分布光度計角度校準裝置的設計及應用

陳 琪，朱騰飛，蔣雪花，黃靖壹，陳小輝

(1.浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江 杭州 310018；2.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江 杭州 310019)

引言

分布光度計是一種測量照明電器、光源性能的主要檢測設備，主要分為臥式和立式結(jié)構(gòu)，在檢驗機構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)、科研單位有著廣泛應用[1-4]。分布光度計的測試功能十分強大，能夠準確測量光源或燈具的光通量、空間光強分布、峰值發(fā)光強度、空間照度分布、空間光譜、上(下)射光通輸出比、亮度。其中主要指標為光源或燈具的光通量、空間光強分布。

目前對于分布光度計設備的測量角度準確性計量方法鮮有報道，對分布光度計測量角度準確性的保證方案主要是通過組織能力驗證和實驗室間比對來實現(xiàn)。在日常檢測工作過程中，機械磨損、轉(zhuǎn)臂角度失準的問題都會隨著設備的頻繁使用而產(chǎn)生。在燈具分布光度測量過程中，微小的偏差可能導致試驗參數(shù)角度的偏差，從而影響照明產(chǎn)品的性能指標和實際效果。因此對分布光度計的角度校準顯得十分必要。

本文提出一種分布光度計的角度自校準裝置方案，其原理是以正多面棱體為一個校準模塊，來實現(xiàn)分布光度計轉(zhuǎn)動角度的校準，達到擺臂轉(zhuǎn)動定位以及轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)的測試校準目的。

1 基本原理

1)分布光度計。目前分布光度計基本上可以分成三類。第一種是采用燈具繞著兩根相互垂直的剛性軸轉(zhuǎn)動且這兩軸的焦點為分布光度計光度中心的分布光度計，第一根軸為穿過燈具光度中心的軸，一般稱之為C軸，第二根軸垂直于第一根軸，一般稱之為γ軸，如圖1所示。本文主要分析第一種分布光度計的C、γ軸對測量結(jié)果的影響，在多次實際應用中發(fā)現(xiàn)C軸偏差對最終結(jié)果的影響較為顯著。第二種為燈具僅僅繞著一個軸方向進行相對運動，光度探頭承擔另一個維度的旋轉(zhuǎn)作用。第三種為分布光度計采用光度探頭繞兩根穿過光度中心且垂直的軸旋轉(zhuǎn)的方式來達到表征燈具三維空間的光度分布情況。從坐標系來說，不論是A-α分布光度計，還是B-β分布光度計或是C-γ分布光度計，其原理都是通過兩個不同平面的轉(zhuǎn)動配合來表征發(fā)光體在空間中的光路分布[5]。且這三種平面系統(tǒng)已得到廣泛論證，可以進行相互變換，如表1所示。

圖1 分布光度計示意圖Fig.1 The distribution photometer

表1 平面系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換方程Table 1 Conversion equations of planar systems

2)角度校準儀器原理。本文設計的角度校準裝置的關(guān)鍵組成部分是正多面棱體。正多面棱體是一種高精度角度標準器具，各相鄰平面法線間的夾角為等值測量角，并具有準確角度值的正多邊形的事物量具，如圖2所示。

圖2 正多面棱體示意圖Fig.2 Positive polyhedral

正多面棱體應采用軸承鋼GCr15、CrMn或Cr高性能合金鋼制造，亦可用氮化鋼、石英玻璃或光學玻璃等制造[6]。它主要用于檢定光學分度頭、分度臺、測角儀等圓分度儀器的分度誤差，在高精度的機械加工中或測量中也可以作為角度的定位基準。隨著圓分度技術(shù)的發(fā)展，正多面棱體已從單一的偶數(shù)面(如12、24面等)，發(fā)展到具有綜合功能的奇數(shù)面(如17、23面等)。前者的工作角為整度數(shù)，它用于檢定圓分度器具軸系的大周期誤差，還可以進行對徑測量；而后者的工作角為非整度數(shù)，它可以綜合檢定圓分度器具軸系的大周期誤差和測微器的小周期誤差，能較高精度地確定圓分度器具的不確定度。

2 校準設計與數(shù)據(jù)比對

2.1 設備主要組成部分

如圖3所示，本文提出的角度校準裝置包括正多面棱體、光學測量面、托盤(托放正多面棱體，中間有孔及螺紋，憑借螺紋與固定桿相連接)、夾板(中間有孔及螺紋，憑借螺紋與固定桿相連接，通過螺釘嚴格固定多面棱體)、若干可調(diào)螺釘(可以改變托盤與多面棱體的相對傾角，微調(diào)水平傾斜度的功能)、連接固定桿(金屬桿下端帶螺紋，桿的上端由分布光度計齒輪卡扣夾緊，固定桿可適度調(diào)節(jié)與光度計的軸向相對位置)、水平儀(位于多面棱體上)等。其中正多面棱體的測量等級為2～4等，測角精度高，偏差小于10″。若干光學測量面依附在正多面棱體的各個側(cè)面；夾板、正多面棱體、托盤通過可調(diào)螺釘依次連接，托用于托放正多面棱體，夾板通過可調(diào)螺釘將正多面棱體固定在下方；夾板、正多面棱體、托盤的中心各自帶有刻有螺紋的通孔，連接固定桿自上而下貫穿夾板、正多面棱體的通孔，連接固定桿的下端帶有螺紋，下端與托盤的通孔螺紋互旋連接；水平儀通過吸盤吸附在正多面棱體的上表面，用于觀察裝置是否水平。本文中的連接固定桿的材質(zhì)為金屬。

1—正多面棱體，2—光學測量面，3—托盤，4—夾板，5—若干可調(diào)螺釘，6—連接固定桿，7—水平儀，8—激光器圖3 角度校準裝置示意圖Fig.3 The device of angle calibration

2.2 計量校準設計

將本裝置連接在被測分布光度計上，即連接固定桿上端由光度計齒輪卡扣安裝緊固，使二者連于一起。由水平儀判斷整個裝置的水平程度，可由上下多顆可調(diào)螺釘配合調(diào)動，目的使角度校準裝置的正多面棱體保持準確的測量方位。

測試時，從光度計基準零位開始測試，光度計自帶的定位激光器發(fā)出光束對準本裝置的某一測量面垂直入射，若光度計基準零位準確，則光束應垂直反射后原路返回。

光度計控制裝置轉(zhuǎn)動一定角度(該角度是正多面棱體的標準夾角數(shù)值，可以是5°、15°、30°等)，激光入射到另一個不同的測量面上，若轉(zhuǎn)角準確，激光束入射到新的測量面后仍將垂直反射后原路返回；若光度計轉(zhuǎn)角有偏差，則激光束不能返回到出射位置。以此類推更多的測量面工作步驟，校準光度計更大范圍轉(zhuǎn)角。

2.3 計量校準應用試驗

將設計的角度校準裝置對甲、乙兩臺C-γ分布光度計的C軸進行校準試驗。

首先，對分布光度計甲進行試驗，將角度校準裝置安裝于燈具樣品工作位置，裝置的中心軸與分布光度計γ軸保持重合，裝置的正多面棱體上、下表面保持水平。從分布光度計基準零位開始測試，分布光度計自帶的激光器發(fā)出光束對準正多面棱體某一測量面垂直入射，分布光度計控制裝置轉(zhuǎn)動一定角度(該角度是正多面棱體的標準夾角數(shù)值，可以是5°、15°、30°直到360°)，激光入射到另一個不同的測量面上，通過多次轉(zhuǎn)動角度測試，結(jié)果是轉(zhuǎn)動到每一個角度時，激光束入射到新的測量面后仍將垂直反射后原路返回，表明該分布光度計的轉(zhuǎn)角準確。試驗情況如圖4所示。

圖4 分布光度計甲的角度校準示意圖Fig.4 Angle calibration of distribution photometer Ⅰ

其次，對分布光度計乙進行同樣的試驗，通過多次轉(zhuǎn)動角度測試，結(jié)果是轉(zhuǎn)動到360°時，激光束不能返回到出射位置，偏離距離d，表明該分布光度計的轉(zhuǎn)角存在偏差。試驗情況如圖5所示。偏差角度θ通過式(1)可以計算得到，L為激光到測量面的距離。

圖5 分布光度計乙的角度校準示意圖Fig.5 Angle calibration of distribution photometer Ⅱ

(1)

3 總結(jié)

我們設計了一種以正多面棱體為核心的角度校準裝置，對分布光度計的角度校準進行嘗試應用。通過在不同分布光度計的校準試驗分析，論證了該校準裝置的有效性。同時，該裝置還有造型精巧、便于安裝等優(yōu)點，將其用于分布光度計角度的校準具有便捷性和實用性。