Джерела випромінювання

Найбільш доцільними джерелами випромінювання для ДВ вважають малогабаритні галогенні лампи. Ці лампи забезпечують суцільний спектр випромінювання, який не має окремих ліній випромінювання, а також тимчасової нестабільності при використанні з блоком живлення змінного струму.

В таблиці 1.2. приведено список ГЛ, відібраних автором цього проекту, якнайбільш доцільних для використання в даному приладі.

Таблиця1.2

Найм.	Потужн., Вт	Напр., В	Світловий потік, Лм	Строк служби, год.	Габарити	Тип цоколя
					L	D	H
Philips Capsule Line Pro	100	12	2200	4000	44	12	30	GY6.35
Philips MASTER Caps	60	12	1700	4000	44	12	30	GY6.35
Philips Clickline	60	230	820	2000	44.8	12.78	21.1	G9
Philips MASTER Line TC	60	12	1600	5000	85	14	53	G8.5
Philips MV Capsule 2yr	60	12	790	2000	44.8	12.78	21.7	G9
Philips EcoHalo ClickLine	53	230	850	2000	44.8	12.78	21.7	G9
Philips Capsule line	50	12	800	1500	44	12	30	GY6.35
Philips Capsule Line Pro мат/прозр	50	12	950	4000	44	12	30	GY6.35
Philips Halogen Capsule 4yr	50	12	880	4000	44	12	30	GY6.35
Philips MASTER Line TC	45	12	1100	5000	85	14	53	G8.5
Philips MASTER Caps	30	12	750	4000	44	12	30	GY6.35
Philips Clickline	25	230	490	2000	44.8	12.78	21.1	G9
Philips Halogen Capsule 4yr	20	12	310	4000	32	8.5	22	G4
Philips Capsule line	20	12	310	3000	32	9	22	G4
КГМ 6-20-1	20	6	310	1500	31	8	-	G4
КГМ 12-20-1	20	12	350	2000	33	10	-	G4
КГМ 6-25	25	6	510	100	30	9	-	G4
КГМ 6-25-1	25	6	350	1500	31	8	-	G4
КГМ 12-50-2	50	12	1000	2000	44	12	-	G6.35
КГМ 12-65	65	12	1000	2000	44	12	-	G6.35
КГМ 12-100-7	100	12	2000	2000	44	12	-	G6.35
КГМ 12-100-5	100	12	2500	2000	44	12.5	-	G6.35
КГМ 30-300-2	300	30	35*	55	55	15	36	G6.35
КГМ 36-500*	500	36	18130	50	60	18	36	GY6.35

* - габаритна яскравість, 19х106 кд/мІ

Як перспективні джерела випромінювання в даному приладі в майбутньому можуть використовуватися над яскраві світло діоди високої потужності та лампи на їх основі. Їх позитивною характеристикою є низьке тепловиділення, малі габарити. Але невисока стабільність і значно менший, порівняно з галогенними лампами потік випромінювання, ускладнює їх використання при проведенні вимірювань, що потребують значної оптичної потужності.

В майбутньому з покращенням метрологічних характеристик їх застосування буде доцільним.

1.2.4 Розміщення джерел випромінювання

Кількість джерел випромінювання в первинній сфері визначається коефіцієнтом заповнення k_зякі в ДВ середніх розмірів (від 0.25 до 1.5 м) приймає значення від 0.015 до 0.025 шт/мм.



1.2.5 Нерівномірність яскравісного поля

Однією з основних характеристик ДВЗЯ є нерівномірність розподілю яскравості в площині вихідної апертури. У більшості практичних випадків ця величина не повинна перевищувати величин порядку 1 - 3%. Але з появою нових систем високого розділення ставляться більш жорсткі вимоги щодо нерівномірності у поєднанні з вимогами щодо максимальної яскравості та динамічного діапазону яскравості.

Нерівномірність яскравості вихідної апертури тісно пов'язана з інтегруючими властивостями сфери, що визначається конструктивними параметрами. Необхідно забезпечити ефективну інтегруючу площу, яка має становити не менше ніж 80 - 85% від усієї площі внутрішньої поверхні інтегруючої сфери. Це питання розглядається одномоментно із питаннями забезпечення максимальної вихідної яскравості, а також ряду важливих задач по температурному режиму та контролю усього процесу інтегрування.

1.3 Існуючі аналоги

Спочатку розглянемо деякі з існуючих приладів, вирішуючих східні з нашими задачі, а потім приведемо порівняльну характеристику цих та інших схожих систем. Ці прилади представлені наступними компаніями [10-15]:

Bentham
Модель	ULS300
Діапазон яскравостей	30 - 14500 кд/м2
Кольорова температура	3100 ± 20 К
Діаметр сфери	300 мм
Діаметр вихідної апертури	100 мм
Нерівномірність вихідної апертури	0.05%
ElectroOpticalIdustries. Inc
Модель	ISV400
Діапазон яскравостей	0 - 34260 кд/м2
Кольорова температура	2950 ± 25 К
Діаметр сфери	300 мм
Діаметр вихідної апертури	101 мм
Покриття	PTFE
Нерівномірність вихідної апертури	<2%
Optronik
Модель	LDN10-5
Діапазон яскравостей	200 - 2200 кд/м2
Діаметр сфери	500 мм
Діаметр вихідної апертури	100 мм
Покриття	Spectraflect (Labsphere)
Нерівномірність вихідної апертури	<2%
Newport
Модель	70677
Діаметр сфери	200 мм
Діаметр вихідної апертури	50 мм
Покриття	Barium sulfate (Newport)
Комплектація джерелами випромінювання	Визначається замовником
Optroniс Laborotories
Модель	OL Series 454
Діапазон яскравостей	0 - 21926кд/м2
Кольорова температура	3000 ± 35 К
Діаметр сфери	304 мм
Діаметр вихідної апертури	76 мм
Покриття	PTFE
Нерівномірність вихідної апертури	<0.5%
Optroniс Laborotories
Модель	OL Series 466
Діапазон яскравостей	0 - 787кд/м2
Кольорова температура	3000 ± 35 К
Діаметр сфери	304 мм
Діаметр вихідної апертури	76 мм
Покриття	PTFE
Нерівномірність вихідної апертури	<0.5%
Gigahertz-Optik
Модель	UMBB-300
Кольорова температура	3000 ± 35 К
Діаметр сфери	300 мм
Діаметр вихідної апертури	89 мм
Покриття	UMBB-BSC (Gigahertz-Optik)
Комплектація джерелами випромінювання	Визначається замовником
Labsphere
Модель	USS-1200C
Діапазон яскравостей	0 - 63000кд/м2
Кольорова температура	3000 ± 35 К
Діаметр сфери	300 мм
Діаметр вихідної апертури	100 мм
Покриття	Spectraflect
Нерівномірність вихідної апертури	<2%
SphereOptics
Модель	LR-122-H
Діапазон яскравостей	0 - 27408кд/м2
Кольорова температура	3000 ± 35 К
Діаметр сфери	300 мм
Діаметр вихідної апертури	100 мм
Покриття	(Zenith) PTFE
Нерівномірність вихідної апертури	<2%

Тепер, проаналізувавши всю зібрану інформацію, в тому числі наведену вище, зіставимо порівняльні таблиці 1.3. аналогів розробляємому ДВЗЯ.

Висновки до 1 розділу:

В даному розділі було проведено огляд фундаментальних основ ДВЗЯ, розглянуто його основні параметри та сфери застосування. Було проаналізовано світовий ринок приладів, що вирішують подібні задачі. Зіставлено порівняльну таблицю характеристик та параметрів дифузних випромінювачів виробників світу.



РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

2.1 Фізичні основи роботи приладу

Робота приладу основана на теорії фотометричної кулі (інтегруючої сфери, кулі Ульбріхта).

Фотометрична куля - це прилад для визначення світлового потоку, що випромінюється в різних напрямках (або освітленості). Цей прилад являє собою кулю, порожню всередині, розміри котрої обираються в залежності від зовнішніх розмірів джерел випромінювання. Внутрішня поверхня кулі вкрита однорідною білою фарбою, ідеально матовою, коефіцієнт відбиття () якої однаковий для всієї поверхні (є дифузним відбивачем). Внутрішнє покриття сфери гарантує, що падаючий потік на ділянку внутрішньої поверхні сфери відбивається таким чином, що значення величини яскравості однакове у всіх напрямках. Під певним кутом випромінювання з ділянки , що падає на ділянку , створює відносну освітленість , яка не залежить від взаємного розташування ділянок і . Відносна освітленість однакова по всій площі сфери після одного відбиття. Освітленість, яка створюється в певній частині ділянки в межах сфери, може бути розрахована інтегруванням відносної освітленості по усій поверхні сфери і є пропорційною повному потоку, виміряному детектором.

Дана залежність справедлива лише в тих випадках, коли внутрішня поверхня сфери - ламбертівська з постійними спектральними властивостями і не має ніяких абсорбуючих поверхонь, а датчик має ідеальну косинусну корекцію. Проте в експериментальних умовах присутні похибки, які зумовлені неможливістю створення ідеального дифузного розсіювача з постійним значенням коефіцієнту відбиття по всій внутрішній частині сфери.

Освітленість будь-якої точки кулі, захищеної невеликим екраном від прямих променів розміщеного в кулі джерела, пропорційна світловому потоку цього джерела (у загальному випадку - потоку випромінювання):

Рис. 2.1 Освітлення сфери

Освітленість екранованої ділянки виміряється тим або іншим способом, наприклад за допомогою вбудованого в кулю фотоелемента.

Рис. 2.2 Способи вимірювань в кулі

2.2 Вибір елементів структурної схеми

Для розроблюваного приладу необхідно обрати ряд уніфікованих елементів, від яких залежить якість та надійність роботи всієї системи.

Тому до цього питання необхідно підійти з великою відповідальністю та уважністю.

Для ДВЗЯ необхідно в першу чергу обрати джерело випромінювання, та під нього підібрати патрон. Також виходячи з конструктивних міркувань та габаритів сусідніх елементів необхідно обрати кроковий двигун для регулювання розміру каліброваної діафрагми.

2.2.1 Вибір джерела випромінювання

Галогенна лампа [2] - лампа розжарювання, у балон якої доданий буферний газ: пари галогенів (брому або йоду). Це підвищує час життя лампи до 2000-4000 годин, і дозволяє підвищити температуру спіралі. При цьому робоча температура спіралі складає приблизно 3000 К. Ефективність галогенних ламп може досягати 28 лм/Вт, але на практиці рідко буває вищою 13-15 лм/Вт.

Принцип роботи

Електричний струм, проходячи через тіло розжарення (зазвичай - вольфрамову спіраль), нагріває його до високої температури. Нагріваючись, тіло розжарення починає світитися. Проте із-за високої робочої температури атоми вольфраму випаровуються з поверхні тіла розжарення (вольфрамової спіралі) і осідають (конденсуються) на менш гарячих поверхнях колби, обмежуючи термін служби лампи.

У галогенній лампі, йод, що оточує тіло розжарення (спільно із залишковим киснем) вступає в хімічну реакцію з атомами вольфраму, що випарувалися, перешкоджаючи осадженню останніх на колбі. Цей процес є оборотним - при високих температурах поблизу тіла розжарення з'єднання розпадається на складові речовини. Атоми вольфраму звільняються таким чином або на самій спіралі, або поблизу неї. В результаті атоми вольфраму повертаються на тіло розжарення, що дозволяє підвищити робочу температуру спіралі (для отримання яскравішого світла), продовжити термін служби лампи, а також зменшити габарити в порівнянні із звичайними лампами розжарювання тієї ж потужності. Галогенні лампи однаково добре працюють на змінному і постійному струмі. При застосуванні плавного включення термін служби може бути підвищений до 8000-12 000 годин.

Переваги і недоліки

Додавання галогенів запобігає осадженню вольфраму на склі, за умови, що температура складає вище 250°C. Унаслідок відсутності почорніння колби, галогенні лампи можна виготовляти дуже компактними. Малий об'єм колби дозволяє, з одного боку, використати більший робочий тиск (що знову ж таки веде до зменшення швидкості випаровування нитки) і, з іншого боку, без істотного збільшення вартості заповнювати колбу важкими інертними газами, що веде до зменшення втрат енергії за рахунок теплопровідності. Усе це подовжує час життя галогенних ламп і підвищує їх ефективність. Сучасні галогенні лампи мають цілий ряд переваг в порівнянні зі звичайними лампами розжарювання:

· незмінно яскраве світло і постійне світло упродовж усього терміну служби лампи розжарювання;

· красиве і соковите з прекрасним перенесенням кольорів випромінюване світло;

· завдяки високій світловіддачі, галогенні лампи забезпечують більше світла, ніж лампи розжарювання;

· термін служби галогенних ламп приблизно в два рази більший, ніж у стандартних ламп розжарювання;

· зменшені розміри галогенних ламп дозволяють використати їх в надмініатюрних і малопомітних світильниках, що підкреслюють неповторність інтер'єрів.

У галогенних лампах значно понижено ультрафіолетове випромінювання, що у свою чергу зменшує вицвітання об'єктів, що викликається цим випромінюванням. Галогенні лампи працюють від мережі 220 В напряму без трансформаторів, моделі низької напруги - від джерел живлення 6, 12, 24В.

Галогенні лампи низької напруги вигідно відрізняються мініатюрністю, великим кутом падіння світлового пучка. Це дозволяє створити компактні і привабливі системи освітлення в найрізноманітніших сферах діяльності. Галогенні лампи низької напруги випускаються як з відбивачами, так і без.

Світлопередача

Галогенні лампи мають дуже хорошу світлопередачу (Ra 99-100) кольорів, оскільки їх безперервний спектр близький до спектру абсолютно чорного тіла з температурою 2800-3000K. Їх світло підкреслює теплі тони, але у меншій мірі, ніж світло звичайних ламп розжарювання.

Застосування

Хоча галогенні лампи не досягають ефективності люмінесцентних і тим більше світлодіодних ламп, їх перевага полягає в тому, що вони можуть бути без яких-небудь доопрацювань використані як пряма заміна звичайних ламп розжарювання, наприклад, з диммерами і з вимикачами з підсвічуванням ("з вогником").

Галогенні лампи також активно використовуються в автомобільних фарах завдяки їх підвищеній світлопередачі, довговічності, стійкості до коливань напруги, малих розмірів колби.

Потужні галогенні лампи використовуються в прожекторах, рампах, а також для освітлення при фото-, кіно- і відеозйомці, в кінопроекційній апаратурі.

Галогенні лампи з невеликою температурою тіла розжарювання є джерелами інфрачервоного випромінювання і використовуються як нагрівальні елементи, приміром в електроплитах, мікрохвильових печах (гриль), паяльниках (спайка ІЧ-випромінюванням термопластів).

Виконання

Галогенні лампи можуть бути виготовлені як в компактних типорозмірах MR16, MR11, з цоколем GU 5.3, G4, GY 6.35 (на 12 вольт) або G9, GU10 (на 220 або 110 вольт), так і з цоколем Едісона Е14 або Е27 (на 220 або 110 вольт). Колба ламп може бути прозорою, матованою, а також мати рефлектор і/або розсіювач.

Лампи типорозмірів MR призначені для установки в транспортних засобах (автомобілях, мотоциклах, велосипедах), а також, при підключенні через трансформатор, можуть бути використані для стаціонарного освітлення ("точкове освітлення", компактні світильники) від побутової мережі.

Лампи типорозміру GU використовуються для стаціонарного освітлення аналогічно лампам MR, на відміну від останніх не вимагаючи трансформатора.



Рис. 2.3 Лампа типорозміруMR16

Визначити, лампа якого типу (MR або GU) встановлена в цьому світильнику або світловій "точці", не виймаючи лампу, легко, простеживши, як міняється яскравість лампи при включенні і виключенні: лампа GU спалахує і гасне практично миттєво, а лампа MR - плавніше, маючи певну інерцію (близько 1/2 секунди).

Лампи з цоколем Е14 (миньон) або Е27 (стандарт) призначені для заміщення звичайних ламп розжарювання. Вони забезпечені додатковою зовнішньою колбою (за формою і розмірам що нагадує колбу звичайних ламп розжарювання), що захищає внутрішню кварцеву колбу від забруднень, випадкових дотиків і контакту з легкоплавкими матеріалами.

Особливості експлуатації

Галогенні лампи дуже чутливі до жирових забруднень, тому їх внутрішніх колб не можна торкатися навіть чисто вимитими руками. Зважаючи на високу температуру колби, будь-які забруднення поверхні (наприклад, відбитки пальців) швидко згорають в процесі роботи, залишаючи почорніння. Це веде до локальних підвищень температури колби, які можуть послужити причиною її руйнування (тому, із-за високої температури, колби виготовляються з кварцевого скла). При їх установці слід тримати колбу лампи через чисту серветку (чи в чистих рукавичках), а при випадковому торканні ретельно протерти колбу тканиною, що не залишає волокон (наприклад, мікрофіброю) зі спиртом. Оскільки колба галогенної лампи розігрівається до пожежонебезпечних температур, то її слід монтувати так, щоб надалі повністю виключити всяку можливість її зіткнення з будь-якими предметами, що знаходяться поблизу, і матеріалами, і тим більше людським тілом.

При використанні галогенної лампи з димером необхідно час від часу включати лампу на повну потужність, щоб випарувати осад йодиду вольфраму, що накопичився на внутрішній частині колби.

Класифікація галогенних ламп

Класифікація за напругою

Галогенні лампи мережевої напруги

Галогенні лампи мережевої напруги загального призначення

Галогенні лампи, розраховані на високу напругу, можна експлуатувати так само як і звичайні лампи розжарювання. Вони розраховані на роботу в мережі із стандартною напругою в 220-240 вольт без трансформатора. Відрізняються від традиційних ламп розжарювання більш високою колірною температурою (близько 3000 К) при однаковій здатності до перенесення кольорів. За показниками економічності перевершують класичні лампи розжарювання: галогенна лампа горить яскравіше і служить в два рази довше за аналогічну по потужності звичайну лампу розжарювання.

Галогенні лампи мережевої напруги спрямованого cвітла

Галогенні лампи спрямованого світла - це потужніша і економічніша альтернатива звичайним дзеркальним лампам. Конструктивною особливістю лампи є наявність виконаного з металу відбивача, який направляє вперед світловий і тепловий потоки. Це дає можливість ефективно вирішувати проблему відведення тепла, яка з'являється при установці ламп в стельові світильники, або при їх використанні у світильниках із закритими головними частинами. Випускаються також моделі з інтерференційним відбивачем, в яких потік теплового випромінювання перенаправляється у зворотному напрямі.

Низьковольтні галогенні лампи

Низьковольтні галогенні лампи загального призначення

Капсульні галогенні лампи - найбільш мініатюрні з сімейства галогенних ламп. Вони виготовляються по техніці низького тиску і можуть застосовуватися у відкритих світильниках без використання захисного скла. Нитка напруження в капсульних лампах може мати і поперечне і подовжнє розташування. Розташування спіралі по осі лампи дає оптимальний розподіл світлового потоку.

Спеціальні низьковольтні галогенні лампи

· лампи зі збільшеним терміном служби (до 3000 годин);

· лампи серії 24-вольта зі склом, що поглинає ультрафіолетове випромінювання;

· лампи зі збільшеною на 30% світловою віддачею.

Ці лампи робляться для спеціальних сфер застосування (наприклад, для освітлення духовок, для приміщень, в яких потрібно мати високий рівень освітленості і тому подібне) і їх відносять в окрему групу.

Низьковольтні галогенні лампи спрямованого світла

Галогенні лампи з відбивачем значно розширюють можливості використання галогенних джерел світла. Поверхню інтерференційного відбивача в лампах цієї конструкції покривають спеціальним шаром, що пропускає інфрачервоне випромінювання. Завдяки такому рішенню вдалося відвести через відбивач назад більше 60% теплової енергії. Чутливі до тепла об'єкти, таким чином, не руйнуються і не псуються.

Колірна температура ламп - 3200 К. Біле іскристе світло цих лам дозволяє вдало виділити і підкреслити блиск і колірні нюанси освітлюваних об'єктів.

Низьковольтні галогенні лампи з алюмінієвим відбивачем, в яких тепло відводиться вперед, дуже добре пристосовані для використання в таких стельових конструкціях, що передбачають врізні стельові світильники.

Класифікація за конструкцією

Лінійні

Лінійні галогенні лампи зазвичай обладнані цоколями по обох сторонах колби. Лампи потужністю 2000 ватів і вище не оснащені цоколями, а обладнані плоскими або дротяними виводами для їх затиску. Потужність цих ламп варіюється в діапазоні 100-20000 ватів, а номінальна напруга складає 110, 127 і 220 вольт. Російські лінійні лампи містять в маркуванні букви КГ або КИ (кварцеві галогенні або йодні галогенні, відповідно), а цифри, що йдуть за ними, повідомляють напругу і потужність ламп. В деяких випадках після вказання потужності лампи через дефіс може вказуватися цифра, що інформує про модифікацію лампи. Наприклад, в маркуванні КГ 220-1000-5 вказана п'ята модифікація лампи. Лінійні галогенні лампи найчастіше використовуються при освітленні вулиць, торцевих частин будівель, рекламних вивісок і так далі.

Важливо враховувати те, що через особливості хімічних процесів майже усі лінійні галогенні лампи працюють лише в горизонтальному положенні, і максимальний кут їх нахилу складає 4°. При збільшенні цього кута верхня частина колби швидко темніє і тривалість служби лампи різко знижується.

Компактні (малогабаритні)

Малогабаритні галогенні лампи випускаються для роботи в мережах з напругою 220 В і потужністю 500-5000 Вт. Застосовуються лампи з високою потужністю найчастіше для установки в прожектори для кінозйомок. Компактні лампи оснащені особливими цоколями і мають спеціальну конструкцію. Останнім часом випуск цих ламп знижується, оскільки їх змінюють метало-галогенні джерела світла, що мають підвищені технічні характеристики.

У маркуванні російських компактних галогенних ламп містяться букви КГМ або КГМН (кварцева галогенна малогабаритна), АКГ (автомобільна кварцева галогенна), КГСМ (кварцева галогенна літакова малогабаритна), після яких вказуються номінальна напруга, і потужність. У автомобільних галогенних ламп з двома розжарюваними тілами (для перемикання ближнього і далекого світла) в маркуванні є присутньою потужність кожного розжарюваного тіла.

У ламп з відбивачами в позначенні, окрім напруги і потужності, повинні вказуватися кут розсіяння і діаметр відбивача.

Компактні галогенні лампи, оснащені відбивачами, застосовуються для точкового підсвічування музейних експонатів, ювелірних товарів, а також в настільних лампах. Компактні галогенні лампи без відбивачів, окрім точкового освітлення, застосовуються в різних оптичних і сигнальних пристроях.

На відміну від лінійних, компактні галогенні лампи працюють однаково, незалежно від розташування.

PAR-лампи

Лампи з колбами з пресованого скла, оснащені з внутрішньої сторони відбивачем (PAR-лампи). Ці лампи виконують завдання лампи і світильника одночасно. Лампи типу PAR зазвичай оснащені цоколем Е27, що дозволяє встановлювати їх в звичайні патрони, і призначені для експлуатації в мережах з напругою 220 В. Встановлений відбивач утворює потрібну криву розподілу сили світла, тому пропадає необхідність у використанні додаткової оптики. Характеристики цих ламп дещо гірші, ніж характеристики компактних ламп, оснащених відбивачем, але вони мають великий попит, оскільки підключаються в мережу 220 У без використання трансформатора. Зазвичай ці лампи використовуються при створенні системи точкового підсвічування торгових залів і вітрин.

IRC-галогенні лампи

Новим напрямом розвитку ламп є т.н. IRC-галогенні лампи (скорочення IRC означає "інфрачервоне покриття"). На колби таких ламп наноситься спеціальне покриття, яке пропускає видиме світло, але затримує інфрачервоне (теплове) випромінювання і відбиває його назад, до спіралі. За рахунок цього зменшуються втрати тепла і, як наслідок, збільшується ефективність лампи. За даними фірми OSRAM, споживання енергії знижується на 45%, а час життя подвоюється (в порівнянні із звичайною галогенною лампою).

Інші види галогенних ламп

Задовго до появи ламп PAR виникли автомобільні і літакові лампи, що теж виконують функції ламп і освітлювальних пристроїв. Лампи випускаються в колбах з пресованого скла, на зовнішній стороні якої встановлюється відбивач. Такі лампи працюють на низькій напрузі (12-24 В) і оснащені особливими цоколями.

Вибір джерела випромінювання

Галогенні лампи мають безліч переваг в порівнянні з іншими джерелами випромінювання, але і мають деякі недоліки. У зв'язку з тим, що недоліки, цього джерела випромінювання задовольняють вимогам ТЗ, галогенна лампа і була вибрана основним випромінювачем в приладі, що розроблявся.

Для конкретнішого вибору джерела випромінювання були узяті до уваги галогенні лампи вітчизняного виробництва - лампи типу КГМ (кварцеві галогенні малогабаритні), і лампи зарубіжного виробництва - галогенні лампи фірми Philips.

Каталоги з детальним описом, кресленнями і характеристиками цих ламп приведені в додатках.

Для визначення необхідного випромінювача, проаналізуємо доступну інформацію і складемо порівняльну таблицю характеристик галогенних ламп із запропонованих каталогів відповідно до вимог, що пред'являються до ГЛ для ДВЗЯ.

Вимоги, що пред'являються до ГЛ для ДВЗЯ

Оскільки ДВЗЯ має складну і незвичайну будову, і має деякі конструктивні складнощі та особливості, то до ГЛ, використовуваних в ДВЗЯ, пред'являється ряд спеціальних вимог:

· Компактна лампа за типом конструкції (нелінійна);

· Великі світлові потоки (для забезпечення великого динамічного діапазону зміни яскравості ДВЗЯ);

· Малі габарити (для розміщення максимально допустимої кількості джерел випромінювання в кожній первинній сфері ДВЗЯ);

· Великий термін служби (для забезпечення найменшого контакту користувача з внутрішніми покриттями поверхні первинної сфери ДВЗЯ);

· Можливість швидкої і зручної заміни лампи без спеціального інструменту і навичок (для самостійної заміни джерел випромінювання при псуванні лампи або при зміні типу джерела);

· Одноцокольна будова лампи (для економії місця і зручності установки/зміни ламп);

· Стандартний тип цоколя (для забезпечення можливості використання ламп з іншими параметрами і характеристиками);

· Лампа мережевої напруги (використання низьковольтних джерел випромінювання недоцільне, оскільки ДВЗЯ буде використаний у складі стаціонарного лабораторного стенду);

· Не має значення напрям поширення світла (оскільки робота ДВЗЯ повністю підкоряється залежностям і законам поширення випромінювання в інтегруючій сфері, то недоцільно використати лампи з відбивачами, що формують спрямований пучок);

· Економічна виправданість (прилад є спеціалізованою лабораторною установкою довгострокового користування, тому не унеможливлюється використання дорогих елементів, для поліпшення якості роботи).

Відбір найбільш доцільних для ДВЗЯ ГЛ

Відповідно до вимог висунутим до галогенних ламп для дифузного випромінювача змінної яскравості, з каталогів, описаних вище було відібрано 24 найбільш доцільних для ДВЗЯ галогенних ламп.

Їх характеристики та параметри описані нижче в таблиці 2.1..

Таблиця 2.1

Характеристики ГЛ [1], [5]

Найменування	Потужн.Вт	Напр., В	Світловий потік, Лм	Строк служби, год.	Габарити	Тип цоколя
					L	D	H
Philips Capsule Line Pro	100	12	2200	4000	44	12	30	GY6.35
Philips MASTER Caps	60	12	1700	4000	44	12	30	GY6.35
Philips Clickline	60	230	820	2000	44.8	12.78	21.1	G9
Philips MASTER Line TC	60	12	1600	5000	85	14	53	G8.5
Philips MV Capsule 2yr	60	12	790	2000	44.8	12.78	21.7	G9
Philips EcoHalo ClickLine	53	230	850	2000	44.8	12.78	21.7	G9
Philips Capsule line	50	12	800	1500	44	12	30	GY6.35
Philips Capsule Line Pro мат/прозр	50	12	950	4000	44	12	30	GY6.35
Philips Halogen 12V Capsule 4yr	50	12	880	4000	44	12	30	GY6.35
Philips MASTER Line TC	45	12	1100	5000	85	14	53	G8.5
Philips MASTER Caps	30	12	750	4000	44	12	30	GY6.35
Philips Clickline	25	230	490	2000	44.8	12.78	21.1	G9
Philips Halogen 12V Capsule 4yr	20	12	310	4000	32	8.5	22	G4
Philips Capsule line	20	12	310	3000	32	9	22	G4
КГМ 6-20-1	20	6	310	1500	31	8	-	G4
КГМ 12-20-1	20	12	350	2000	33	10	-	G4
КГМ 6-25	25	6	510	100	30	9	-	G4
КГМ 6-25-1	25	6	350	1500	31	8	-	G4
КГМ 12-50-2	50	12	1000	2000	44	12	-	G6.35
КГМ 12-65	65	12	1000	2000	44	12	-	G6.35
КГМ 12-100-7	100	12	2000	2000	44	12	-	G6.35
КГМ 12-100-5	100	12	2500	2000	44	12.5	-	G6.35
КГМ 30-300-2	300	30	35*	55	55	15	36	G6.35
КГМ 36-500*	500	36	18130	50	60	18	36	GY6.35

* - габаритна яскравість, 19х106 кд/мІ

Для більш об'єктивного вибору випромінювача проведемо аналіз ламп з представленої таблиці характеристик. Маємо 5 основних вагомих характеристик ГЛ, по яким і буде виконуватись відбір:

Ф - світловий потік, Лм;

Т - строк служби, год.;

U - напруга, В;

W - потужність, Вт;

V - об'єм лампи, мм і.

Кожній з характеристик присвоїмо коефіцієнт вагомості, в залежності від того яке значення вона відіграє в розроблюваному приладі.



Таблиця 2.2

Коефіцієнти вагомості характеристик ГЛ.

Найм.
Значення	1	0,9	0,8	0,7	0,6

Розрахуємо характеристичний коефіцієнт К для кожної ГЛ з таблиці 1.1. за формулою (1):

За допомогою програми Mathcadбуло розраховано коефіцієнти К для всіх ГЛ з таблиці, а самі лампи було поділено на 3 групи по потужності:

- І група - 100-500 Вт;

- ІІ група - 31-99 Вт;

- ІІІ група - 20-30 Вт.

Результати приведено в таблиці 2.3. Лампи розташовані в таблиці в порядку зменшення характеристичних коефіцієнтів К.

Таблиця 2.3

Характеристичні коефіцієнти ГЛ

І група	ІІ група	ІІІ група
Наймен.	К, у. о.	Наймен.	К, у. о.	Наймен.	К, у. о.
Philips Capsule Line Pro	2.338	Philips MASTER Caps 60W	3.075	Philips Halogen 12V Capsule 4yr	4.61
КГМ 12-100-5	1.25	Philips Capsule Line Pro мат/прозр	2.062	КГМ 6-20-1	4.03
КГМ 12-100-7	1.085	Philips Halogen 12V Capsule 4yr	1.91	Philips Capsule line	3.084
КГМ 36-500		Philips MASTER Line TC	1.376	КГМ 6-25-1	2.979
КГМ 30-300-2		Philips MASTER Line TC	1.261	Philips MASTER Caps 30W	2.713
-	-	КГМ 12-50-2	1.085	КГМ 12-20-1	1.823
-	-	КГМ 12-65	0.835	КГМ 6-25	0.289
-	-	Philips Capsule Line	0.651	Philips Clickline	0.048
-	-	Philips MV Capsule 2yr	0.619	-	-
-	-	Philips EcoHalo ClickLine	0.039	-	-
-	-	Philips Clickline	0.034	-	-

Як результат таблиці 2.3 для кожної з груп було обрано ГЛ з найбільшим характеристичним коефіцієнтом.

Остаточні характеристики обраних джерел випромінювання показані в таблиці 2.4:

Таблиця 2.4

Характеристики обраних ГЛ

Для І групи (100-500 Вт)
Найм.	Потужн Вт	Напр.В	Світловий потік, Лм	Строк служби, год.	Габарити	Тип цоколя
					L	D	H
Philips Capsule Line Pro	100	12	2200	4000	44	12	30	GY6.35
Для ІІ групи (31-99 Вт)
Philips MASTER Caps	60	12	1700	4000	44	12	30	GY6.35
Для ІІІ групи (20- 0 Вт)
Philips Halogen 12V Capsule 4yr	20	12	310	4000	32	8.5	22	G4

Перерахунок параметрів ГЛ в енергетичні величини

Спираючись на теорію, що торкається розрахунку АЧТ, як еталонного джерела випромінювання [4], займемось перерахунком параметрів ГЛ в енергетичні величини.

Оскільки джерелом випромінювання у інтегруючій сфері є ГЛ Philips Halogen 12VCapsule 4yr, то приведемо її короткі характеристики у таблиці 2.5 [1]:

Таблиця 2.5

Параметр	Значення
Напруга живлення, В	12
Світловий потік випромінювання, Лм	310
Кольорова температура, К	3000
Термін експлуатації, год	4000
Габарити лампи: - D, мм - L, мм - C, мм	8.5 32 22

Розрахуємо спектральну щільність випромінювання АЧТ М_АЧТ(л) по формулі Планка:

,(2.2)

де С₁=3.74•10⁴ і С₂=1.439•10⁴ - постійні коефіцієнти; л - довжина хвилі в мкм.



Довжина хвилі л_М, на якій знаходиться максимум функції М_АЧТ(л):

, (2.3)

де Т - температура [K] тіла накалювання галогенної лампи, яка складає 3000 К. Тоді при такій температурі спектральний максимум буде знаходитись на довжині хвилі л_М=0.966 мкм.

Подалі розглядатимемо випромінювання галогенної лампи у спектральному діапазоні 0.4<л<2.1 (в такому діапазоні розсіюється випромінювання стінками ДВЗЯ).

Розрахуємо спектральну щільність випромінювання вольфраму М_ВЕ(л):

,(2.4)

де е_В(л) - коефіцієнт випромінювання вольфраму (дані беремо із таблиць).

Для вольфраму в діапазоні 0.4 мкм<л<2.1 мкм спектральний розподіл коефіцієнта випромінювання е_w(л) показаний на рис.2.4.

Рис. 2.4 спектральний розподіл коефіцієнта випромінювання е_w(л)



Дані спектрального розподілу е_w(л) приведені у таблиці 1 додатку №1.

Розрахуємо відносну спектральну характеристику вольфрамової лампи :

(2.5)

Результати розрахунків приведені у таблиці 1 додатку 2.

Розрахуємо відносну спектральну характеристику вольфрамової лампи із врахуванням коефіцієнту видимості ока (див. табл. 2 додатку №2):

(2.6)

Розрахуємо максимальне значення спектральної характеристики вольфраму Ф_ВЕ(л)_МАХ:

, (2.7)

де Ф_BV - паспортне значення світлового потоку лампи при Т=3000 К, [лм]:

Ф_BV=310 лм, при Т=3000К.

Всі розрахунки проводилися з використанням програми “Mathcad14”.

Значить, при розрахунку отримали Ф_ВЕ(л)_МАХ=8.776 Вт/мкм.

Визначимо абсолютне значення потоку випромінювання:

, (2.8)

Результати розрахунків Ф_ВЕ(л) внесені у табл. 1 додатку 2.

Визначимо повний інтегральний потік лампи Ф_ВЕ за формулою:

, (2.9)

Ф_ВЕ=9.061 Вт.

Аналогічно, перерахуємо повний інтегральний потік лампи Ф_ВЕдля джерел випромінювання інших груп.

В результаті отримали:

· Для лампи Philips Capsule Line Pro І групи:

Ф_ВЕ= 64.302 Вт,

· Для лампи Philips MASTER Caps ІІ групи:

Ф_ВЕ = 49.688 Вт,

· Для лампи Philips Halogen 12VCapsule 4yr ІІІ групи:

Ф_ВЕ = 9.061 Вт.

Зі специфікацій на обрані лампи видно, що вони підтримують тип патрона GY 6.35. Його й використаємо при конструюванні приладу.

2.3 Вибір крокового двигуна

Виходячи з конструктивних міркувань та габаритів сусідніх елементів необхідно обрати кроковий двигун для регулювання розміру каліброваної діафрагми.

Автором проекту було обрано двигун 1.8'' Nema 0.8 High Torque Hybrid Step Motor. Специфікація на нього, та всі його характеристики й параметри наведені в додатку 7.

2.4 Структурна схема ДВЗЯ

Структурна схема ДВЗЯ показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Структурна схема ДВЗЯ

1. Джерело випромінювання;

2. Первинна сфера;

3. Вторинна сфера;

4. Калібровочна діафрагма;

5. Вихідна апертура;

6. ЦВС;

7. Спектрокомпаратор.

Основу схеми складає оригінальний дифузний випромінювач змінної яскравості на базі оптично спряжених інтегруючих сфер.

Як видно з рис. 2.1., джерела випромінювання 1 розташовані в первинних інтегруючих сферах 2, а потік, поступаючий із них у вторинну інтегруючу сферу 3, та регулюється діафрагмою змінного перерізу. В вихідній апертурі 5 вторинної сфери формується однорідне змінне яскравісне поле з фотометричним тілом, що наближається до фотометричного тіла ламбертівського випромінювача. Це дозволяє розміщувати калібруєму ЦВС 6, безпосередньо в вихідній апертурі ДВЗЯ, без застосування додаткової з'єднуючої оптики.

Основні переваги запропонованої системи:

1. Одночасно освітлюються усі пікселі БПВ в усьому динамічному діапазоні вимірюваної яскравості. Іншими словами, вимір ФПС і 3Х верхніх значень яскравості робиться одночасно при незмінній конфігурації установки, що виключає екстраполяцію результатів і істотно підвищує точність вимірів. Одночасно значно збільшується ефективність електронної корекції чутливості пікселів БПВ.

2. За рахунок використання великого числа джерел випромінювання в первинних сферах і значного числа калібрувальних діафрагм, виконаних з високою точністю, істотно розширюється діапазон відтворених яскравостей (особливо у бік великих значень) і підвищується точність їх установки при незмінному спектральному складі випромінювання.

3. Винесенням джерел випромінювання з вторинної інтегруючої сфери, яка безпосередньо формує вихідне яскравісне поле, досягається сприятливіша інтегруюча і антивідблискова обстановка, що істотно покращує рівномірність розподілу яскравості в межах вихідної апертури.

4. Оскільки ЦВС, що калібруються, встановлюються безпосередньо у вихідній апертурі випромінювача, відпадає необхідність застосування погоджуючої і коллімуючої оптики, а вимоги до точного позиціонування ЦВС відносно установки практично відпадають.

5. Істотно спрощується процедура і підвищується точність абсолютизації вимірів, оскільки для калібрування випромінювача і перенесення одиниці яскравості можуть використовуватися яскравоміри, що встановлюються по аналогії з п.4 безпосередньо у вихідній апертурі без точного позиціонування і застосування погоджуючої оптики.

6. Поліпшення метрологічних характеристик вторинної інтегруючої сфери дозволяє, як буде показано пізніше, використати нові методи абсолютизації вимірів, це значно підвищить загальну точність калібрування ЦВС.

Висновки до розділу 2:

В даному розділі було описано фізичні основи роботи приладу, структурну схему та принцип роботи. Були обрані та описані елементи такі схеми:

- джерела випромінювання та комплектуючі;

- кроковий двигун;



Розділ 3. Фізико-математична модель

3.1 Загальна теорія дифузного випромінювача на основі інтегруючої сфери

Розглянемо формування освітленості внутрішньої поверхні сфери, скориставшись методом послідовних відображень. Нехай всередину сфери від джерела випромінювання потрапляє елементарний монохроматичний потік dФ₀ і в районі точки M освітлює деякий елемент поверхні dA_M (рис. 3.1.).

Рис. 3.1. Формування яскравісного поля вихідної зіниці L_B, пропорційно освітленості на поверхні зіниці Е

При цьому в точці М буде створена нульова освітленість Е₀ = Е_М, визначувана відношенням потоку dФ₀ до освітлюваної площі dA_M.

Утворене при відбитті і розсіянні від внутрішньої поверхні фотометричне тіло характеризуватимемо двомірною неселективною функцією з(ц,х). Тоді яскравість площадки dA_M в напрямі, визначуваному полярним і азимутним кутами ц і х, знаходяться з наступного виразу:

,(3.1)

де - яскравість площадки в напрямку нормалі до площадкиdA_M.

Визначимо силу світла dA_M в напрямку ц, прийнявши допущення, що функція являється осесиметричною:

.(3.2)

В цьому випадку вираз для розрахунку сили світла запишеться так:

.(3.3)

Тоді потік, відбитий елементом в тілесномукуті 2р стерадіан, можна представитинаступним чином:

,(3.4)

де - коефіццєнт відбиття внутрішньої поверхні сфери

З цього слідує,

де - еквівалентний тілесний кут:

.(3.6)

Освітленість, створена в будь-якій точці сфери Т від елемента , визначається з виразу:

де R - радіус інтегруючої сфери.

Очевидно, що відхилення від властивостей ідеального розсіювача внутрішньої поверхні сфери повинно найбільш значуще відкликатися при першому відбитті.Розрахунок наступних відбиттів з врахуванням усереднення та властивостей більшості покриттів можна виконати в приближенні дифузного розсіювання.

Визначимо освітленість будь-якої точки K, зумовленої відбиттям від елемента потоку, що поступає від. Сила світла елемента в напрямку в:

. (3.8)

Для дифузно розсіюючої поверхні:

Тому:

де - площа внутрішньої поверхні сфери.

Вся внутріншя поверхня сфериствоює в точціK освітленість:

де - сумарна площа усіх отворів в сфері(включаючи і площину вихідної зіниці);

- тілесний кут, що спирається на еквівалентний сумарний отвір сфери;

- відносна ефективна розсіювальна поверхня сфери;

При виведенні(3.11) ми враховували, що рівні тілесні кути, вершини яких знаходяться на поверхні сфери, вирізають на цій поверхні рівні площадки.

Подальші відображення створюють освітленість , яка визначається таким чином:

(3.13)

Тоді повна(сумарна) освітленість будь-якої точки сфери буде рівна:

Вираз (3.14) опису є освітленість у будь-якій точці сфери при будь-якій (заданій) формі індикатриси випромінювання джерела і будь-якому просторовому розподілі потоку після відбиття від внутрішньої поверхні. Тоді, вважаючи внутрішню поверхню сфери ламбертовським відбивачем, без отворів, і враховуючи, що в цьому випадку , а

отримаємо:

Проаналізуємо вклад кожного з відбиттів в створення сумарного яскравісного поля вихідної зіниці дифузного випромінювача, скориставшись наступними міркуваннями. Вид фотометричного тіла елементу визначається функцією , яка формується індикатрисою джерела випромінювання, розсіювальними властивостями покриття і розмірами освітлюваної зони (ефект усереднювання). Графіки коефіцієнтів яскравості найбільш перспективних для ДВ покриттів показані на рис. 1.1 та 1.2, а в таблиці 1.2 представлені відібрані нами галогенні лампи, що мають відносно ширококутні і рівномірні індикатриси.

Експериментальні дослідження цих ламп в комбінації з покриттями на основі сірчанокислого барію і з обробленого алюмінію показали, що навіть при першому відбитті в цьому випадку формується фотометричне тіло, дуже близьке до ламбертовського, а при подальших відбиттях - практично від нього не відрізняється.

Таким чином, якщо в ДВ використовуються рекомендовані галогенні лампи, вирази (3.7), (3.11) і (3.14) для практичного аналізу можна спростити:



Рис. 3.2 Освітленість внутрішньої поверхні інтегруючої сфери для падаючого потоку, Ф=1000Вт і радіусу сфери R=0.5 м

Графіки показані на рис. 3.2 і дозволяють зробити наступні висновки.

1. Яскравість вихідної зіниці ДИ значно збільшується із зростанням кількості відображень.

2. Збільшення коефіцієнта відбиття покриття також веде до збільшення яскравості вихідної зіниці, але одночасно посилюється вплив величини відносного отвору ДВ (D^o) на розподіл освітленості в сфері. Для розглянутих покриттів значення D^o повинні знаходиться в межах 0.2...0.3. При використанні покриттів з с>0.9 відносний отвір ДВ слід зменшувати.