ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ МАЛОГАБАРИТНОГО СПЕКТРОФОТОМЕТРА Российский патент 2015 года по МПК G01J3/10 F21V7/09 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к спектрофотометрам и таким их основным узлам, как осветительные устройства, а также к устройствам измерения и контроля характеристик отражения и люминесценции объектов.

Известны системы (В.Н. Чуриловский «Теория оптических приборов», М-Л, Машиностроение,1965, стр.282, Бергнер, Гельбке, Мелисс «Практическая микрофотография», М., Мир, 1977, стр.198,199) для кругового (безазимутального) освещения объектов, содержащие зеркальные поверхности различной формы.

Однако указанные системы не могут быть применены в качестве встроенных осветителей в малогабаритных устройствах при жестких ограничениях потребляемой мощности источника излучения и связанным с ней вредным воздействием теплового излучения на стабильность и точность параметров устройств, так как взаимное расположение источника и зеркальных поверхностей позволяет эффективно использовать только меньшую часть полного пространственного излучения источника из-за экранирования пучков. Кроме того, при применении таких систем в малогабаритных устройствах невозможно встроить в них одновременно средства для наблюдения освещаемой поверхности объекта и для отведения в измерительное устройство излучения, отраженного объектом, без потерь излучения.

Наиболее близким аналогом разработанного устройства по назначению можно признать устройство, известное из книги («Оптико-механические приборы», М., Машиностроение, 1975, стр.98). Известное устройство содержит широкоапертурный круговой осветитель со встроенным в него микроскопом для наблюдения поверхности объекта.

Недостатками известного устройства следует признать, кроме экранирования излучения источника, расположение источника непосредственно в зоне зеркала осветителя, в малогабаритных устройствах встроенного в измерительный прибор, что существенно увеличивает вредное температурное влияние, а также невозможность независимого изменения апертурных углов освещения и габаритных размеров освещаемой площадки объекта, необходимых для оптимальной работы измерительного устройства и подавления мешающего излучения (помех).

Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в разработке эффективного осветителя для малогабаритных устройств измерения спектральных коэффициентов диффузного отражения (СКДО) плоских нелюминесцирующих полиграфических изображений в ближней ИК области и, в частности, определения параметров защитных признаков ценных бумаг и документов по значениям измеренных коэффициентов.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении достоверности и оперативности инструментального контроля ценных бумаг и документов в системе ЦБ России, в экспертных подразделениях правоохранительных органов при проверке подлинности банкнот и документов.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный осветительный узел малогабаритного спектрофотометра. Разработанный осветительный узел содержит последовательно расположенные источник оптического излучения, полевую диафрагму и систему двух соосно расположенных зеркальных поверхностей вращения, включающую эллипсоид и гиперболоид, при этом радиус при вершине гиперболоида близок к нулю, в этом предельном случае гиперболоид приближается к прямому круговому конусу, причем полевая диафрагма и система соосно расположенных зеркальных поверхностей вращения расположены таким образом, что излучение источника, ограниченное полевой диафрагмой, после отражения пучков излучения от поверхностей гиперболоида и эллипсоида формирует на поверхности объекта освещенную площадку.

В некоторых вариантах реализации вершина гиперболоида может быть расположена вблизи одного из геометрических фокусов образующей эллипсоида, при этом с указанной вершиной совмещен также центр полевой диафрагмы, изображение которой в виде освещенной площадки сформировано вблизи второго геометрического фокуса.

Габариты освещенной площадки, при выбранных значениях эксцентриситета, размерах полевой диафрагмы и апертурных углах освещения, определяются расчетом хода лучей в осветителе, так как условие синусов в системе зеркал не выполняется.

Изменением осевого положения диафрагмы и связанного с ним положения вершины гиперболоида, а также положения поверхности объекта обеспечивается требуемое распределение освещенности в пределах освещенной площадки: квазиравномерное, локально-зональное (с яркой точкой в центре или с темной точкой в центре).

Значения эксцентриситета «е» образующей эллипсоида и угла «ф» главных лучей пучков, сходящихся в центре изображения полевой диафрагмы, определяют положение действующей (рабочей) части поверхности эллипсоида, параксиальный и эффективный масштабы изображения полевой диафрагмы и значение эксцентриситета гиперболоида (или угла при вершине конуса) и выбираются из условий конкретной схемы освещения. Частное решение, при значении эксцентриситета «е»=0,707 и угле «ф»=45 градусов, определяет действующую центральную, симметричную относительно малой оси, часть поверхности эллипсоида, которая с достаточной точностью может быть заменена торической поверхностью. При этом осуществляется симметричный круговой ход освещающих пучков относительно общей оси симметрии. Выбором таких параметров реализуется применяемая в практических измерениях схема освещения 45/0. Выбор величины малой оси образующей эллипсоида «2в», при установленном фиксированном значении эксцентриситета «е», определяет, через уравнение образующей, величину большой оси «2а» и расстояние между фокусами «2с» и, тем самым, габариты осветительной системы.

Для этого частного решения габарит освещенной площадки при малых апертурных углах (около 1 градуса) равен габариту полевой диафрагмы. При апертурных углах от 5 до 10 градусов габарит освещенной площадки составляет соответственно от 1,3 до 1.9 габаритов диафрагмы.

Осветительный узел может дополнительно содержать:

- схему визирования и наведения, включающую светодиод (или кольцо светодиодов), для освещения поверхности объекта, защитное стекло с кольцевой маркой, отмечающей освещаемую зону, и средство наблюдения, например миниатюрную TV-камеру;

- схему сопряжения осветительной системы с измерительным устройством, включающую защитное стекло с кольцевой маркой и плоское наклонное зеркало;

- осветительный узел может дополнительно содержать более двух светодиодов, расположенных по окружности;

- осветительный узел может также дополнительно содержать схему сопряжения осветительной системы с измерительным устройством, включающую защитное стекло с кольцевой маркой и плоское наклонное зеркало;

сферическое зеркало-контротражатель, расположенное за источником оптического излучения относительно полевой диафрагмы.

Схематично разработанный осветительный узел малогабаритного спектрофотометра в одном из вариантов реализации приведен на чертеже, при этом использованы следующие обозначения: зеркало сферическое 1, источник 2 оптического излучения, линза-коллектор 3, линза-светофильтр 4 конденсора 3, полевая диафрагма 5, гиперболоид 6, плоское зеркало 7, зеркало 8 эллипсоидальное, светодиод 9 подсветки, стекло 10 защитное с маркой, плоскость 11 объекта.

Узел спектрофотометра разработанной конструкции работает следующим образом.

Излучение источника 2 через конденсор 3,4 заполняет полевую диафрагму 5, затем рабочую поверхность гиперболоида 6, отражается от нее и заполняет рабочую поверхность эллипсоида 8, после отражения от которой на поверхности объекта 11 формируется освещенная площадка, форму и габариты которой повторяет марка, нанесенная на плоскости защитного стекла 10, совмещенной с плоскостью 11 объекта. Отраженное плоскостью 11 объекта излучение наклонным зеркалом 7 направляется в измерительное устройство. Плоскость 11 объекта и стекло защитное 10 с маркой освещаются также светодиодом 9, которые наблюдаются при помощи средства наблюдения, например миниатюрной TV-камеры.

Использование разработанного устройства позволяет осуществить:

- круговое освещение без потерь из-за экранирования, с оптимальным использованием пространственного излучения источника;

- минимизацию потребляемой мощности источника и его вредного теплового воздействия;

- обеспечение свободного линейного поля на поверхности объекта, используемого для наблюдения и контролируемого позиционирования освещенной зоны (являющейся зоной измерения или контроля устройств измерения параметров объекта) на поверхности объекта, при отношении размеров поля наблюдения и освещенной зоны не менее 5:1 (для эффективного поиска необходимых фрагментов объекта);

- размещение в пространстве осветительной системы схемы визирования и наведения: дополнительных источников излучения, например светодиодов для освещения поля наблюдения, и миниатюрной видеокамеры; размещение схемы сопряжения: зеркала для отведения отраженного от объекта потока излучения (или потока люминесценции) в измерительное устройство без снижения эффективности освещения (без экранирования).

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и касается осветительного узла спектрофотометра. Осветительный узел содержит последовательно расположенные источник оптического излучения, полевую диафрагму и систему двух соосно расположенных зеркальных поверхностей вращения, представляющих собой гиперболоид и эллипсоид. Радиус при вершине гиперболоида близок к нулю. В предельном случае гиперболоид приближается к прямому круговому конусу. Полевая диафрагма и система соосно расположенных зеркальных поверхностей вращения расположены таким образом, что изображение диафрагмы после отражения пучков излучения от поверхностей гиперболоида и эллипсоида формируется в виде освещенной площадки, которая совмещена с поверхностью исследуемого объекта. Технический результат заключается в обеспечении возможности освещения без потерь на экранирование и повышении достоверности и оперативности проведения измерений. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Осветительный узел малогабаритного спектрофотометра, отличающийся тем, что он содержит последовательно расположенные источник оптического излучения, полевую диафрагму и систему двух соосно расположенных зеркальных поверхностей вращения, включающую эллипсоид и гиперболоид, при этом радиус при вершине гиперболоида близок к нулю, причем в предельном случае гиперболоид приближается к прямому круговому конусу, полевая диафрагма и система соосно расположенных зеркальных поверхностей вращения расположены таким образом, что изображение диафрагмы после отражения пучков излучения от поверхностей гиперболоида и эллипсоида сформировано в виде освещенной площадки, которая совмещена с поверхностью объекта.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что вершина гиперболоида расположена вблизи одного из геометрических фокусов образующей эллипсоида, при этом с указанной вершиной совмещен также центр полевой диафрагмы, изображение которой в виде освещенной площадки сформировано вблизи второго геометрического фокуса.

3. Узел по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит схему визирования и наведения, включающую по меньшей мере один светодиод для освещения поверхности объекта и защитное стекло с кольцевой маркой, отмечающей освещаемую зону, а также средство наблюдения.

4. Узел по п.3, отличающийся тем, что в качестве средства наблюдения он содержит малогабаритную ТВ-камеру.

5. Узел по п.3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит более двух светодиодов, расположенных по окружности.

6. Узел по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит схему сопряжения осветительной системы с измерительным устройством, включающую защитное стекло с кольцевой маркой и плоское наклонное зеркало.

7. Узел по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сферическое зеркало, расположенное за источником оптического излучения относительно полевой диафрагмы.