Интегрирующая сфера для инфракрасной области спектра

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для оценки светорассеивающих материалов. Интегрирующая сфера выполнена в виде двух соединяемых полусфер с подложкой из стеклоткани и напылением неселективно отражающего в инфракрасной области металла. Техническим результатом является повышение точности измерений вне зависимости от индикатрисы отражения материала.

 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению для светорассеивающих материалов (полиграфических, упаковочных, фармацевтических, пищевых и др.) и может использоваться в производстве интегрирующей сферы для инфракрасной области спектра 1-1000 мкм.

При конструировании инфракрасных спектрофотометров в качестве измерительного элемента используют интегрирующую сферу. Методом интегрирующей сферы получают наиболее точные данные по отражательной и пропускательной способностям диффузно рассеивающих материалов области спектра 0,2-2,6 мкм. Интегрирующая сфера представляет собой полый шар, внутренняя поверхность которого покрыта диффузно рассеивающими материалами - сернокислым барием, окисью алюминия, окисью магния, мелкодисперсным кремнеземом, различными видами эмалей и т.п. Интегрирующие сферы с такими покрытиями являются основными измерительными элементами фотометров и спектрофотометров.

Известны интегрирующие сферы, полученные путем покрытия серой или окислами металлов, путем пескоструйной обработки поверхности и с применением шероховатой абразивной (наждачной) бумаги, покрываемой напылением алюминия в вакууме [1, 2].

Шероховатые поверхности интегрирующих сфер, полученные пескоструйной обработкой и наклеиванием абразивной бумаги, неэффективны вследствие большего поглощения. При этом отражательная способность шероховатого покрытия низка, а индикатриса отражения отличается селективностью и имеет значительную зеркальную составляющую в дальней ИК-области спектра. Поэтому они недостаточно эффективны и не решают поставленной задачи.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является сфера, выполненная из стекла в виде волнообразной оболочки с внутренним покрытием, обладающим неселективным диффузным отражением [3]. Волнообразную поверхность интегрирующей сферы для ИК области получают путем выдавливания огромного количества углублений на поверхности стеклянной сферы [3].

Выдавливание углублений с шагом 7 мм на поверхности сферы осуществляют снаружи с помощью заостренного углеродного прута при локальном нагревании стекла до точки размягчения.

Недостатком технологии изготовления волнообразной поверхности является трудоемкость выдавливания огромного количества малых углублений в стеклянной сфере при локальном нагреве стекла до точки размягчения.

Недостатком поверхности является крупный шаг (7 мм) углублений, несоизмеримый с длиной волны 1-5 мкм ближнего ИК-диапазона, который и обусловливает низкую степень диффузности индикатрисы отражения поверхности сферы Морриса. Отклонения индикатрисы отражения от идеально диффузной в коротковолновой ИК-области достигают 20-60% при больших углах наблюдения.

Недостатки известной стеклянной интегрирующей сферы - низкая эффективность интегрирования излучения и большая трудоемкость в изготовлении.

Указанные недостатки устраняются тем, что предлагается получать волнообразную поверхность сферы в нормальных условиях непосредственно на всей поверхности двух половинок сферы в результате одной технологической операции - наклеивания стеклоткани. Получаемая волнообразная поверхность из стеклоткани отличается от известной по структуре тем, что имеет плавные выпуклости и впадины с двойным шагом: крупным и мелким. Это улучшает оптические характеристики поверхности. Размеры крупных выпуклостей и впадин соответствуют поперечным размерам нитей стеклоткани (основы и утка 500-1000 мкм) и мелких - поперечным размерам волокон, из которых скручены нити. Поперечный размер волокон стеклоткани полидисперсен 1-15 мкм. Предлагаемый способ дает возможность получить волнообразную поверхность с любым необходимым шагом углублений и выпуклостей, в отличие от известного 7 мм, и, тем самым, получить большую степень диффузности индикатрисы ее отражения.

После напыления в вакууме алюминия, серебра или золота на такую поверхность стеклоткани, имеющую крупные и мелкие волнообразные неровности, получают неселективное диффузно отражающее покрытие интегрирующей сферы для коротко- и длинноволнового ИК излучения в диапазоне 1-1000 мкм.

Для получения индикатрисы отражения волнообразной поверхности сферы, близкой к идеально диффузной в ИК области спектра, по предлагаемому способу выбирают стеклоткань с плотной структурой нитей основы и утка с равными поперечными размерами нитей (основы и утка), соизмеримыми с наибольшей граничной длиной волны (например, 1000 мкм), при этом поперечный размер волокон, из которых скручены нити, выбирают соизмеримым с наименьшей длиной волны (например, 1 мкм) данной области спектра. Для обеспечения одинаковой диффузности индикатрис отражения во взаимно перпендикулярных направлениях (плоскостях) выбирают плотную стеклоткань с равными размерами основы и утка, образующими структуру плотной решетки без просветов, размеры элементарной ячейки которой соизмеримы с длиной волны в дальней ИК-области спектра 500-1000 мкм.

Сфера, в отличие от известной цельной стеклянной, может состоять из двух соединяемых полусфер, изготовленных из металла, пластмассы, стекла или другого материала. Стеклоткань наклеивают на поверхность сферы с помощью эпоксидной смолы, полимеризующейся в нормальных условиях длительно или ускоренно при повышенной температуре в печи. Из большого разнообразия параметров промышленных стеклотканей выбирают стеклоткань с поперечными размерами нитей 500-1000 мкм и волокон 1-15 мкм, которые образуют волнообразные микронеровности, соизмеримые с длиной волны до 1,0 мкм.

Пример получения волнообразной поверхности интегрирующей сферы для ИК области состоит в следующем. Предварительно очищение внутренние поверхности двух полусферических заготовок сферы из выбранного материала (металл, стекло, пластмасса и др.) покрывают тонким слоем эпоксидной смолы с помощью тампона из капроновой губки. Раскрой двух отрезков стеклоткани также покрывают с одной стороны эпоксидной смолой. Затем с помощью мягкого (например, из губки) сферической формы пуансона подготовленные отрезки стеклоткани вводят покрытой стороной внутрь полусферических заготовок и приклеивают при разглаживании. Эпоксидная смола, частично впитываемая стеклотканью, дает возможность плоской ткани принять сферическую форму радиуса сферы без образования складок и просветов между нитями. Таким простым способом получают необходимую волнообразную поверхность сразу всей полусферы из единого раскроя стеклоткани. Затем обычным способом напыляют на поверхность неселективно отражающий в ИК области металл (золото, серебро или алюминий) и поверхность интегрирующей сферы становится неселективно и диффузно отражающей в ИК области спектра.

Эффективность алюминизированной волнообразной поверхности предлагаемой сферы из стеклоткани значительно выше, чем у известной, вследствие более высокой степени диффузности индикатрисы отражения в коротковолновой ИК области спектра.

Кроме того, предлагаемая волнообразная поверхность дает возможность значительно повысить эффективную освещенность внутри интегрирующей сферы. По сравнению с шероховатыми покрытиями из золота рассчитанная по известной методике [1, 2] эффективная освещенность внутри интегрирующей сферы с алюминизированным стеклотканевым покрытием повышается в 6 раз (с 3% при R=0,854, до 18% при R=0,973).

Применение предлагаемого изобретения для оценки оптических защитных характеристик упаковочных материалов позволит повысить точность измерения в независимости от индикатрисы отражения упаковочного материала

Источники информации

1. Ильясов С.Г., Красников В.В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1978, с.360.

2. Ilyasov S.G., Krasnikov V.V. Physical principles of infrared irradiation of food-stuffs, - New York, Washington, Philadelphia, London.: Hemisphere Publishing Corporation, 1991, p.397.

3. Morris J.C., Integrating Sphere to the Infrared. Applied Optics, 1966, vol. 5, №6, pp.1035-1037.

Интегрирующая сфера для инфракрасной области спектра, содержащая волнообразную диффузно отражающую оболочку с покрытием из металла, отличающаяся тем, что интегрирующая сфера выполнена из двух соединяемых полусфер, а на внутренней поверхности каждой полусферы размещено волнообразное покрытие из стеклоткани с плотной структурой нитей основы и утка, поперечные размеры которых соизмеримы с длиной волны в дальней ИК-области спектра 500-1000 мкм, а поперечные размеры волокон, из которых скручены нити, соизмеримы с длиной волны в ближней ИК-области спектра 1,0-15,0 мкм.