Устройство для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта
Владельцы патента RU 2319117:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)
Изобретение относится к устройствам для определения углового распределения излучения, отраженного от поверхности объекта. Заявленное устройство содержит источник излучения, приемник излучения, преобразователь излучения в фототек и блок обработки информации, основание в виде кольца и два полукольца. При этом на каждом из полуколец установлены источник и приемник излучения. Полукольца установлены перпендикулярно плоскости измерения. Причем одно из полуколец подвижно относительно основания. Также указанные полукольца могут быть выполнены укороченными. Техническим результатом является определение углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта, при любых углах падающего излучения путем изменения положений приемника излучения в пределах пространственных углов распределения отраженного излучения для различных положений источника излучения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области измерения оптических характеристик поверхностей, а именно к устройствам для определения углового распределения излучения, отраженного от поверхности объекта.
Известны устройства, рекламный проспект 2005 г., относящиеся к семейству приставок SMART ACCESSORIES™ к ИК - Фурье спектрометрам Nicolet™, изготовляемые одной из ведущих в этой области фирм США Termo Nicolet, предназначенные для определения диффузного отражения излучения от небольших образцов твердых и мягких порошков, полимеров, органических и неорганических веществ, красок и катализаторов (Smart Collector, Diffuse Reflectance, NearIR UPDRIFT). Оптические элементы устройства направляют на приемник излучения спектрометра диффузные составляющие излучения, отраженного от образца. При этом они исключают зеркальную составляющую отраженного излучения. В результате определяется суммарное по пространственным углам излучение, диффузно отраженное образцом.
Известны также устройства (рекламный проспект 2005 г.) SpecuIATR, Refractor, SAGA того же семейства приставок той же фирмы. Они предназначены для определения зеркальной составляющей излучения, отраженного от образцов тонких пленок на металлических поверхностях, смазок и мономолекулярных слоев. Оптические элементы устройства направляют на приемник излучения спектрометра зеркальные составляющие излучения, отраженного от образца, и исключают диффузные составляющие. В результате определяется излучение, зеркально отраженное образцом.
Недостатком данных приставок Smart Accessories™, производимых фирмой, является невозможность определения углового распределения отраженного поверхностью излучения, так как излучение определяется с помощью приставок как суммарная по пространственным углам диффузная или зеркальная составляющая. Еще одним недостатком семейства приставок Smart Accessories™ является невозможность определения оптических характеристик поверхностей объектов, минуя сложную и дорогостоющую стадию изготовления образцов из элементов объекта, с сохранением на образцах изменений оптических свойств поверхностей, которые могут происходить в процессе их эксплуатации, например, при осаждении на их поверхность сажи или при окислении. Кроме того, оптические свойства поверхностей зависят от материалов, из которых они изготовлены, способов их обработки и могут иметь разные способности отражать под разными углами падующее излучение, то есть их отражательная способность может отличаться от чисто диффузной или зеркальной поверхности. Для таких поверхностей также возникает необходимость измерять оптические характеристики поверхностей во всем диапазоне изменения углов отражения при разных углах падающего излучения.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Бесконтактный способ определения качества поверхности и устройство для его осуществления», патент РФ №2249787 от 10 апреля 2005 г., где качество поверхности определяется путем получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности светового излучения, формирования опорных импульсов, преобразования импульсов от диффузной и зеркальной составляющих в фототоки и определения по ним качества поверхности.
Недостатком устройства определения качества поверхности является то, что с помощью этого устройства невозможно определить распределение отраженного излучения по пространственным углам при заданных углах падающего излучения.
Задачей предлагаемого технического решения является определение углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта, при любых углах падающего излучения путем изменения положений приемника излучения в пределах пространственных углов распределения отраженного излучения для различных положений источника излучения. При этом измерение проводится непосредственно от поверхности исследуемого объекта, а не от образца, изготовленного из этой поверхности объекта, что ускоряет измерения, повышает их точность и снижает стоимость измерений.
Технический результат достигается в предлагаемом устройстве для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта, содержащем источник излучения, приемник излучения, преобразователь излучения в фототек и блок обработки информации, причем, согласно изобретению, устройство содержит основание, выполненное в виде кольца, на котором установлены неподвижное полукольцо, концы которого неподвижно закреплены на основании, и подвижное полукольцо, концы которого закреплены на основании на подвижных элементах с электроприводами, и имеют возможность перемещаться по основанию, причем оба полукольца имеют тот же самый диаметр, что и диаметр основания, полукольца перпендикулярны плоскости кольца и расположены со стороны, противоположной исследуемой поверхности объекта, при этом на оба полукольца также установлены подвижные элементы с электроприводами, при этом на одном из подвижных элементов закреплен источник излучения, а на другом приемник излучения, причем источник излучения и приемник излучения направлены в сторону исследуемой поверхности объекта, а оптические оси источника излучения и приемника излучения пересекаются в точке пересечения оси симметрии основания с исследуемой поверхностью объекта.
Устройство для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта (вариант), содержащее источник излучения, приемник излучения, преобразователь излучения в фототок и блок обработки информации, причем, согласно изобретению, устройство содержит основание, выполненное в виде кольца, на котором установлены неподвижное полукольцо, концы которого неподвижно закреплены на основании, и подвижное полукольцо, концы которого закреплены на основании на подвижных элементах с электроприводами, и имеют возможность перемещаться по основанию, причем оба полукольца выполнены укороченными, и расстояния между концами каждого укороченного полукольца равны диаметру основания, укороченные полукольца перпендикулярны плоскости кольца и расположены со стороны, противоположной исследуемой поверхности объекта, при этом на оба укороченных полукольца установлены подвижные элементы с электроприводами, а на основание, со стороны исследуемой поверхности объекта, установлены опоры регулирования расстояния между основанием и исследуемой поверхностью объекта, при этом на одном из подвижных элементов закреплен источник излучения, а на другом приемник излучения, причем источник излучения и приемник излучения направлены в сторону исследуемой поверхности объекта, а оптические оси источника излучения и приемника излучения пересекаются в точке пересечения оси симметрии основания с исследуемой поверхностью объекта.
Таким образом, обеспечивается возможность определять пространственное угловое распределение излучения в полусфере, отраженное от исследуемой плоской поверхности или от исследуемой неплоской поверхности, например, от внутренней поверхности цилиндра. В обоих случаях перемещения источника излучения и приемника излучения происходят по неподвижным и подвижным как полукольцам, так и укороченным полукольцам, а оптические оси источника излучения и приемника излучения пересекаются в точке пересечения оси симметрии основания с исследуемой поверхностью. Расстояния от источника излучения и от приемника излучения до точки, в которой производится измерение, при перемещениях источника излучения и приемника излучения и изменении их пространственных углов остаются постоянными. При этом измерения отраженного излучения выполняют непосредственно на поверхности объекта, а не на образцах, как это предложено в аналагах и в прототипе, что исключает необходимость порчи объекта, иногда дорогостоящего при изготовлении из него образца, тем самым повышается точность измерения, ускоряется процесс измерений и снижается их стоимость.
На фиг.1 изображена схема устройства для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой плоской поверхности объекта.
На фиг.2 изображена схема подвижного элемента с электроприводом (Вид А).
На фиг.3 изображена схема устройства для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта (вариант), преимущественно отраженного от исследуемой неплоской поверхности объекта.
Устройство для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой плоской поверхности объекта на фиг.1 содержит основание 1, выполненное в виде кольца, приемник излучения 2, оптическую ось 12 приемника излучения 2, подвижное полукольцо 3, ось симметрии 4 основания 1, неподвижное полукольцо 5, источник излучения 6, оптическую ось 7 источника излучения 6, подвижный элемент 8, электропривод 9, исследуемую поверхность объекта 11, точку пересечения 10 оси симметрии основания 4 с исследуемой поверхностью объекта 11, направление движения 17 подвижного полукольца 3 по основанию 1, направление движения 18 подвижного элемента 8 по неподвижному полукольцу 5, направление движения 19 подвижного элемента 8 с приемником излучения 2 по подвижному полукольцу 3, преобразователь излучения в фототек 15, блок обработки информации 13. Полукольца 3 и 5 имеют тот же самый диаметр, что и диаметр основания 1.
Подвижный элемент 8 с электроприводом, изображенный на фиг.2 (вид А), содержит неподвижное полукольцо 5, подвижный элемент 8, электропривод 9, червячное соединение 16.
Устройство для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой неплоской поверхности объекта (вариант), п.2 формулы изобретения на фиг.3, содержит основание 1, выполненное в виде кольца, и имеет диаметр, равный диаметру укороченных полуколец 3 и 5, установленных на основании 1. При этом укороченное полукольцо 3 установлено на основании 1 подвижно, а укороченное полукольцо 5 установлено на основании 1 неподвижно. Оптические оси источника излучения 6 и приемника излучения 2 пересекаются в точке пересечения оси симметрии основания 1 с исследуемой поверхностью объекта. На основании 1 со стороны исследуемой поверхности объекта 11 установлены опоры 14 регулирования расстояния между основанием 1 и исследуемой поверхностью объекта 11, что позволяет сфокусировать источник излучения 6 и приемник излучения 2 в исследуемую точку неплоской поверхности объекта.
Работа устройства для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта, преимущественно плоской поверхности, на фиг.1 осуществляется следующим образом.
При любом положении подвижного элемента 8, на котором закреплен источник излучения 6, на неподвижном полукольце 5 производят фокусировку источника излучения 6 в точку пересечения 10 оси симметрии 4 с поверхностью объекта 11, а также при любом положении подвижного полукольца 3 и подвижного элемента 8, на котором закреплен приемник излучения 2, производят фокусировку приемника излучения 2 в точку пересечения 10 оси симметрии 4 с поверхностью объекта 11. Затем при фиксированном положении подвижного элемента 8, на котором закреплен источник излучения 6, и фиксированном положении подвижных элементов 8, на которых закреплено подвижное полукольцо 3, при различных положениях подвижного элемента 8, на котором закреплен приемник излучения 2, на подвижном полукольце 3 производят измерение излучения от источника излучения 6, отраженного от точки пересечения 10 оси симетрии 4 с поверхностью объекта 11. Излучение преобразуется преобразователем излучения в фототек 15 и проводится обработка электрического сигнала блоком обработки информации 13. Затем с помощью подвижных элементов 8 с электроприводом 9 перемещают подвижное полукольцо 3 в новые положения относительно оси симметрии 4 и основания 1 и повторяют измерения при различных положениях подвижного элемента 8 с закрепленным на нем приемником излучения 2. Измерения повторяют для получения пространственного углового распределения излучения от источника излучения 7, отраженного от точки пересечения оси симметрии 4 с поверхностью объекта 11 во всем угловом диапазоне изменения отраженного излучения.
Работа подвижного элемента 8 с электроприводом 9 на фиг.2 осуществляется следующим образом. При включении электропривода 9 поворачивается связанный с ним червяк 20 червячного соединения 16 относительно неподвижного полукольца 5 и перемещается подвижный элемент 8 вдоль неподвижного полукольца 5. Аналогично происходит перемещение подвижных элементов 8 вдоль подвижного полукольца 3 и вдоль основания 1.
Работа устройства для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности (вариант), преимущественно неплоской поверхности, на фиг.3 осуществляется следующим образом.
С помощью опор 14 устанавливают основание 1 над неплоской поверхностью объекта 11 так, чтобы оптическая ось 7 источника излучения 6 пересекала оптическую ось 12 приемника излучения 2 в точке пересечения 10 оси симметрии основания 1 с поверхностью объекта 11. Далее работа устройства аналогична работе устройства для плоской поверхности исследуемого объекта.
В результате работы устройства определяют пространственное угловое распределение излучения, отраженного от точки пересечения 10 на поверхности объекта 11 при различных положениях источника излучения 6 на неподвижном полукольце 5.
Таким образом, предлагаемое устройство, в отличие от известных аналогов и прототипа, позволит измерить угловое распределение излучения, которое отражается непосредственно от поверхности объекта, независимо от формы поверхности. При этом не потребуется изготавливать образцы из измеряемого объекта и этим портить иногда дорогостоящий объект. Это позволит учесть при измерениях возможные изменения оптических свойств поверхности объекта, которые связаны, например, с осаждением сажи или с окислением, что сократит время, стоимость и повысит точность измерений. Потребность в измерениях с помощью предлагаемого устройства возникает в случаях, когда характер отражения поверхностей объектов отличается от чисто диффузного или чисто зеркального отражения.
1. Устройство для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта, содержащее источник излучения, приемник излучения, преобразователь излучения в фототок и блок обработки информации, отличающееся тем, что устройство содержит основание, выполненное в виде кольца, на котором установлены неподвижное полукольцо, концы которого неподвижно закреплены на основании, и подвижное полукольцо, концы которого закреплены на основании на подвижных элементах с электроприводами и имеют возможность перемещаться по основанию, причем оба полукольца имеют тот же самый диаметр, что и диаметр основания, перпендикулярны плоскости кольца и расположены со стороны, противоположной исследуемой поверхности объекта, при этом на оба полукольца также установлены подвижные элементы с электроприводами, при этом на одном из подвижных элементов закреплен источник излучения, а на другом приемник излучения, причем источник излучения и приемник излучения направлены в сторону исследуемой поверхности объекта, а оптические оси источника излучения и приемника излучения пересекаются в точке пересечения оси симметрии основания с исследуемой поверхностью объекта.
2. Устройство для определения углового распределения излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта (вариант), содержащее источник излучения, приемник излучения, преобразователь излучения в фототок и блок обработки информации, отличающееся тем, что устройство содержит основание, выполненное в виде кольца, на котором установлены неподвижное полукольцо, концы которого неподвижно закреплены на основании, и подвижное полукольцо, концы которого закреплены на основании на подвижных элементах с электроприводами и имеют возможность перемещаться по основанию, причем оба полукольца выполнены укороченными, и расстояния между концами каждого укороченного полукольца равны диаметру основания, укороченные полукольца перпендикулярны плоскости кольца и расположены со стороны, противоположной исследуемой поверхности объекта, при этом на оба укороченных полукольца установлены подвижные элементы с электроприводами, а на основание со стороны исследуемой поверхности объекта установлены опоры регулирования расстояния между основанием и исследуемой поверхностью объекта, при этом на одном из подвижных элементов закреплен источник излучения, а на другом приемник излучения, причем источник излучения и приемник излучения направлены в сторону исследуемой поверхности объекта, а оптические оси источника излучения и приемника излучения пересекаются в точке пересечения оси симметрии основания с исследуемой поверхностью объекта.
