RU2547891C1

RU2547891C1 - Lighting unit of small-sized spectrophotometer

Info

Publication number: RU2547891C1
Application number: RU2013156879/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Сергеевич Солдатченков; Николай Андреевич Шавард; Юрий Константинович Калинников; Алексей Язонович Качарава; Артемий Андреевич Шавард
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро специального приборостроения"
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-04-10

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: lighting unit comprises successively located source of optical radiation, a field diaphragm, and a system of two coaxially arranged mirror surfaces of revolution, which are hyperboloid and ellipsoid. The radius at the vertex of the hyperboloid is close to zero. In the extreme case the hyperboloid approaches to the right circular cone. The field diaphragm and the system of the coaxially located rotating mirror surfaces are arranged such that the image of the diaphragm after reflection of the radiation beams from the surfaces of the hyperboloid and the ellipsoid is formed as an illuminated platform which is combined with the surface of the test object.

EFFECT: provision of the ability of lighting without loss to screening and increase in reliability and operational efficiency of measurements.

7 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to the field of analytical instrumentation, namely to spectrophotometers and their main components such as lighting devices, as well as to devices for measuring and monitoring the reflection and luminescence characteristics of objects.

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.Known systems (V.N. Churilovsky "Theory of Optical Instruments", ML, Mechanical Engineering, 1965, p. 282, Bergner, Gelbke, Meliss, "Practical Microphotography", M., Mir, 1977, p. 198, 199) for circular ( non-azimuthal) illumination of objects containing mirror surfaces of various shapes.

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.However, these systems cannot be used as built-in illuminators in small-sized devices under severe restrictions on the power consumption of the radiation source and the associated harmful effects of thermal radiation on the stability and accuracy of the device parameters, since the relative position of the source and mirror surfaces allows only a small part to be used efficiently the total spatial radiation of the source due to the shielding of the beams. In addition, when using such systems in small-sized devices, it is impossible to build in them at the same time means for observing the illuminated surface of the object and for diverting radiation reflected by the object into the measuring device without radiation loss.

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.The closest analogue of the designed device to the destination can be recognized as a device known from the book ("Optical-mechanical devices", M., Mechanical Engineering, 1975, p. 98). The known device contains a wide-aperture circular illuminator with a microscope built into it for observing the surface of an object.

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).The disadvantages of the known device should be recognized, in addition to shielding the source radiation, the location of the source directly in the area of the illuminator mirror, in small-sized devices built into the measuring device, which significantly increases the harmful temperature effect, as well as the impossibility of independent changes in the aperture angles of illumination and the dimensions of the illuminated area of the object, necessary for optimal operation of the measuring device and suppression of interfering radiation (interference).

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.The technical problem solved by the developed device is to develop an effective illuminator for small-sized devices for measuring the spectral diffuse reflection coefficients (SCDO) of flat non-luminescent printing images in the near infrared region and, in particular, determining the parameters of security features of securities and documents from the values of the measured coefficients.

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.The technical result obtained by the implementation of the developed device consists in increasing the reliability and efficiency of instrumental control of securities and documents in the Central Bank of Russia, in expert departments of law enforcement agencies when checking the authenticity of banknotes and documents.

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.To achieve the specified technical result, it is proposed to use the developed lighting unit of a small-sized spectrophotometer. The developed lighting unit contains a sequentially located source of optical radiation, a field diaphragm, and a system of two coaxially arranged mirror surfaces of revolution, including an ellipsoid and a hyperboloid, while the radius at the apex of the hyperboloid is close to zero, in this limiting case the hyperboloid approaches a straight circular cone, and the field aperture and the system of coaxially arranged mirror surfaces of revolution are arranged so that the radiation of the source limited by the field diaphragm After reflection the light beams from the surfaces of the hyperboloid and the ellipsoid forms on the surface of the object illuminated area.

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.In some embodiments, the apex of the hyperboloid can be located near one of the geometric foci of the generatrix of the ellipsoid, while the center of the field diaphragm is also combined with the indicated apex, the image of which in the form of an illuminated area is formed near the second geometric focus.

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.The dimensions of the illuminated area, with the selected values of the eccentricity, the size of the field diaphragm and the aperture angles of illumination, are determined by calculating the path of the rays in the illuminator, since the condition of the sines in the mirror system is not fulfilled.

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).By changing the axial position of the diaphragm and the position of the vertex of the hyperboloid associated with it, as well as the position of the surface of the object, the required distribution of illumination within the illuminated area is ensured: quasi-uniform, locally zonal (with a bright dot in the center or with a dark dot in the center).

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.The values of the eccentricity “e” of the ellipsoid generatrix and the angle “f” of the main rays of the beams converging in the center of the image of the field diaphragm determine the position of the active (working) part of the surface of the ellipsoid, the paraxial and effective scale of the image of the field diaphragm, and the value of the eccentricity of the hyperboloid (or the angle at the top of the cone ) and are selected from the conditions of a particular lighting scheme. A particular solution, with the value of the eccentricity "e" = 0.707 and the angle "f" = 45 degrees, determines the effective central, symmetrical relative to the minor axis, part of the surface of the ellipsoid, which can be replaced with a toric surface with sufficient accuracy. In this case, a symmetrical circular course of the illuminating beams relative to the common axis of symmetry is realized. By choosing such parameters, the 45/0 lighting scheme used in practical measurements is implemented. The choice of the magnitude of the minor axis of the generatrix of the ellipsoid “2B”, with a fixed eccentricity “e” set, determines, through the generatrix equation, the magnitude of the major axis “2a” and the distance between the foci “2c” and, therefore, the dimensions of the lighting system.

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.For this particular solution, the size of the illuminated area at small aperture angles (about 1 degree) is equal to the size of the field diaphragm. At aperture angles of 5 to 10 degrees, the size of the illuminated area is respectively from 1.3 to 1.9 aperture dimensions.

Осветительный узел может дополнительно содержать:The lighting unit may further comprise:

- 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;- a sighting and guidance scheme, including an LED (or LED ring), for illuminating the surface of the object, a protective glass with a ring mark marking the illuminated area, and surveillance equipment, for example, a miniature TV camera;

- схему сопряжения осветительной системы с измерительным устройством, включающую защитное стекло с кольцевой маркой и плоское наклонное зеркало;- a circuit for interfacing a lighting system with a measuring device, including a protective glass with a ring mark and a flat inclined mirror;

- осветительный узел может дополнительно содержать более двух светодиодов, расположенных по окружности;- the lighting unit may further comprise more than two LEDs arranged in a circle;

- осветительный узел может также дополнительно содержать схему сопряжения осветительной системы с измерительным устройством, включающую защитное стекло с кольцевой маркой и плоское наклонное зеркало;- the lighting unit may also further comprise a circuit for interfacing the lighting system with the measuring device, including a protective glass with a ring mark and a flat inclined mirror;

сферическое зеркало-контротражатель, расположенное за источником оптического излучения относительно полевой диафрагмы.a spherical mirror-protector, located behind the optical radiation source relative to the field diaphragm.

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.A schematically developed lighting unit of a small-sized spectrophotometer in one embodiment is shown in the drawing, with the following notation: spherical mirror 1, optical radiation source 2, collector lens 3, lens filter 4, condenser 3, field diaphragm 5, hyperboloid 6, flat mirror 7, mirror 8 ellipsoidal, LED 9 backlight, glass 10 protective with a mark, plane 11 of the object.

Узел спектрофотометра разработанной конструкции работает следующим образом.The spectrophotometer assembly of the developed design works as follows.

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.The radiation of the source 2 through the condenser 3,4 fills the field diaphragm 5, then the working surface of the hyperboloid 6 is reflected from it and fills the working surface of the ellipsoid 8, after reflection from which an illuminated area is formed on the surface of the object 11, the shape and dimensions of which are repeated by the mark applied to the plane of the protective glass 10, combined with the plane 11 of the object. The radiation reflected by the plane 11 of the object by the inclined mirror 7 is sent to the measuring device. The plane 11 of the object and the protective glass 10 with the brand are also illuminated by LED 9, which are observed using surveillance tools, for example, a miniature TV camera.

Использование разработанного устройства позволяет осуществить:Using the developed device allows you to:

- круговое освещение без потерь из-за экранирования, с оптимальным использованием пространственного излучения источника;- lossless circular lighting due to shielding, with optimal use of the spatial radiation of the source;

- минимизацию потребляемой мощности источника и его вредного теплового воздействия;- minimize the power consumption of the source and its harmful thermal effects;

- 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);- providing a free linear field on the surface of the object used to monitor and control the positioning of the illuminated zone (which is the measurement or control zone of the device for measuring the parameters of the object) on the surface of the object, with the ratio of the size of the observation field and the illuminated zone not less than 5: 1 (for effective search of the necessary fragments of the object);

- 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).- placement in the space of the lighting system of the sighting and guidance scheme: additional radiation sources, for example LEDs for illuminating the observation field, and a miniature video camera; placement of the interface circuit: mirrors for diverting the radiation flux (or luminescence flux) reflected from the object into the measuring device without reducing the lighting efficiency (without shielding).

Claims

1. The lighting unit of a small-sized spectrophotometer, characterized in that it contains a sequentially located source of optical radiation, a field diaphragm and a system of two coaxially arranged mirror surfaces of revolution, including an ellipsoid and a hyperboloid, the radius at the apex of the hyperboloid is close to zero, and in the extreme case the hyperboloid approaching a straight circular cone, the field diaphragm and the system of coaxially arranged mirror surfaces of revolution are located so that the images aperture after reflection of the light beams from the surfaces of the hyperboloid and the ellipsoid is formed as an illuminated platform, which is combined with the object surface.

2. The node according to claim 1, characterized in that the vertex of the hyperboloid is located near one of the geometrical foci of the generatrix of the ellipsoid, while the center of the field diaphragm is also aligned with this vertex, the image of which is in the form of an illuminated area formed near the second geometric focus.

3. The node according to claim 1, characterized in that it further comprises a sighting and guidance scheme, including at least one LED for illuminating the surface of the object and a protective glass with a ring mark marking the illuminated area, as well as a means of observation.

4. The node according to claim 3, characterized in that as a means of observation, it contains a small-sized TV camera.

5. The node according to claim 3, characterized in that it further comprises more than two LEDs arranged in a circle.

6. The node according to claim 1, characterized in that it further comprises a circuit for interfacing the lighting system with a measuring device, including a protective glass with a ring mark and a flat inclined mirror.

7. The node according to claim 1, characterized in that it further comprises a spherical mirror located behind the optical radiation source relative to the field diaphragm.