УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА
APPARATUS AND METHOD FOR OBSERVING SURFACE OF SAMPLE

Настоящее изобретение относится к устройству для наблюдения внешнего вида поверхности образца, которое содержит источник света для освещения упомянутой поверхности в определенном направлении и средство наблюдения поверхности.
Предшествующий уровень техники
Выражение «внешний вид» в данном описании используется для обозначения комбинация вариантов и/или свойств поверхности образца и его восприятия наблюдателем, включая рельеф поверхности, цвет поверхности, характеристики отражения света и поглощения света поверхностью и т.д. «Наблюдение» является общим выражением, оно может включать осмотр и/или запись, и/или анализ внешнего вида образца.
При наблюдении внешнего вида поверхности образца поверхность можно рассматривать с определенной стороны, при этом луч света направляется на поверхность с другой стороны. Посредством этого может быть получена различная информация о поверхности в зависимости от направления, интенсивности и цвета света, а также от направления, с которого осматривается поверхность. Наблюдаемый внешний вид может включать текстуру и/или рельеф или выпячивания и выступы поверхности, такие как волосы на коже, и, в случае, если сама поверхность является более или менее светопроницаемой, текстуру и/или цвет, и/или структуру области под поверхностью, то есть, подповерхностной зоны. Наблюдение может записываться и/или анализироваться.
Методика бесконтактного наблюдения без внесения возмущений является целесообразной во многих областях техники для определения структуры поверхности и/или подповерхностной зоны. Кроме того, использование данной методики позволяет охарактеризовать тип и плотность дефектов материалов и другие признаки, имеющие геометрическую форму. Другим применением данной методики является анализ характеристик и состояния человеческой кожи. Устройство также можно использовать для классификации оптических свойств поверхностей, появляющихся на фотографиях земли с воздуха или из космоса при различной солнечной освещенности и углах обзора. Для этой цели участки поверхности земли, например, различные типы почв, дорожного покрытия или растительности можно наблюдать с помощью устройства, а наблюдения сравнивать с полученными фотографиями поверхности земли.
В частности, когда нужно проанализировать детали структуры (морфологии), желательно проводить наблюдения внешнего вида поверхности с разных сторон, при этом источник света также может освещать поверхность с одного или нескольких заранее определенных направлений (различных углов относительно плоскости поверхности).
В частности, когда осуществляется наблюдение поверхности сравнительно большого размера, например участка человеческой кожи, невозможно поместить образец внутрь устройства. В этом случае устройство должно быть помещено на образец или напротив образца или его части, при этом поверхность для наблюдения располагается на наружной стороне устройства.
В патенте США 4,574,244 раскрыта система обнаружения рассеянного излучения, которая содержит неподвижный источник излучения, которое падает на образец под углом в 0° к нормали. В патенте США 4,360,275 раскрыто устройство для измерения оптического рассеяния, содержащее одно фиксированное входное отверстие для пучка излучения, а также одно фиксированное диаметрально противоположное выходное отверстие для выхода нерассеянного света.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для наблюдения внешнего вида поверхности образца, которое содержит источник света для освещения вышеупомянутой поверхности в определенном направлении, при этом поверхность наблюдается с нескольких сторон одновременно, в результате чего анализ образца может проводиться на основании одного наблюдения.
Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства наблюдения внешнего вида образца, которое содержит источник света для освещения вышеупомянутой поверхности в определенном направлении, при этом поверхность наблюдается с нескольких сторон одновременно, а образец может быть расположен на наружной стороне устройства.
Для решения одной или обеих поставленных задач в предложенном устройстве средство наблюдения поверхности содержит множество по существу плоских зеркал, расположенных в различных направлениях к наблюдаемой поверхности, и оптическую систему для наблюдения упомянутых плоских зеркал, при этом каждое плоское зеркало отражает изображение поверхности образца на узел приема изображений оптической системы, то есть на линзу или зеркало и т.п. При этом положение плоских зеркал может быть зафиксированным или настраиваемым. Зеркала являются в основном плоскими, то есть они являются плоскими или имеют небольшие отклонения от плоской формы с целью увеличения или уменьшения изображения, которое они отражают на узел приема изображений оптической системы. Следовательно, зеркала могут быть немного выпуклыми или вогнутыми. В любом случае, в данном описании они будут называться плоскими зеркалами. Положение источника света является настраиваемым, так что поверхность образца может освещаться из различных предварительно определенных положений.
В предпочтительном варианте осуществления плоские зеркала расположены в основном на одинаковых расстояниях от места размещения поверхности для наблюдения, то есть рядом с поверхностью воображаемого сферического купола над местом расположения поверхности, при этом данное расположение является центром купола. Таким образом, плоские зеркала могут размещаться вдоль линии, то есть части окружности на поверхности воображаемого купола, или плоские зеркала могут располагаться в виде решетки на вышеупомянутой поверхности, то есть быть распределенными по поверхности воображаемого купола. Возможны любые другие размещения плоских зеркал.
Предпочтительно, плоские зеркала расположены в основном на одинаковых расстояниях от места размещения узла приема изображений оптической системы, то есть линзы или зеркала и т.п., принимающего изображения, которые отражаются плоскими зеркалами. В случае если плоские зеркала размещены рядом с поверхностью воображаемого сферического купола, как описывалось выше, то узел приема изображения оптической системы располагается, так же как и поверхность для наблюдения, около центра этого купола. Таким образом, оптическая система наблюдает поверхность с помощью различных зеркал с одного и того же расстояния, в результате чего получаются сопоставимые изображения.
В предпочтительном варианте осуществления узел приема изображения оптической системы и поверхность для наблюдения расположены рядом друг с другом, при этом среднее расстояние между местом размещения поверхности для наблюдения и плоскими зеркалами более, чем в десять раз, предпочтительно, более, чем в пятнадцать раз, больше расстояния между местом размещения поверхности для наблюдения и местом размещения узла приема изображения оптической системы. В случае, когда место размещения поверхности для наблюдения и место размещения линзы или зеркала, получающего изображения поверхности, находятся рядом друг с другом, все плоские зеркала могут быть расположены в основном на равных расстояниях от обоих вышеупомянутых мест размещения, при этом оптическая система наблюдает поверхность через все плоские зеркала в основном с одного и того же расстояния.
Оптическая система может быть снабжена выпуклой линзой, так называемой линзой типа рыбий глаз или широкоформатной линзой для получения всех изображений поверхности с разных направлений. Однако в предпочтительном варианте осуществления, узел приема изображений оптической системы является в основном сферическим зеркалом, предпочтительно, выпуклым зеркалом, при этом плоские зеркала отражают изображения поверхности в направлении сферического зеркала, в результате чего через упомянутое сферическое зеркало можно наблюдать различные изображения. Отражающая поверхность такого зеркала в основном имеет форму части шара, в результате чего при взгляде в зеркало можно увидеть широкоформатный вид окружения зеркала.
Путем использования зеркала для получения изображений устройство может быть спроектировано таким образом, что источник света, так же как и плоские зеркала и оптическая система, содержащая зеркало, будут расположены с одной стороны плоскости, проходящей через место размещения поверхности для наблюдения. Таким образом, устройство может быть спроектировано так, что оно может быть размещено напротив образца, или образец может быть помещен напротив устройства, в результате чего можно производить наблюдение участка поверхности сравнительно большего образца. Устройство может быть спроектировано в виде портативного прибора и может помещаться на кожу тела человека.
Предпочтительно, имеются пять или более плоских зеркал, и более предпочтительно, более восьми зеркал, так что элементы наблюдаемой поверхности видны оптической системой одновременно с нескольких направлений с целью проведения полного анализа поверхности.
В предпочтительном варианте осуществления оптическая система содержит камеру для записи представления поверхности, причем это представление содержит множество изображений поверхности для наблюдения, полученных с различных направлений, при этом камера и источник света установлены неподвижно.
Предпочтительно место размещения источника света является настраиваемым, в результате чего поверхность образца может освещаться с различных предварительно определенных направлений, то есть падающий световой луч попадает на поверхность образца под различными углами. Таким образом, камера может записывать представления, причем поверхность освещена различным образом, в результате чего можно получить больше информации о поверхности.
В предпочтительном варианте осуществления устройство содержит сферический экран, расположенный перед плоскими зеркалами, при этом экран содержит одно или несколько отверстий, через которые может проходить световой луч, а также отверстие, через которое можно наблюдать узел приема изображений оптической системы. Сферический экран может представлять собой подвижный купол, выполненный из рассеивающего материала. Таким образом, устройство может дополнительно использоваться в качестве рефлектометра, то есть являться устройством, например, описанным в документе WO-A-2004/077032, которое также является устройством анализа свойств поверхности. При этом вместо изображений поверхности образца может быть записано отражение (излучение) света от поверхности с различных направлений, что является другой методикой обнаружения и анализа аспектов и свойств поверхности образца. Купол может быть также частично рассеивающим, в результате чего камера может получать один снимок, содержащий ряд изображений поверхности для наблюдения, видимой посредством плоских зеркал, а также одно или более изображений, показывающих излучение поверхности для наблюдения в предварительно определенных направлениях в сторону рассеивающих участков сферического экрана.
Предпочтительно, сферический экран выполнен из прозрачного материала, покрытого материалом, который может стать рассеивающим по электронной команде. При этом сферический экран может быть полностью покрыт вышеупомянутым покрытием, благодаря чему устройство может использоваться как рефлектометр, а также может применяться для наблюдения поверхности с различных направлений, как было описано выше. В предпочтительном варианте осуществления покрытие наносится на один или более участков экрана, в результате чего по электронной команде в куполе могут создаваться рассеивающие области и прозрачные области.
Покрытие, которое может быть сделано рассеивающим или рассеивающим по электронной команде, само по себе известно, например, известны жидкие кристаллы с диспергированным полимером (материал PDLC). Путем изменения ориентации молекул жидких кристаллов посредством электрического поля можно изменять степень прозрачности материала.
Настоящее изобретение относится также к способу наблюдения внешнего вида поверхности образца, в котором освещают поверхность источником света в определенном направлении и наблюдают поверхность в другом направлении, при этом поверхность наблюдают посредством множества в основном плоских зеркал, расположенных в различных направлениях относительно указанной поверхности, при этом каждое плоское зеркало отражает изображение поверхности образца на узел приема изображения оптической системы, которая наблюдает поверхность и предпочтительно является выпуклым сферическим зеркалом.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием двух вариантов осуществления устройства для наблюдения внешнего вида поверхности со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает первый вариант осуществления изобретения;
фиг.2 - снимок, записанный камерой, согласно изобретению;
фиг.3 - второй вариант осуществления, в котором присутствует сферический экран, согласно изобретению.
Описание вариантов воплощения изобретения
На сопровождающих чертежах показаны только узлы устройства, необходимые для объяснения функционирования устройства.
На фиг.1 показан схематично первый вариант осуществления устройства в разрезе. Образец 1 имеет поверхность 2, которая будет наблюдаться с целью записи и анализа этой поверхности 2. Образец 1 расположен под опорной плитой 3 устройства для наблюдения поверхности. Опорная плита 3 имеет круглый наружный край 4 и центральное отверстие 5. Поверхность 2 расположена в отверстии 5. Выпуклое сферическое зеркало 6 находится на опорной плите 3 и расположено рядом с отверстием 5. Круглый край 4 опорной плиты 3 соединен с полусферическим каркасом 7, показанным пунктирной линией. На каркас 7 установлен ряд плоских зеркал 8, при этом зеркала 8 распределены по внутренней поверхности каркаса 7. Каждое плоское зеркало 8 расположено таким образом, что оно отражает изображение поверхности 2 образца 1 в направлении выпуклого зеркала 6, что показано штрихпунктирными линиями 9, 10.
Поверхность 2 освещается посредством источника 11 света, при этом источник 11 света расположен снаружи каркаса 7. Источник 11 света направляет свой луч света 12 (обозначен двумя линиями) через отверстие 13 в каркасе 7 на участок, в котором отсутствует зеркало 8. Кроме того, снаружи каркаса 7 находится камера 14, которая направлена на выпуклое зеркало 6 через отверстие 15 в каркасе 7 на участок, в котором отсутствует зеркало 8. Направление обзора камеры 14 обозначено штрихпунктирной линией 16.
В описываемом устройстве камера 14 может принимать снимок, как показано на фиг.2. Снимок содержит множество изображений 23 поверхности 2 образца 1, при этом каждое изображение 23 наблюдается через одно из плоских зеркал 8 и, следовательно, с другого направления. Анализ поверхности 2 может быть проведен на основании снимка, содержащего различные изображения 23, показанные на фиг.2. В снимке на фиг.2 есть три участка, на которых отсутствует изображение 23. Участок 24 представляет собой первое отверстие каркаса 7, где отсутствует зеркало 8, и через которое поверхность 2 может освещаться источником 11 света посредством луча, перпендикулярного поверхности 2. Участок 24 представляет собой отверстие каркаса 7 для освещения поверхности 2 под определенным углом. И участок 26 представляет собой отверстие каркаса 7, через которое камера 14 производит съемку. В качестве альтернативы, также можно установить набор небольших источников света, расположенных между плоскими зеркалами, при этом источники света могут индивидуально включаться и выключаться.
На фиг.3 показано то же устройство, что показано на фиг.1, однако здесь перед каркасом 7 и зеркалами 8 размещен полусферический экран 17. Экран 17 выполнен из рассеивающего материала, в результате чего отражение луча 12 от источника 11 света проецируется на экран 17. При этом выпуклое зеркало 6 отражает внешний вид внутренней поверхности экрана 17 на камеру 14, в результате чего снимок, сделанный камерой 14, показывает, в основном, внешний вид всего экрана 17. Таким образом, полученный снимок содержит отраженное излучение поверхности 2 практически во всех направлениях. Штрихпунктирная линия 18 показывает одно из направлений этого излучения, а цвет и интенсивность этого излучения наблюдаются камерой 14 через выпуклое зеркало 6, как показано штрихпунктирными линиями 19 и 20. Экран 17 имеет отверстие 21, при этом через отверстие 21 может проходить луч света 12, и отверстие 22, через которое камера 14 может наблюдать выпуклое зеркало 6. На основании внешнего вида внутренней поверхности экрана 17 производится дальнейший анализ поверхности 2 образца 1.
Два вышеописанных варианта осуществления являются только примерами устройства согласно изобретению, также возможно множество других вариантов осуществления.