Метод измерения энергетических параметров излучателей, применяемых в фотохромотерапии Текст научной статьи по специальности «Физика»

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ФОТОХРОМОТЕРАПИИ

А.Б. Веселовский, В.В. Кирьянова, А.С. Митрофанов, Г.Д. Фефилов

В настоящее время в фотохромотерапии наряду с низкоинтенсивными лазерами широко используются светодиодные излучательные элементы [1], как единичные, так и многоэлементные, излучающие в различных участках оптического спектра, в том числе и видимой его части.

Результаты светового воздействия (клинические эффекты) зависят от поглощенной тканями энергии излучения [2] на той или иной длине волны (энергетических доз). Ввиду этого при создании медицинской аппаратуры для фотохромотерапии необходимо знание энергетических параметров применяемых излучателей, например, таких как мощность излучения Р [Вт], облученность Е [Вт/м2], энергетическая экспозиция Н [Дж/м2], как для одноэлементных, так и для многоэлементных излучателей (матриц). Однако выпускаемые промышленностью светодиоды видимого диапазона в различных его участках аттестуются только в светотехнических величинах, таких, например, как сила света, измеряемая в канделах, что требует перевода их в энергетические единицы.

Теоретический пересчет светотехнических параметров в энергетические требует точного знания спектральных характеристик излучателей, представляет значительные трудности даже для специалистов и не является достаточным аргументом при аттестации такой аппаратуры. Ввиду этого появляется необходимость в проведении абсолютных измерений энергетических параметров излучения светодиодов, предназначенных для работы в пределах видимого участка оптического спектра, широко используемых в фотохроомотерапии.

Решить указанную задачу можно, используя специально разработанные для этого абсолютные измерители мощности излучения в видимом участке спектра, например, такие как Mohectron Laser Powermeter 3000 (США), однако они имеют высокую стоимость, и использование их весьма ограничено. Другие же широко распространенные и наиболее доступные измерители, такие, например, как неселективные абсолютные измерители мощности типа ИМО, предназначены для измерения энергетических параметров лазерного (направленного) излучения и по ряду причин не могут быть непосредственно использованы для измерения энергетических параметров излучения светодиодов. Причины эти заключаются в следующем.

Светодиоды обладают большой угловой расходимостью излучения, что означает необходимость их размещения в процессе измерения непосредственно при входе в приемный конус измерителя ИМО, что приводит к нарушению теплообмена конуса с окружающей средой и значительной погрешности измерения. При этом приемный конус излучения дополнительно нагревается за счет конвективной передачи тепла от нагревающегося в процессе работы светодиода, особенно если учесть, что процесс измерения ввиду инерционности измерителя занимает достаточное для нагрева светодиода время. При этом погрешность измерения может достигать ста и более процентов, что недопустимо, и производить измерение энергетических параметров светодиодов таким образом нельзя.

Для решения этой проблемы нужно отдалить светодиод от приемного конуса измерителя, чтобы не нарушать нормального теплообмена конуса с окружающей средой и устранить конвективный нагрев конуса нагретым светодиодом. Однако при удалении светодиода от входного отверстия конуса из-за большой расходимости излучения в приемный конус будет попадать только незначительная часть излучения светодиода.

Решить указанную проблему можно с помощью метода измерения, рассматриваемого ниже.

На рис.1 приведена схема, с помощью которой можно производить измерение мощности излучения светодиодов, пользуясь измерителем мощности типа ИМО.

П

2F

2F

П2

1

2

3

->

4

Рис. 1. Схема измерения мощности излучения светодиода: 1 - светодиод; 2 - линза; 3 -входное отверстие измерителя ИМО; 4 - фотодиод.

Светодиод располагается перед линзой на расстоянии 2¥, и излучение в пределах угла а поступает на вход измерителя мощности. Угол а равен: а=2аг^ £/4¥,

где £ - диаметр линзы; ¥ - фокусное расстояние. При этом отношение £/¥ выбирается максимальным (около единицы), чтобы угол захвата излучения линзой был максималь-

атах»

Так как входное отверстие измерителя расположено на расстоянии от линзы, равном 2¥, таком же, на котором расположен источник излучения перед линзой, размер области, занимаемой излучением в плоскости П2, будет равен размеру излучающей поверхности светодиода в плоскости П1, и она должна быть меньше размера входного отверстия измерителя, чтобы все излучение, падающее на линзу, попало бы в измеритель. При этом будет измерена мощность излучения, излучаемая светодиодом в пределах угла а. Обозначим ее Р1. Однако при этом не будут учтены потери излучения за счет поглощения в линзе, френелевские потери на линзе и виньетирование излучения (часть излучения светодиода, распространяющаяся в пределах углов, превышающих угол а).

Чтобы учесть эти потери и скорректировать результат измерения, можно поступить следующим образом. В плоскость П1 поместим приемную площадку фотодиода, позволяющего производить относительное измерение мощности излучения. При этом приемная площадка фотодиода должна быть по возможности большой, так как она определяет предельный угол фтах излучения светодиода, регистрируемого фотодиодным измерителем, и должна быть не меньше размера области, занимаемой излучением в плоскости П2. Производим отсчет показания фотодиодного измерителя. Обозначим этот отсчет Р2.

Затем фотодиодный измеритель перемещаем в плоскость П2 и производим отсчет его показания. Обозначим его Р3.

Тогда истинный результат измерения может быть определен следующим образом:

ным:

Р=Ру Р2/Р3 = Р-К23.

(1)

Расстояния между линзой и плоскостями П1 и П2, в которых производятся измерения, выбираются из нижеследующих соображений.

Одной из составляющих погрешности измерений описываемым методом является погрешность, определяемая разницей френелевских потерь излучения на входе фотодиодного измерителя при размещении его в плоскостях П1 и П2. В случае, когда измеряемый излучатель близок к модели точечного источника, как, например, некоторые типы полупроводниковых лазеров, при его расположении на оптической оси в плоскости П1 разница френелевских потерь на входе фотодиода в плоскостях П1 и П2 будет близка к нулю, так как при этом будет одинаковым распределение излучения по углам падения на приемную площадку фотодиода в плоскостях П1 и П2, и, следовательно, погрешность измерения из-за указанного фактора будет минимальной и близкой к нулю.

В случае же, когда излучатель не может быть представлен моделью точечного источника, как, например, светодиод, разница френелевских потерь может оказаться весьма заметной и внести значительную погрешность при определении коэффициента К23 формулы (1). В этом случае описанная схема измерений с расстояниями 2^ между линзой и плоскостями П1 и П2 может обеспечить наименьшую разницу френелевских потерь (а, следовательно, и наименьшую погрешность определения коэффициента К23 формулы (1)) по сравнению со всеми другими случаями расположения плоскостей П1 и П2. В частности, это объясняется тем, что в случае расстояний 2^ разница френелевских потерь равна нулю не только для лучей, проходящих через центр линзы (как и во всех других случаях), но и для лучей, исходящих из области излучения, находящейся на оптической оси в плоскости П1.

Кроме того при таком расположении плоскостей П1 и П2 появляется возможность сведения к минимуму погрешности измерений, связанной с неравномерностью чувствительности приемной площадки фотодиода по ее площади. Эта возможность объясняется тем, что распределение поля излучения и его масштаб в плоскостях П1 и П2 совпадают и отличаются лишь тем, что развернуты друг относительно друга на 180°. Поэтому, если после измерения величины Р2 в плоскости П1 приемную площадку фотодиода повернуть вокруг оси на 180° и производить измерения величины Р3 в плоскости П2, погрешность определения коэффициента К23 за счет неравномерности чувствительности приемной площадки фотодиода может быть сведена к минимуму.

Рассматриваемый метод позволяет измерять мощность излучения светодиодов в любом угле, не превышающем угол фШах, что имеет большое практическое значение в тех случаях, когда необходимо измерить мощность излучения в заданном телесном угле. Отличие от вышеизложенного при этом заключается в следующем.

При измерениях мощности излучения в пределах углов ф, величины которых заключены между значениями а и фтах, приемную площадку фотодиода отдаляют от све-тодиода в сторону линзы на расстояние Ь. При этом угол ф будет равен: ф = 2 аг^ ё/4Ь,

где с1 _ диаметр приемной площадки фотодиода. Если при этом приемную площадку диафрагмировать, то угол ф будет определяться так:

ф = 2 аг^ йи/4Ь, где _ диаметр диафрагмы.

Варьируя Ь и (или) , можно измерять мощность излучения в пределах углов ф от максимального фтах до угла а. Показания Р2 получают на выбранном расстоянии Ь. Разумеется, что для произведения отсчета показаний Р3 при указанных измерениях приемная площадка фотодиода с используемой диафрагмой (если она использовалась) помещается также на расстоянии Ь от плоскости П2 (в сторону линзы).

При измерениях мощности излучения в пределах углов ф, меньших угла а, отличие от вышесказанного будет в том, что для получения величины Р1 необходимо между

плоскостью П1 и линзой устанавливать диафрагму, имеющую диаметр ёл, определяющий угол j, в котором будет производиться измерение мощности: j = 2 arctg dJ2l,

где l - расстояние диафрагмы от плоскости П1. При установке диафрагмы в плоскости линзы, угол j, в котором будет производиться измерение мощности, равен j = 2 arctg dJAF.

Относительные измерения величин Р2 и Р3 с помощью фотодиода производят при этом в том же угле j. Расчет мощности в выбранном телесном угле также производят по формуле (1).

Для проверки предложенного метода абсолютного измерения мощности излучения светодиодов были проведены сравнительные измерения описанным выше методом и калиброванным в широкой спектральной области абсолютным измерителем Mohectron Laser Powermeter 3000 (США) мощности излучения светодиодов, излучающих в различных участках спектра видимого диапазона. Результаты измерений представлены в табл. 1.

Тип светодиода Длина волны излучения Icp нм Спектральная ширина излучения Dl нм Результат измерения предлагаемым методом мВт Результат измерения контрольным измерителем мВт

АЛ172Б 870 19 8,7 9,4

КИПД21 Б1-К 655 17,5 1,1 1,2

КИПД21 С2-Л 505 27 0,8 0,9

КИПД21 С2-Г 470 29 3,3 3,5

Таблица 1. Результатыизмерений

Как видно из табл. 1, погрешность абсолютных измерений мощности предложенным методом не превышает 12%, что вполне достаточно для применения светодиодов в фотохромотерапии.

Таким образом, предлагаемый метод измерения позволяет получать достоверные результаты при измерении абсолютных энергетических параметров светодиодов, применяемых, в частности, в фотохромотерапии, при использовании широко распространенных, недорогих и доступных неселективных измерителей мощности типа ИМО.

Литература

1. Вилисов A.A.. Светодиоды как альтернатива лазерам в медицине и связи. // Laser Market. 1994. №5.

2. Илларионов В.Е. Основы лазерной терапии М.: Респект (ИНОТЕХ-ПРОГРЕСС), 1992.