Устройство для измерения двунаправленной функции рассеяния (варианты)
DEVICE FOR MEASURING THE BIDIRECTIONAL SCATTERING FUNCTION (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к оптическим методам измерения и предназначено для высокоточного измерения двунаправленной функции рассеяния (ДФР), которая может быть использована в проектировании и моделировании оптических приборов, в компьютерной графике при синтезе реалистичных изображений, содержащих объекты со сложными рассеивающими свойствами, анализе свойств материалов и других прикладных областях.
Известны устройства, предназначенные для измерения ДФР: «Установка для измерения функции двунаправленного рассеяния с непрерывным спектром» (заявка CN102854149A, G01N 21/25, дата приоритета 2012.08.31, дата публикации 2013.01.02) и «Система измерений и устройство измерения спектральной двунаправленной функции рассеяния» (заявка WO2021004436A1, G01N 21/47, G01N 21/29, G01N 21/01, дата приоритета 2019.07.08, дата публикации 2021.01.14). В данных устройствах используется простейшая схема осветительной и приемной систем. Для одного направления освещения производится измерение одного направления наблюдения. Специальные угловые поворотные конструкции используются для установки требуемого углового положения источника и приемника света. Такая схема измерений требует значительного времени измерений. Кроме того, для обеспечения достаточной точности измерений необходимо обеспечить достаточно длинную дистанцию между выходным зрачком осветительной системы и образцом, что не позволяет сделать такую установку малогабаритной.
Известны «Портативное устройство для измерения силы света» (патент EP1671108B1, G01N 21/55, дата приоритета 2004.10.08, дата публикации 2008.12.03) и «Устройство и методика для измерения оптических характеристик» (патент JP6678901B2, G01N 21/17, дата приоритета 2017.11.02, дата публикации 2020.04.20). Эти устройства используют криволинейные отражающие или пропускающие поверхности для формирования направления освещения и наблюдения. Главным преимуществом таких устройств является высокая скорость измерений, так как при одном направлении освещения измеряется сразу все направления наблюдения. Однако существенным недостатком таких моделей является низкая точность из-за невозможности обеспечить высокую параллельность освещающего пучка, по крайней мере, без значительного увеличения габаритов измерительной установки. Использование общего пространственного приемника (камеры) для регистрации рассеянного света также является существенным источником ошибок из-за перекрытий пучков близких направлений.
Наиболее близким техническим решением и принятым за прототип является «Измерительная система двунаправленной функции рассеяния, способная измерять трехмерную характеристику отражения» (патент KR101909817B1, G01N 21/55, дата приоритета 2017.05.02, дата публикации 2018.12.18). Это измерительное устройство включает корпус, поверхность, которого контактирует с поверхностью измеряемого образца, осветительный блок, содержащий набор источников света с фокусирующими линзами (выходными конденсорами), распределенными по дуге в четверть окружности, с возможностью ее азимутального вращения вокруг нормали к измеряемому образцу, помещаемому в центр кривизны дуги, и излучающими свет в широком спектральном диапазоне, приемный блок, состоящий из блока фотоприемников, распределенных по дуге в четверть окружности, с возможностью ее вращения вокруг нормали к поверхности измеряемого образца, помещаемого в центр кривизны дуги. Каждый из источников света во включенном состоянии, освещает измеряемый образец под определенным полярным углом, между направлением освещения и вертикальной осью, совпадающей с нормалью к поверхности измеряемого образца, обеспечивая возможность изменения падения света под полярным углом с дискретным угловым шагом, зависящим от частоты размещения источников света по дуге в четверть окружности. Вращение дуги блока фотоприемников вокруг вертикальной оси, совпадающей с нормалью к поверхности измеряемого образца на азимутальный угол 0° ÷ 360°, обеспечивает детектирование света для различных азимутальных направлений. Таким образом, свет, излучаемый в широком спектральном диапазоне одним из источников света осветительного блока, рассеивается образцом и регистрируется блоком фотоприемников при некотором исходном азимутальном повороте дуги в четверть окружности с фотоприемниками, затем дуга с фотоприемниками поворачивается на новый азимутальный угол, заданный оператором, и происходит измерение рассеянного света для этого нового азимутального положения дуги с фотоприемниками. Эта процедура повторяется, пока все угловое приемное пространство не будет охвачено измерениями. После этого текущий источник света отключается и включается новый источник света, расположенный на дуге в четверть окружности, и процедура измерения рассеянного света для нового полярного направления освещения повторяется для всех заданных азимутальных вращений дуги блока фотоприемников. Подобные измерения производятся для каждого источника света, расположенного на дуге. На базе этих измерений происходит вычисление двунаправленной функции рассеяния. Недостатками прототипа являются низкая точность измерений ДФР, отсутствие возможности измерения в спектральном формате, отсутствие возможности измерений образцов с флуоресцентными и поляризационными свойствами, пропускающей компоненты ДФР.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемых устройств, является повышение точности измерений рассеивающих свойств с дополнительными характеристиками.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в уменьшении погрешности измерений и расширении функциональных возможностей устройства.
Сущность заключается в том, что устройство для измерения двунаправленной функции рассеяния содержит осветительный блок, включающий источник света с выходным конденсором, блок фотоприемников, расположенных по дуге в четверть окружности с возможностью ее азимутального вращения вокруг нормали к поверхности измеряемого образца, помещаемого в центр кривизны дуги, отличается тем, что измеряемый образец закреплен на поворотном столе посредством крепежных элементов с возможностью его поворота вокруг нормали к поверхности измеряемого образца на азимутальный угол 0°÷360°, а осветительный блок оснащен рефлектором излучения от источника света, и между источником света и выходным конденсором расположены входной конденсор и монохроматор, при этом по ходу распространения излучения от осветительного блока, установлен светоделитель с функцией направления излучения в блок коррекции с детектором светового потока и в блок поворотных зеркал, направляющих излучение по сторонам четырехугольника до измеряемого образца, находящегося также в вершине четырехугольника с возможностью его вращения вокруг оптической оси элементов осветительного блока, при этом блок фотоприемников выполнен с возможностью дополнительного полярного вращения по дуге, на которой они расположены, а перед входной поверхностью каждого фотоприемника установлена фокусирующая линза с полевой диафрагмой, причем нормаль к входной поверхности фотоприемника ориентирована к оптической оси последней под углом, превышающим ее угловое поле зрения.
Устройство для измерения двунаправленной функции рассеяния, содержит осветительный блок, включающий источник света с выходным конденсором, блок фотоприемников, расположенных по дуге в четверть окружности с возможностью ее азимутального вращения вокруг нормали к поверхности измеряемого образца, помещаемого в центр кривизны дуги, отличается тем, что измеряемый флуоресцентный образец размещен на поворотном столе с крепежными элементами с возможностью его поворота вокруг нормали к измеряемому образцу на азимутальный угол 0° ÷ 360°, а осветительный блок оснащен рефлектором излучения от источника света, и между источником света и фокусирующей линзой расположены входной конденсор и монохроматор, а по ходу распространения излучения от осветительного блока, установлен светоделитель с функцией направления излучения в блок коррекции с детектором светового потока и в блок поворотных зеркал, направляющих излучение по сторонам четырехугольника до измеряемого образца, находящегося также в вершине четырехугольника с возможностью его вращения вокруг оптической оси элементов осветительного блока, при этом блок фотоприемников выполнен с возможностью дополнительного полярного вращения по дуге, на которой они расположены, а перед входной поверхностью каждого фотоприемника установлены узкополосный интерференционный фильтр и фокусирующая линза с полевой диафрагмой, причем нормаль к входной поверхности фотоприемника ориентирована к оптической оси последней под углом, превышающим ее угловое поле зрения.
Устройство для измерения двунаправленной функции рассеяния, содержит осветительный блок, включающий источник света с выходным конденсором, блок фотоприемников, расположенных по дуге в четверть окружности с возможностью ее азимутального вращения вокруг нормали к поверхности измеряемого образца, помещаемого в центр кривизны дуги, отличается тем, что измеряемый образец с поляризационными свойствами размещен на поворотном столе с крепежными элементами с возможностью его поворота вокруг нормали к поверхности измеряемого образца на азимутальный угол 0° ÷ 360°, а осветительный блок оснащен рефлектором излучения от источника света, между источником света и фокусирующей линзой расположены входной конденсор и монохроматор, а по ходу распространения излучения от осветительного блока, установлен светоделитель с функцией направления излучения в блок коррекции с детектором светового потока и в блок поворотных зеркал, направляющих излучение по сторонам четырехугольника до измеряемого образца, н4аходящегося также в вершине четырехугольника с возможностью его вращения вокруг оптической оси элементов осветительного блока, при этом после светоделителя установлен узел поляризационных фильтров, при этом блок фотоприемников выполнен с возможностью дополнительного полярного вращения по дуге, на которой они расположены, а перед входной поверхностью каждого фотоприемника установлены узел поляризационных фильтров и фокусирующая линза с полевой диафрагмой, причем нормаль к входной поверхности фотоприемника ориентирована к оптической оси последней под углом, превышающим ее угловое поле зрения.
Введение поворотного стола, на котором крепится измеряемый образец, обеспечивает более высокую точность измерения ДФР благодаря более точному позиционированию измеряемой поверхности. Блок поворотных зеркал, обеспечивает плавное изменение полярного угла освещения образца. Введение дополнительного полярного поворота в блок фотоприемников вдоль дуги в четверть окружности, на которой они расположены, обеспечивает плавное изменение направления детектирования света. Размещение перед входной поверхностью каждого фотоприемника фокусирующей линзы с полевой диафрагмой повышает угловое разрешение измерений, а наклонная ориентация поверхности фотоприемника к оптической оси этой линзы уменьшает паразитные засветки от измеряемого образца. Введение светоделителя с функцией направления излучения в блок коррекции с детектором светового потока, измеряющего входное излучение, обеспечивает контроль флуктуации светового потока, излучаемого источником света. Введение монохроматора обеспечивает возможность спектральных измерений. Наличие интерференционных и поляризационных фильтров соответственно во втором и третьем вариантах устройства наряду с расширением функциональных возможностей позволяет оценивать дополнительные характеристики образцов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1–2, где на:
фиг. 1 представлена блок схема устройства для измерения двунаправленной функции рассеяния,
фиг. 2 – узел фотоприемника.
Устройство содержит поворотный стол 1, на котором крепится измеряемый образец 2 с помощью прижимного механизма, включающего прижимную пружину 3 и прижимное кольцо 4, при этом поворотный стол 1 с образцом 2, имеет возможность вращения вокруг вертикальной оси, совпадающей с нормалью к поверхности образца 2 на угол в диапазоне от 0° до 360°, осветительный блок 5, блок коррекции с детектором светового потока 6, поворотный блок с тремя зеркалами 7, и блок фотоприемников 8. который имеет возможность вращения вокруг нормали к поверхности образца. 2. Осветительный блок 5 состоит из источника света 9, сферического рефлектора 10, центр кривизны которого совпадает с центром тела свечения источника света 9, входного конденсора 11, монохроматора 12, аттенюатора 13 и выходного конденсора 14. Рефлектор 10 и входной конденсор 11 предназначены для направления излучения во входную щель монохроматора 12 максимальным световым потоком. При необходимости измерения образцов 2 с поверхностью близкой к зеркальной используют аттенюатор 13. Светоделитель 15, установленный по ходу распространения излучения от осветительного блока 5 предназначен для разделения светового пучка на два; один направляется в блок коррекции с детектором светового потока 6, а второй – на зеркало 16 блока поворотных зеркал 7. Этот блок 7 состоит из плоских зеркал 16, 17 и 18 расположенных в трех вершинах четырехугольника, в четвертой вершине которого находится измеряемый образец 2 и имеет возможность вращения на угол 0°÷180°. вокруг оптической оси осветительного блока 5. Блок фотоприемников 8 представляет собой набор отдельных узлов фотоприемников, распределенных по дуге в четверть окружности с центром кривизны, в области которого располагается образец 2. Блок фотоприемников 8 имеет возможность двух вращений: азимутального – вокруг нормали к поверхности образца на угол 0°÷360° и полярного вдоль дуги на угол равный угловому шагу между двумя соседними узлами фотоприемников. Каждый узел фотоприемника содержит фотоприемник 19, перед входной поверхностью 20 которого установлена фокусирующая линза 21 с расположенной в ее фокальной плоскости полевой диафрагмой 22. Нормаль к входной поверхности 20 фотоприемника 19 ориентирована к оптической оси линзы 21 под углом, превышающим ее угловое поле зрения.
Второй вариант устройства, предназначен для измерения флюоресцентных образцов. Для этого перед каждым узлом фотоприемника 19, перед фокусирующей линзой 21, устанавливают узкополосные интерференционные фильтры 23.
При реализации третьего варианта устройства предназначенного для измерения поляризационной ДФР добавлены два набора поляризационных фильтров 24 и 25. Набор фильтров 24 устанавливают на место фильтра 23 , а набор фильтров 25 вводится после светоделителя 15. В состав каждого набора поляризационных фильтров включены линейный поляризатор и четвертьволновая пластина.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы устройства производиться его калибровка, посредством измерений эталонного образца. Измеряемый образец 2 закрепляют на поворотном столе 1, с помощью прижимной пружины 3 и прижимного кольца 4. Свет, излучаемый источником света 9 осветительного блока 5, проецируется с помощью рефлектора 10 и входного конденсора 11 на входной щели монохроматора 12, после которого, на выходной щели монохроматора 12 свет становиться монохромным, определенным в узком интервале длин волн. Стартовое значение длины волны, определяется опционально оператором, проводящим измерения. При измерении образцов со свойствами близкими к зеркальным в схему введен аттенюатор 13 для уменьшения светового потока вышедшего с выходной щели монохроматора 12. Далее свет попадает на выходной конденсор 14, после которого с помощью светоделителя 15 разделяется на два пучка, один из которых используется для освещения образца 2, а другой пучок перенаправляется в блок коррекции с детектором света 6 для регистрации входного потока, излученного осветительным блоком 5. Информация от блока коррекции с детектором светового потока 6 передается на компьютер для учета возможных флуктуаций излучения источника света 9. Часть пучка после светоделителя 15 попадает на плоские зеркала 16, 17 и 18 блока поворотных зеркал 7 и используется для освещения образца 2. Угол падения света между нормалью к поверхности образца 2 и направлением пучка света отраженного зеркалом 18 регулируется поворотом блока поворотных зеркал 7 вокруг оптической оси осветительного блока 5. При вращении блока поворотных зеркал 7 на угол 0°÷90° освещается верхняя сторона измеряемого образца 2. Этот диапазон поворота используется для измерения двунаправленной функции отражения (ДФО). А при вращении блока поворотных зеркал 7 на угол 90°÷180° освещается нижняя сторона образца. Этот диапазон поворота используется для измерения двунаправленной функции пропускания (ДФП). Свет, отраженный или пропущенный образцом 2, детектируется блоком фотоприемников 8 при некотором фиксированном положении поворотной дуги с фотоприемниками. Далее поворотная дуга поворачивается на заданный угол вокруг нормали к поверхности образца 2 и производится детектирование света для новых направлений освещения. Эта процедура повторяется, пока все угловое пространство не будет измерено. Угловой шаг задается оператором на компьютере, и все измерения производятся в автоматическом режиме. При измерении образцов с узконаправленным рассеянием в процесс измерений вводиться дополнительный полярный поворот вдоль дуги с фотоприемниками. После окончания измерений для заданного угла освещения, производиться его модификация с помощью вращения блока поворотных зеркал 7 на новый угол и цикл измерений повторяется для нового угла освещения. Для анизотропных образцов процедура измерений расширяется дополнительным вращением поворотного стола 1 с измеряемым образцом 2 вокруг нормали к его поверхности. После проведения измерений для всех заданных направлений наблюдения и освещения в монохроматоре 12 меняется полоса спектрального пропускания и вся описанная процедура измерений с изменением условий освещения и наблюдения повторяется для новой длины волны освещения. Волновой диапазон и шаг модификации длины волны задается оператором, проводящим измерения. Все измеренные данные передаются на компьютер для определения ДФР.
Работа устройства для второго варианта подобна первому. Сначала проводятся измерения в соответствии с процессом, описанным для первого варианта, без дополнительных фильтров. Далее оператор вводит в устройство узкополосный интерференционный фильтр 23, устанавливаемый перед каждым узлом фотоприемника и пропускающим свет в определённом узком спектральном интервале, и вся процедура измерений повторяется для всех заданных спектральных интервалов входного освещения, направлений освещения и наблюдения. Затем устанавливается следующий узкополосный интерференционный фильтр 23, пропускающий свет в новом узком спектральном интервале, и вся процедура измерений повторяется снова и так продолжается, пока не будут проведены измерения для всего набора узкополосных интерференционных фильтров, определенных оператором. Все измеренные данные передаются на компьютер для определения ДФР.
Работа устройства для третьего варианта аналогична первому, но измерения проводятся с применением двух дополнительных наборов поляризационных фильтров 24, 25. Поляризационная ДФР представляет собой спектральное и угловое распределение матриц Мюллера, с размерностью 4 x 4 (всего 16 значений), вместо одного коэффициента яркости как в случае с обычной ДФР, поэтому количество измерений увеличивается в 16 раз в сравнении с обычной ДФР. Каждый из наборов поляризационных фильтров 2, 25 состоит из линейного поляризатора и четвертьволновой пластины. Измерения поляризационной ДФР производятся для 16 различных ориентаций линейного поляризатора и четвертьволновой пластины, а именно используются две ориентации линейного поляризатора (две ортогональные ориентации линейного поляризатора с поворотом вокруг оптической оси, равным 0° и 90°) и две ориентации четвертьволновой пластины (с поворотом 45° и 135°), всего шестнадцать различных комбинаций ориентации. Все эти шестнадцать измерений проводятся, как и в случае обычной ДФР, для каждого заданного спектрального интервала освещения, направлений освещения и приема рассеянного света. Измеренная информация передается на компьютер, для обработки и определения выходной поляризационной ДФР.
В качестве источника света 9 выбрана ксеноновая лампа с мощностью 150Вт, спектром излучения 200-2000нм. В качестве фокусирующих элементов использованы: рефлектор 10 – сферическое зеркало с радиусом кривизны 50мм и коэффициентом зеркального отражения равным 95%; входной конденсор 11 и выходной конденсор 14 – двухлинзовые ахроматы. В качестве монохроматора 12 использован мини-монохроматор с дифракционной решеткой фирмы «Oriel». Чувствительность фотоприемника 19 - 0.25 А/Вт.
Таким образом, устройство для измерения двунаправленной функции рассеяния позволяет проводить измерения рассеивающих свойств с повышенной точностью и дополнительными характеристиками.