устройство для оптикоэлектронного бесконтактного исследования минералов и органических структур

Формула изобретения

1. Устройство для оптикоэлектронного бесконтактного исследования минералов и органических структур, содержащее размещенные на оптической оси источник излучения, поляризатор, порошок исследуемого объекта с размером частиц от 10 до 35 мкм, анализатор, аподизационную диафрагму, выполненную в виде двух одинаковых дисков с центральными отверстиями в виде ассиметричных фигур в плане, по меньшей мере один из которых установлен с возможностью вращения вокруг их общей оптической оси, ПЗС-камеру, кроме того, между анализатором и ПЗС-камерой размещают вводимое зеркало, посредством которого излучение от дополнительного источника света через дополнительный объектив направляют на исследуемый объект, который размещают от дополнительного объектива на расстоянии, определяемом по формуле Ньютона, при этом излучение от исследуемого объекта в отраженном свете и излучение, прошедшее через порошок исследуемого объекта, направляют на матрицу ПЗС-камеры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в дисках аподизационной диафрагмы выполнены в виде «пятиконечных звезд».

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптико-физических исследований состава естественных и искусственных минералов, а также органических структур, в частности керамики, для установления идентичности фрагментов материалов при археологических исследованиях.

Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков, известных из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения.

Известен оптикоэлектронный способ выявления рельефа минерализованной поверхности обызвествляющихся биотканей, заключающийся в удалении органического вещества из образца биоткани, получении реплики путем напыления на поверхность образца платины и углерода, удалении с ее поверхности раствором соляной кислотой минерализованного компонента и последующем изучении полученной реплики методом трансмиссионной электронной микроскопии, см. заявку на выдачу патента РФ № 2003110331.

Известен оптикоэлектронный прибор, включающий осветительную систему, средства для размещения исследуемого объекта, по меньшей мере один исследовательский объектив, полупрозрачное зеркало, призменный блок, фотоумножитель и бинокулярную насадку, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным оптикоэлектронным каналом, включающим размещенные на одной оптической оси дополнительную осветительную систему, емкость с исследуемым объектом установлена на предметном столике, который выполнен трехкоординатным и снабжен средствами для закрепления емкости с исследуемым объектом вертикально перпендикулярно оптической оси с возможностью трехкоординатного перемещения относительно оптической оси и с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси, на любой угол, кроме того, прибор снабжен по меньшей мере одним дополнительным исследовательским объективом, который размещен на оптической оси дополнительной осветительной системы за емкостью с исследуемым объектом и через дополнительное зеркало и призменный блок оптически связан с фотоумножителем и бинокулярной насадкой, см. патент РФ № 17087.

Известен оптикоэлектронный прибор для определения кальцийсодержащих компонентов строительных растворов, включающий источник излучения, объектив, аподизационную диафрагму и средства визуализации излучения, прошедшего через исследуемый объект, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен системой «анализатор-поляризатор», при этом исследуемый объект и объектив размещены на оптической оси между элементами системы «анализатор-поляризатор», при этом аподизационная диафрагма установлена на оптической оси между объективом и поляризатором, расположенным со стороны средств визуализации, см. патент РФ № 78945.

Известен способ организации оптико-электронного канала для исследования различных оптических сред, согласно которому излучение от источника пропускают через конденсор и направляют на емкость с исследуемым объектом, затем улавливают излучение, которое направляют на фотоумножитель и средства регистрации и анализа, характеризуется тем, что емкость с исследуемым объектом устанавливают вертикально перпендикулярно оптической оси с возможностью трехкоординатного перемещения относительно оптической оси и с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси, на любой угол, при этом за емкостью с исследуемым объектом на оптической оси со стороны, противоположной источнику излучения, размещают неподвижный исследовательский объектив, изображение с которого подают на фотоумножитель и средства регистрации и анализа, в которых для визуального анализа цветного изображения используют прибор с зарядовой связью, см. патент РФ № 2198415.

Данному аналогу присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, в связи с чем данное известное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Недостатками известных средств является сложность подготовительных работ с исследуемым объектом, в связи с необходимостью изготовления шлифов, которые приготавливают из структур исследуемых минералов, сцепленных между собой канадским бальзамом (не пропускающим ультрафиолетовое излучение) и полируемых до толщины 35 мк. При изготовлении шлифов теряется громадная часть информации об исследуемом объекте.

В основу настоящего изобретения положено решение сложной технической задачи исследования минералов и органических структур, в частности фрагментов керамики, обнаруженных при археологических исследованиях с целью определения их состава и идентичности.

Сущность заявляемого изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Оптикоэлектронный способ бесконтактного исследования минералов и органических структур, согласно которому излучение от источника направляют на исследуемый объект и исследуют излучение, прошедшее через объект с помощью средств визуализации, характеризуется тем, что исследуемый объект приготавливают в виде порошка, полученного от фрагмента исследуемого изделия с размером частиц от 10 до 35 мкм, после чего исследуемый объект и объектив размещают на оптической оси между анализатором и поляризатором, при этом за анализатором со стороны средств визуализации на оптической оси устанавливают аподизационную диафрагму, выполненную в виде двух одинаковых дисков с центральными отверстиями в виде ассиметричных фигур в плане, по меньшей мере один из которых установлен с возможностью вращения вокруг их общей оптической оси, затем поворотом анализатора относительно поляризатора добиваются частичного или полного отсутствия основного излучения в системе, а поворотом одного из дисков аподизационной диафрагмы компенсируют волновые искажения и улучшают качество исследуемой картины, после чего вторичное излучение от частиц порошка исследуемого объекта направляют на матрицу ПЗС-камеры, которую устанавливают с возможностью перемещения вдоль оптической оси, кроме того, между анализатором и ПЗС-камерой размещают вводимое зеркало, посредством которого излучение от дополнительного источника света через дополнительный объектив направляют на исследуемый объект, который размещают от дополнительного объектива на расстоянии, определяемом по формуле Ньютона, при этом излучение от исследуемого объекта в отраженном свете направляют на матрицу ПЗС-камеры.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме того, заявленный способ характеризуется наличием ряда факультативных признаков, а именно:

- отверстия в дисках аподизационной диафрагмы могут быть выполнены в виде «пятиконечных звезд».

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью отличительных признаков заявленного изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии условию "новизна".

Отдельные отличительные признаки заявленного изобретения, такие как источники излучения, анализаторы-поляризаторы, аподизационная диафрагма, средства визуализации, известны из уровня техники, однако заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии данных отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат, который заключается в том, что предварительная подготовка исследуемого образца заявленным способом позволяет исследовать вторичное его излучение, а новая конструкция аподизационной диафрагмы позволяет улучшить качество исследуемой картины.

В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию изобретательский уровень .

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена оптическая схема прибора, реализующего заявленный способ. На чертеже позициями обозначены:

1 - ПЗС - камера (прибор зарядовой связи), 2 - ПЗС-матрица, 3 - вводимое зеркало для замены оптических каналов, 4 - дополнительный объектив для макросъемки, 5 - аподизационная диафрагма, 6 - анализатор, 7 - объектив, 8 - порошок исследуемого объекта, 9 - предметное стекло на препаратоводителе, 10 - поляризатор, 11 - зеркало подсветки; 12, 13 - зеркальные осветители; 14 - плоскость установки исследуемого объекта.

Способ реализуют следующим образом.

Излучение от источника 12 посредством отражателя и зеркала 11 через поляризатор 10, который убирает одну из составляющих волнового фронта, и через предметное стекло 9 попадает на исследуемый объект, который приготавливают в виде порошка, полученного от фрагмента исследуемого изделия с размером частиц от 10 до 35 мкм, т.е. с размерами, близкими к длине волны источника излучения. Приготовленный таким образом порошок от исследуемого объекта представляет собой неорганизованный растр, идентичный матовому стеклу, через который поляризованное излучение проходит по-разному, а именно через зоны, свободные от гранул - без преломления, через гранулы минералов - с малым преломлением, либо с неоднократным преломлением вплоть до полного поглощения. Таким образом, порошок 8 исследуемого объекта в проходящем свете становится источником вторичного излучения, которое и подвергается дальнейшему исследованию.

Порошок 8 исследуемого объекта и объектив 7 размещают на оптической оси между анализатором 6 и поляризатором 10. За анализатором 6 со стороны средств визуализации на оптической оси устанавливают аподизационную диафрагму 5, которую выполняют в виде двух одинаковых дисков с центральными отверстиями в виде ассиметричных фигур в плане, например пятиконечных звезд. По меньшей мере один из дисков установлен с возможностью вращения вокруг их общей оптической оси. При повороте одного из дисков общее их отверстие получается в виде ассиметричной в плане фигуры, что позволяет аподизационной диафрагме 5 минимизировать волновые искажения, связанные с дифракцией, бликами и рефлексами оптической системы, и компенсировать таким образом случайные ошибки в изображении, часто не поддающиеся стандартным расчетам, ухудшающим качество исследуемой картины.

Поворотом анализатора 6 относительно поляризатора 10 добиваются полного или частичного отсутствия излучения в системе, после чего вторичное излучение от порошка 8 исследуемого объекта направляют на матрицу 2 ПЗС-камеры 1, с помощью которой получают полиполяризационную картину.

С целью обеспечения возможности получения в этой же оптической схеме информации непосредственно об исследуемом объекте, которая является необходимой для получения достоверных результатов исследований в целом, оптическую схему снабжают дополнительной оптической системой для получения макроскопической информации об исследуемом объекте (с увеличением 0,1-10 ×.). Для этого между анализатором 6 и ПЗС-камерой 1 размещают вводимое зеркало 3, посредством которого излучение от дополнительного источника света 13 направляют на исследуемый объект, который размещают в плоскости 14 на расстоянии от дополнительного объектива 4, определяемом по формуле Ньютона, при этом излучение от исследуемого объекта 14 направляют на матрицу 2 ПЗС-камеры 1.

Существенным преимуществом заявленного способа является значительное возрастание точности измерений за счет возможности в заявленной оптической схеме применить электронную сетку с большим набором функций (повороты, изменение размеров ячеек, увеличение исследуемого объекта при независимом увеличении ячейки и др.). В петрографии измерения линий и площадей под микроскопом, как правило, связаны с постоянными пересчетами толщин линий и размеров ячеек сеток. В заявленном способе возможно плавное изменение увеличения за счет перемещения ПЗС-камеры 1 вдоль оптической оси с тонкой поднастройкой качества поляризационной картины и использованием электронного увеличения ПЗС-камеры.

Заявленный способ может быть реализован с использованием стандартного программного обеспечения (типа PhotoShop), что в совокупности с отличиями заявленного способа позволяет использовать тест-объект в виде микрометра, который обеспечивает возможность измерения линий и площадей исследуемого объекта с последующим их пересчетом на объемные значения.

Заявленный способ был опробован специалистами Санкт-Петербургского Института истории материальной культуры при исследованиях фрагментов археологических материалов для установления их состава и идентичности.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Заявленный способ может быть реализован с использованием известных технологий и технических оптикоэлектронных средств, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие условию «промышленная применимость».

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества:

- бесконтактность исследований;

- отсутствие необходимости изготовления шлифов и применения вредных и ядовитых химических веществ;

- скорость обработки данных и получения результата;

- плавность изменения увеличения в электронно-оптической системе;

- визуализация объекта исследований;

- надежное установление идентичности фрагментов материалов при археологических исследованиях.