[RU]

Предоставлен способ определения структуры поверхности и характера пробы посредством сканирующего устройства (2), в частности для обнаружения следов, возникших от соприкосновения кожи тела человека с поверхностью предмета или оставшихся на следоносителе, при этом проба (P) и сканирующее устройство (2) перемещаются относительно друг друга, по поверхности пробы полинейно проводят световым или лазерным лучом (L), испускаемым сканирующим устройством (2), обнаруживают отраженный от поверхности пробы световой или лазерный луч (R) и на основании различий между отраженным световым или лазерным лучом (R) и испускаемым световым или лазерным лучом (L) получают цифровое изображение топографии поверхности пробы и интенсивности отраженного светового или лазерного луча (R) для представления характера поверхности пробы.

(57) Реферат / Формула:

Предоставлен способ определения структуры поверхности и характера пробы посредством сканирующего устройства (2), в частности для обнаружения следов, возникших от соприкосновения кожи тела человека с поверхностью предмета или оставшихся на следоносителе, при этом проба (P) и сканирующее устройство (2) перемещаются относительно друг друга, по поверхности пробы полинейно проводят световым или лазерным лучом (L), испускаемым сканирующим устройством (2), обнаруживают отраженный от поверхности пробы световой или лазерный луч (R) и на основании различий между отраженным световым или лазерным лучом (R) и испускаемым световым или лазерным лучом (L) получают цифровое изображение топографии поверхности пробы и интенсивности отраженного светового или лазерного луча (R) для представления характера поверхности пробы.

---

(19)
Евразийское
патентное
ведомство
(21) 201890556 (13) A1
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2018.08.31
(22) Дата подачи заявки 2015.08.28
(51) Int. Cl.
G01N 21/3563 (2014.01) A61B 5/1172 (2016.01) G01S17/89 (2006.01) G01B 11/24 (2006.01) G01N 21/47 (2006.01) G01N 21/84 (2006.01)
(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ И ХАРАКТЕРА ПРОБЫ
(86) (87) (71)
(72)
(74)
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498 2017.03.09
Заявитель:
МАРКС ЮРГЕН (DE)
Изобретатель:
Маркс Юрген, Эберль Генрих Александр (DE)
Представитель: Носырева Е.Л. (RU)
(57) Предоставлен способ определения структуры поверхности и характера пробы посредством сканирующего устройства (2), в частности для обнаружения следов, возникших от соприкосновения кожи тела человека с поверхностью предмета или оставшихся на следоносителе, при этом проба (P) и сканирующее устройство (2) перемещаются относительно друг друга, по поверхности пробы по-линейно проводят световым или лазерным лучом (L), испускаемым сканирующим устройством (2), обнаруживают отраженный от поверхности пробы световой или лазерный луч (R) и на основании различий между отраженным световым или лазерным лучом (R) и испускаемым световым или лазерным лучом (L) получают цифровое изображение топографии поверхности пробы и интенсивности отраженного светового или лазерного луча (R) для представления характера поверхности пробы.
P35329886EA
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ И ХАРАКТЕРА ПРОБЫ
Описание
Изобретение относится к способу определения структуры поверхности и характера пробы согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для определения структуры поверхности и характера пробы согласно ограничительной части пункта 12 формулы изобретения.
Способ согласно изобретению и устройство для определения структуры поверхности и характера пробы посредством сканирующего устройства могут применяться предпочтительно для обнаружения следов, возникших от соприкосновения кожи тела человека с поверхностью предмета или оставшихся на следоносителе, в медицинской технике для обследования падающим светом при осмотре на наличие рака кожи, а также в области промышленности для определения покрытий поверхности и для измерения толщины слоев предмета, расположенных внутри.
Из документа DE 10 2011 111168 А1 известно устройство для обнаружения отпечатка на следоносителе, которое содержит опору следоносителя, записывающую головку с камерой, принимающей инфракрасные лучи, и держатель для записывающей головки, посредством которого записывающая головка фиксируется относительно держателя следоносителя. Инфракрасная камера
принимает инфракрасные лучи, испускаемые отпечатком на следоносителе и/или отраженные от него. Записывающая головка расположена в держателе, который содержит телескопическую стойку для регулирования расстояния между записывающей головкой и следоносителем, которая может линейно
перемещаться в горизонтальном направлении вдоль балки, удерживаемой двумя балками. Записывающая головка дополнительно содержит цифровую камеру для получения изображений вещественного доказательства, оставленного на следоносителе, а также инфракрасный излучатель, выполненный с возможностью передвижения по кругу относительно инфракрасной камеры.
Здесь недостатком является ограничение сканируемой поверхности следоносителя размерами устройства, содержащего балки, для перемещения записывающей головки и риск искажения и затенения при сканировании отпечатка на следоносителе, а также искажение полученных сканированием изображений вследствие попадающего на отпечаток постороннего света.
Из документа DE 100 22 143 А1 известен способ обнаружения отпечатка пальца, в котором посредством камеры получают изображение оставшегося на следоносителе отпечатка пальца в невидимом, инфракрасном диапазоне длин волн, так что изображение возникает не только за счет отражения или поглощения попадающего света, как в видимом диапазоне длин волн, но и за счет испускаемого теплового излучения. С этой целью следоноситель размещают на опоре, выполненной с возможностью регулирования температуры, и облучают посредством источника света, который установлен сбоку и смещен по высоте относительно опоры, выполненной с возможностью регулирования температуры. Изображение получают посредством камеры, которая расположена над следоносителем, находящимся на опоре, выполненной с возможностью регулирования температуры. За счет установки на источнике света и камере спектральных фильтров следоноситель освещается светом с требуемым диапазоном длин волн.
Недостаток этого решения для обнаружения отпечатка на следоносителе заключается в том, что из-за расположения источника света возникают затенения на структурированной поверхности отпечатка, а из-за положения и конусообразной зоны обзора камеры - непроницаемые области, которые делают необходимым съемку отпечатка под разными углами обзора, чтобы из отдельных
кадров можно было вычислить полное трехмерное изображение.
В основе настоящего изобретения лежит задача предоставления способа и устройства для определения структуры поверхности и характера пробы, с помощью которых за одно сканирование можно с более высоким разрешением, без искажения и затенения получить топографию и изображение интенсивности пробы, а также при необходимости цветное изображение (RGB-изображение) поверхности пробы, по меньшей мере теоретически неограниченной в размерах.
Эта задача решается согласно изобретению с помощью способа определения структуры поверхности и характера пробы, характеризующегося признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения.
Способ согласно изобретению обеспечивает то, что с более высоким разрешением, а также без искажения и затенения за одно сканирование получают топографию пробы и изображение интенсивности пробы, характеризующее химические вещества на поверхности и в ней, для поверхности пробы, по меньшей мере теоретически не ограниченной в размерах, а также обеспечивается надежная работа даже в условиях падающего постороннего света и возможность при необходимости получить цветное изображение (RGB-изображение).
За счет полинейного сканирования поверхности пробы обеспечивается получение с более высоким разрешением, без искажения и затенения как топографии поверхности пробы, так и интенсивности отраженного светового луча и тем самым характера пробы или химических веществ, содержащихся в пробе или на поверхности пробы. Таким образом, из отдельных точек изображения при полинейном сканировании можно составить информативное, цифровое изображение топографии поверхности пробы и интенсивности отраженного светового луча для оценки характера пробы или химических веществ, содержащихся в пробе или на поверхности пробы.
Либо световой луч, испускаемый сканирующим устройством, испускается с длиной волны, которая соответствует диапазону длин волн предварительно
определенного значительного пика поглощения определяемого химического вещества на поверхности пробы, либо сканирующее устройство выполнено так, что испускаемый сканирующим устройством световой луч испускает свет в диапазоне инфракрасного спектра или регулируется. В первом случае исходят из сведений о пике поглощения исследуемой пробы, тогда как во втором случае происходит "предварительное сканирование" для определения пика поглощения пробы или химического вещества.
Предпочтительно, по поверхности пробы полинейно проводят лазерным лучом с заданным диаметром лазерного луча, который предпочтительно меньше или равен 0,1 мм, с величиной шага, соответствующей диаметру лазерного луча; обнаруживают отраженный лазерный луч коаксиально испускаемому лазерному лучу и анализируют время распространения отраженного от поверхности пробы лазерного луча для получения изображения интервалов, соответствующего топографии поверхности пробы, а также различие между отраженным поверхностью пробы лазерным лучом и испускаемым сканирующим устройством лазерным лучом для получения изображения интенсивности, соответствующего химическому веществу на поверхности пробы и в ней.
Благодаря применению сканирующего устройства, выполненного, в частности, в виде инфракрасного лазерного сканера, в сочетании с коллимирующей оптикой, ограничивающей диаметр лазерного луча, обеспечивается высокое разрешение при определении химических веществ на поверхности пробы, тогда как обнаружение отраженного светового луча коаксиально испускаемому световому лучу обеспечивает сканирование без искажения и затенения для оптимального представления и анализа поверхности пробы.
Для определения топографии поверхности пробы либо определяют время распространения лазерного луча, испускаемого сканирующим устройством и отраженного от поверхности пробы, которое зависит от расстояния между сканирующим устройством и поверхностью пробы, и анализируют изображение интервалов, соответствующее топографии поверхности пробы, либо определяют
сдвиг фаз между лазерным лучом, испускаемым сканирующим устройством, и лазерным лучом, отраженным от поверхности пробы, и анализируют его для определения топографии поверхности пробы.
С помощью этого способа также можно анализировать толщину расположенных внутри слоев пробы, которые отличаются от слоев, расположенных снаружи.
Предпочтительно, испускаемый сканирующим устройством световой или лазерный луч синусоидально модулируют, и для определения сдвига фаз между испускаемым сканирующим устройством и отраженным от поверхности пробы световым или лазерным лучами обнаруженный сканирующим устройством отраженный световой или лазерный луч коррелируют с опорным сигналом, синхронным с испускаемым световым или лазерным лучом.
В предпочтительном варианте осуществления поверхность пробы последовательно сканируют модулированным световым или лазерным лучом от точки к точке и на основании расположенных в матрице измерений интервалов и интенсивности эмулируют элементы цифрового изображения.
Для получения RGB-изображения отраженный световой или лазерный луч может быть обнаружен посредством RGB-датчика для определения цветовых тонов сканированной поверхности пробы, обработан в вычислительном устройстве для RGB-изображений и отображен на дисплее.
Устройство для определения структуры поверхности и характера пробы содержит:
держатель пробы;
сканирующее устройство, содержащее
источник света для испускания светового луча с диапазоном длин волн известного или предварительно определенного, значительного пика поглощения у химического вещества или для определения значительного пика поглощения посредством светового луча, регулируемого в области инфракрасного спектра
испускания;
приемник для приема преобразованных или отраженных от поверхности пробы световых лучей; и
элемент отклонения по осям X и Y, который посредством световых лучей, излучаемых источником света, сканирует поверхность пробы; и
устройство для анализа, содержащее
первое вычислительное устройство для получения топографического изображения интервалов поверхности пробы, содержащей химическое вещество;
второе вычислительное устройство для получения инфракрасного изображения поверхности пробы, содержащей химическое вещество, передающего интенсивность отраженных световых лучей; и
центральное вычислительное устройство, которое двунаправленно соединено с запоминающим устройством, дисплеем, а также с первым и вторым вычислительными устройствами.
Для изменения расстояния между держателем пробы и сканирующим устройством держатель пробы и/или сканирующее устройство соединены с элементом приведения в движение по оси Z, который двунаправленно соединен с центральным вычислительным устройством посредством элемента приведения в действие по оси Z.
Для получения RGB-изображения в дополнение к изображению интервалов и интенсивности может предусматриваться элемент для приема RGB-изображений, направленный на поверхность пробы и двунаправленно соединенный с центральным вычислительным устройством посредством третьего вычислительного устройства.
В то время как источник света сканирующего устройства направляет испускаемые световые лучи на поверхность пробы посредством передающей
оптики и элемента отклонения по осям X и Y, приемник света сканирующего устройства, предпочтительно содержащий инфракрасный фотодиодный приемник, на стороне приема, принимающей отраженные световые лучи, соединен с приемной оптикой.
В предпочтительном варианте осуществления сканирующее устройство содержит излучатель ИК-лазера, который направляет инфракрасный лазерный луч посредством модулятора, управляемого электронным устройством для управления лазером, на коллиматор, который направляет инфракрасный лазерный луч с ограниченным диаметром лазерного луча на отклоняющее устройство, предпочтительно содержащее полигональное отклоняющее зеркало, приводимое в действие от электродвигателя, которое полинейно отклоняет инфракрасный лазерный луч на пробу и отклоняет отраженные от поверхности пробы инфракрасные лазерные лучи на фотодиод.
Расщепитель луча, расположенный на траектории лучей между коллиматором и отклоняющим устройством, с одной стороны, пропускает передаваемые коллиматором инфракрасные лазерные лучи к отклоняющему устройству и, с другой стороны, отклоняет последовательно объединяемые отклоняющим устройством, отраженные от поверхности пробы инфракрасные лазерные лучи на фотодиод.
Полинейно веерообразно разделенные инфракрасные лазерные лучи, проходящие от отклоняющего устройства, а также принятые отклоняющим устройством отраженные инфракрасные лазерные лучи направляют на пробу посредством корректирующей линзы и преломляющего зеркала, при этом по меньшей мере часть полинейно веерообразно разделенных инфракрасных лазерных лучей, проходящих от отклоняющего устройства, отклонена на фотодиод для синхронизации.
Идея, положенная в основу настоящего изобретения, более подробно рассмотрена на основании представленного в графических материалах варианта осуществления. На графических материалах:
на фиг. 1 представлена структурная схема сканирующего устройства и устройства для анализа с интегрированным RGB-датчиком;
на фиг. 2 представлена структурная схема сканирующего устройства и устройства для анализа для объяснения функционального принципа оптического измерения времени распространения импульсов;
на фиг. 3 представлено распространение по времени испускаемого светового или лазерного луча и опорного светового или лазерного луча для объяснения измерения разности фаз;
на фиг. 4 представлено схематическое изображение конструкции сканирующего устройства, при этом показана оптическая траектория лучей; и
на фиг. 5 представлено схематическое изображение параллельной траектории модулированного светового или лазерного луча, испускаемого сканирующим устройством, и отраженного модулированного светового или лазерного луча;
фиг. 6 представлено уменьшение интенсивности монохроматического света за счет применения масляной пленки;
на фиг. 7 представлено схематическое изображение обратно пропорциональной зависимости от толщины слоя при абсорбционной спектроскопии;
на фиг. 8 представлено схематическое изображение пробы со слоем жира, находящимся на поверхности пробы;
на фиг. 9 представлено схематическое изображение отношения полосы поглощения к длине волны при измерении поверхности пробы в двух выбранных точках измерения посредством спектроскопа;
на фиг. 10 представлено схематическое, двухмерное представление изображения интенсивности;
на фиг. 11 представлено схематическое, трехмерное представление изображения интенсивности; и
на фиг. 12 представлен схематический, трехмерный вид объекта в оттенках серого и находящегося на его поверхности химического вещества в цветовом отображении.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для определения структуры поверхности и характера пробы, или объекта измерения, Р. Проба, или объект измерения, Р расположена на держателе 1 пробы, который соединен с элементом 5 приведения в движение по оси Z для регулирования расстояния между сканирующим устройством 2 и держателем 1 пробы. Обведенное штрихпунктирной линией сканирующее устройство 2 состоит из передатчика с излучателем 22 ИК-лазера, электронного устройства 21 для управления лазером и передающей оптики 23, а также из приемника с инфракрасным фото диодным приемником 25, усилителем 24 входного сигнала и приемной оптикой 26.
Излучатель 22 ИК-лазера активируется электронным устройством 21 для управления лазером, синхронизируемым посредством генератора импульсов 8. Излучаемые излучателем 22 ИК-лазера лазерные лучи L посредством передающей оптики 23, например в виде коллиматора, коллимируются до диаметра лазерного луча, который меньше или равен 0,1 мм, и направляются на пробу Р, находящуюся на держателе 1 пробы. По поверхности пробы полинейно проводят лазерным лучом L с величиной шага, соответствующей диаметру лазерного луча, и отраженный от поверхности пробы лазерный луч R попадает в приемную оптику 26 и передается в инфракрасный фото диодный приемник 25, который на выходе соединен с усилителем 24 входного сигнала, который передает усиленные сигналы измерения в обведенное штрихпунктирной линией устройство 3 для анализа, содержащее первое вычислительное устройство 31 для оценки изображения интервалов, соответствующего топографии поверхности пробы, и второе вычислительное устройство 32 для оценки изображения интенсивности, соответствующего химическому веществу поверхности пробы, которые также синхронизируются посредством генератора импульсов 8. Первое и второе вычислительные устройства 31, 32 двунаправленно соединены с центральным вычислительным устройством (CPU) 30, к которому
двунаправленно подключены запоминающее устройство 61 и внешнее запоминающее устройство 62.
Испускаемые передатчиком 21, 22, 23 сканирующего устройства 2 лазерные лучи L испускаются на исследуемую пробу Р в диапазоне длин волн в спектре поглощения. В качестве альтернативы передатчик 21, 22, 23 испускает на поверхность пробы в широкой полосе частот лазерные лучи в инфракрасном спектре, при этом длина волны меняется или регулируется в диапазоне с шагом 0,2 нм.
Испускаемый излучателем 22 ИК-лазера лазерный луч в передающей оптике 23 направляется на поверхность пробы с коллимацией до диаметра, который меньше или равен 0,1 мм, и посредством отклоняющего устройства, например посредством полигонального зеркала или гальванометра, полинейно проводится с величиной шага, соответствующей диаметру луча так, что для сканирования плоскости XY сканирование поверхности пробы по одной оси (оси X) происходит посредством отклоняющего устройства, а по другой оси (оси Y) - за счет перемещения пробы или сканирующего устройства.
Тот факт, что посредством сканирующего устройства 2 сканируется вся область поверхности пробы, обеспечивает элемент 4 отклонения по осям X и Y, перемещающий либо сканирующее устройство 2, либо держатель 1 пробы в плоскости XY перпендикулярно оси Z. За счет по линейного сканирования поверхности пробы в сочетании с перемещением по осям X и Y могут сканироваться поверхности пробы с шириной до 10 м и любой дины.
Элемент 4 отклонения по осям X и Y приводится в действие элементом 40 приведения в действие по осям X и Y и отправляет ему сигналы положения. Элемент 40 приведения в действие по осям X и Y двунаправленно соединен с центральным вычислительным устройством 30. Элемент 5 приведения в движение по оси Z приводится элементом 50 приведения в действие по оси Z и отправляет ему сигналы положения по высоте, при этом элемент 50 приведения в действие по оси Z также двунаправленно соединен с центральным
вычислительным устройством 30.
Для определения цветовых тонов поверхности пробы, сканированной сканирующим устройством 2, может дополнительно предусматриваться внешний элемент 7 для приема RGB-изображений, который направлен на поверхность пробы и соединен с третьим вычислительным устройством 33, которое также двунаправленно подключено к центральному вычислительному устройству 30.
Для определения топографии, или профиля, поверхности пробы, а также характера химического вещества пробы Р измеряется время распространения сигналов лазерного излучения, или импульсов лазерного излучения, которое зависит от расстояния между отдельными точками профиля поверхности пробы, так что путем оценки изображения интервалов обеспечивается точное отображение топографии поверхности пробы.
Поскольку исследуемое химическое вещество обладает специфическими поглощающими свойствами, то мощность, или интенсивность, отраженного лазерного луча R обеспечивает сведения о характере, или составе, пробы или поверхности пробы. Таким образом, на основании отдельных точек измерения интенсивности при сканировании поверхности пробы можно получить и проанализировать изображение интенсивности поверхности пробы. С этой целью каждую отдельную точку измерения можно представить, например, с масштабированной интенсивностью от 0 до 100, при этом путем сопоставления разных шкал цветных тонов со значениями интенсивности возможны легко заметная передача изображения интенсивности и соответствующее визуальное отображение на элементе для воспроизведения изображений, или дисплее, 9.
Измерение расстояния между отдельными точками поверхности пробы и сканирующим устройством 2, необходимое для определения топографии поверхности пробы, следует рассмотреть более подробно ниже на основании фиг. 2иЗ.
На фиг. 2 показана схематическая структурная схема для объяснения
функционального принципа оптического измерения времени распространения импульсов (TOF - время прохождения). Как и в структурной схеме по фиг. 1, предусмотрен излучатель 22 лазера, испускаемые которым лазерные лучи L с коллимацией направляются от передающей оптики 23 на поверхность пробы Р, расположенной на держателе 1 пробы. Отраженные лазерные лучи R принимаются приемной оптикой 26 и передаются на фото диодный приемник 25. Как излучатель 22 лазера, так и фото диодный приемник 25 отправляют выходные сигналы на устройство 27 для измерения времени, которое на выходе соединено с микропроцессором 300. К микропроцессору 300 подключен цифровой выход 28 и при необходимости аналоговый выход 29 измерительного устройства.
Излучатель 22 лазера запускает устройство 27 для измерения времени одновременно с испусканием импульса L лазерного излучения. Импульс L лазерного излучения попадает на поверхность пробы, отражается ею, принимается приемной оптикой 26 в виде отраженного импульса R лазерного излучения и обнаруживается фото диодным приемником 25, который останавливает устройство 27 для измерения времени, так что измеряется зависящее от расстояния время распространения сигнала, которое непосредственно соответствует расстоянию соответствующей точки измерения поверхности пробы до сканирующего устройства 2.
Поскольку в случае очень плоских профилей поверхности пробы измеряются лишь незначительные расхождения в зависящем от расстояния времени распространения сигнала лазерного луча, то точность определения, анализа и передачи топографии поверхности пробы зависит от точности измерения времени. На основании этого в качестве альтернативы применяется способ измерения расстояния посредством сдвига фаз, функциональный принцип которого представлен на фиг. 3 и в котором по существу применяется то же устройство, что и на фиг. 2, при этом вместо устройства 27 для измерения времени применяется устройство для измерения фаз.
Согласно этому способу измеряется сдвиг фаз, при котором оптически
модулированный сигнал измерения распознается на основании своего зависящего от пути времени распространения сигнала относительно опорного сигнала. При этом импульс лазерного излучения при оптическом измерении времени распространения импульсов заменяется синусоидально модулированным сигналом, фаза которого определяется тем, что принятый фотодиодным приемником 25 сигнал коррелируется с синхронным опорным сигналом. Определенный таким образом сдвиг фаз, или разность фаз, Аф является пропорциональным времени распространения импульса лазерного излучения от излучателя 22 лазера до фото диодного приемника 25.
Для перехода от вышеописанного одномерного измерения времени распространения к трехмерному измерению расстояния с помощью сканирующего устройства 2 поверхность пробы сканируется посредством модулированного лазерного луча и поверхность пробы измеряется последовательно от точки к точке. Расположенные в матрице результаты измерения представляют собой элементы цифрового изображения, которое передает изображение интервалов и тем самым топографию поверхности пробы, а также изображение интенсивности поверхности пробы, которое соответствует характеру поверхности пробы. Если дополнительно применяется RGB-датчик, то может быть дополнительно получено RGB-изображение из определенных цветовых тонов измеренных точек.
Посредством сопряжения между сканирующим устройством 2 и устройством 3 для анализа по фиг. 1 данные измерений, а именно значения расстояния, значения интенсивности и цветовые тона RGB, передаются на устройство 3 для анализа, например на ПК или портативный персональный компьютер, в котором на их основе с помощью программного обеспечения составляются изображение интервалов, изображение интенсивности и при необходимости изображение в естественных цветах, которые визуализируются элементом для воспроизведения изображений, или дисплеем, 9.
Кроме представления данных измерений в виде изображений устройство 3 для
анализа обеспечивает также управление работой сканирующего устройства 2, например, выбор сканируемой области поверхности пробы, установку величины шага сканирования, регулирование высоты держателя 1 пробы и т. п.
На фиг. 4 схематически показан вариант осуществления устройства согласно изобретению и оптическая траектория лучей для сканирования трехмерно структурированной пробы Р, расположенной на держателе 1 пробы.
Сканирующее устройство 2 содержит расположенный на плате 20 излучатель 22 лазера, который посредством провода 10 соединен с источником питания, модулятор 11, который расположен на траектории лазерного луча, испускаемого излучателем 22 лазера, и соединен посредством управляющего провода 101 с электронным устройством для управления лазером, подробно не рассматриваемым, и коллиматор 13, который расположен на траектории лазерного луча, коллимирует лазерный луч до диаметра, который составляет 1 мм или меньше, в частности меньше или равен 0,1 мм, и направляет его посредством полупрозрачного зеркала 14 на полигональное отклоняющее зеркало 15. Полигональное отклоняющее зеркало 15, приводимое в действие электродвигателем 16, направляет лазерный луч на корректирующую линзу 17, при этом лазерный луч на основании вращения полигонального отклоняющего зеркала 15 отклоняется по длине корректирующей линзы 17, что схематически обозначено посредством показанной стрелки.
Расположенное на траектории лучей между коллиматором 11 и полигональным отклоняющим зеркалом 15 полупрозрачное зеркало 14, с одной стороны, пропускает испускаемые коллиматором 11 лазерные лучи L к полигональному отклоняющему зеркалу 15 и, с другой стороны, отклоняет последовательно объединяемые полигональным отклоняющим зеркалом 15, отраженные от поверхности пробы лазерные лучи R на фотодиод 12 для приема изображений.
Для синхронизации испускаемого лазерного луча L с отраженным лазерным лучом R предназначен фотодиод 19 для синхронизации, который также активируется лазерным лучом, отклоненным посредством полигонального
отклоняющего зеркала 15. Посредством преломляющего зеркала 18 соответственно проходящий линейно лазерный луч направляется на пробу Р, расположенную на держателе 1 пробы, для определения топографии поверхности пробы, а также ее характера, который определяется на основании поглощающих свойств поверхности пробы и соответствует изображению интенсивности, состоящему из отдельных точек измерения интенсивности.
Отраженный от поверхности пробы лазерный луч R направляется посредством преломляющего зеркала 18 и корректирующей линзы 17 на вращающееся полигональное отклоняющее зеркало 15, посредством которого отраженный лазерный луч R через полупрозрачное зеркало 14 преломляется на фотодиод 12 для приема изображений.
На фиг. 4 показана линия сканирования SL, которую проводит сканирующее устройство, так что топография и характер пробы Р определяются в направлении одной оси (оси X), тогда как для их определения в отношении всей поверхности пробы держатель 1 пробы или сканирующее устройство 2 двигаются в перпендикулярном направлении (по оси Y), так что попиксельно получается двухмерное изображение, которое путем определения времени распространения или сдвига фаз инфракрасного лазерного луча L увеличивается в третьем измерении, т. е. топографии пробы Р.
Кроме того, под углом к держателю 1 пробы могут быть расположены ИК-датчики 91, 92 с расположенными спереди объективами 93, 94, при этом один ИК-датчик 91 направлен вдоль оси Y, тогда как другой ИК-датчик 92 направлен перпендикулярно ей вдоль оси X.
На фиг. 5 также схематически показана основная функция сканирующего устройства 2, заключающаяся в испускании модулированного инфракрасного лазерного луча L и приеме отраженного модулированного инфракрасного лазерного луча R, время распространения или сдвиг фаз которого связываются с модулированным инфракрасным лазерным лучом L для определения изображения интервалов и тем самым для определения топографии поверхности
пробы P, а также ее поглощающих свойств и, следовательно, химического состава для изображения интенсивности.
ИК-датчики 91, 92 и объективы 93, 94 расположены под углом к держателю 1 пробы, при этом один ИК-датчик 91 направлен в направлении оси Y, а другой ИК-датчик 92 - в направлении оси X.
Решение согласно изобретению позволяет на основании измерения интенсивности в каждой точке измерения делать вывод о толщине слоя химического вещества, что в дополнение к указанным выше областям применения также можно использовать для измерения покрытий материала, клеящих слоев на пленках, а также даже расположенных внутри слоев в случае многослойных элементов. Примеры такого использования представлены на фиг. 6-11.
На фиг. 6 схематически показано уменьшение интенсивности монохроматического света за счет масляной пленки 101 на полосе 100 листового металла в качестве пробы 1. На пробу 1 направлен монохроматический свет, например лазерный луч, с начальной интенсивностью 1о. Интенсивность монохроматического света уменьшается на основании зависящего от толщины слоя поглощения U у масляной пленки 101, отражения IR на граничном слое поверхности масляной пленки 101, а также на граничном слое между масляной пленкой 101 и поверхностью полосы 100 листового металла и на основании рассеянного света Is покрытия.
На фиг. 7 схематически показано отношение поглощения к волновому числу с обратно пропорциональной зависимостью от толщины слоя, полученное абсорбционной спектроскопией в случае устройства по фиг. 6.
На фиг. 7 показан пик Ai, представляющий зависящее от толщины слоя поглощение 1А у масляной пленки 101, а также обозначенное А2 уменьшение интенсивности монохроматического света за счет отражения на поверхности масляной пленки 101, за счет рассеянного света покрытия и отражения на
граничном слое между масляной пленкой 101 и полосой 100 листового металла.
На фиг. 8 и 9 представлен пример измерения посредством спектроскопа. В качестве пробы взята схематически представленная на фиг. 8 тарелка с находящимся на ней слоем жира и двумя точками измерения Mi и Мг.
На фиг. 9 показано два спектра, которые измеряются на пробе в виде тарелки со слоем жира в двух точках измерения Mi и М2 на пробе в виде тарелки. На графике по фиг. 9 отмечены пики поглощения с соответствующими функциональными группами. Наряду с широкими, интенсивными пиками поглощения в приблизительно 1,000 см1 возникают другие пики поглощения в приблизительно 1,500 см1 (метилен СШ, а также метилен СШ и метил СНз), в приблизительно 1,750 см1 (кетоны С=0), 2,700 см"1 и 3,000 см"1. Между 3,700 см"1 и 3,350 см"1 (Н20 и ОН) возникает более широкий пик поглощения. Все эти дополнительные пики можно объяснить наличием слоя жира; пик поглощения у OH-группы может обуславливаться жиром или влажностью воздуха, присутствующей на поверхности тарелки.
Представленное на фиг. 9 отношение поглощения к волновому числу в двух точках измерения Mi и М2 по фиг. 8 показывает типичные для определенных материалов пики в диапазоне волновых чисел от 800 до 3,750 см"1. 2,850 см"1 и 2,900 см"1 указывают на характерные полосы для жировых следов пальцев. В случае сканирования отпечатков пальцев анализируется предпочтительно лишь эта полоса, а не вся полоса поглощения в диапазоне 1-10 мкм длины волны.
На фиг. 10 показан двухмерный вид изображения интенсивности с представлением соответствующего положения X/Y каждого пикселя и интенсивности каждого пикселя, представленной посредством оттенков серого, так что на основании этого получается структурное изображение поверхности пробы.
На фиг. 11 показан визуализирующий, трехмерный вид изображения интенсивности каждой отдельной точки измерения на поверхности пробы, а
также схематически представленная рядом с ним шкала спектральной интенсивности, которая предпочтительно выполнена цветной и соответствует соответствующему цвету точек измерения, так что наряду с качественной оценкой поверхности пробы возможна также количественная оценка. Представленная на фиг. 11 оттенками серого топография может быть показана двухмерной, как на этой фигуре, а также трехмерной с находящимся на ней веществом S, как на фиг. 12.
На фиг. 12 показан схематический, двухмерный вид пробы Р с профилем высоты Z1 пробы Р в виде оттенка серого и находящегося на поверхности пробы Р химического вещества S с профилем высоты Z2, например в виде оттенка красного. В зависимости от высоты Z2 вещества S оно может быть представлено в двухмерном изображении в палитре цветов от ярко-красного до темно-красного. Благодаря способу сканирования или зондирования согласно настоящему изобретению и спроектированного на его основе сканирующего устройства получена технология, которая позволяет за одно сканирование получить бестеневое и плавное изображение поверхности пробы, при этом получается
изображение интервалов,
изображение интенсивности,
при необходимости RGB-изображение при установке RGB-датчика для определения цветовых тонов измеренных точек
с разрешением по дальности, составляющим приблизительно 1 мм, в частности меньшим или равным 0,1 мм, при этом каждый сканированный пиксель передает визуальные данные и данные об интервалах. Кроме того, способ согласно настоящему изобретению, а также устройство согласно настоящему изобретению обеспечивают подавление фонового света, так что способ сканирования точно можно применять также в условиях постороннего света.
Перечень ссылочных обозначений
Держатель пробы
Сканирующее устройство
Устройство для анализа
Элемент отклонения по осям X и Y
Элемент приведения в движение по оси Z
Элемент для приема RGB-изображений (RGB-датчик)
Генератор импульсов
Элемент для воспроизведения изображений (дисплей)
Провод
Модулятор
Фотодиод для приема изображений
Коллиматор
Полупрозрачное зеркало
Полигональное отклоняющее зеркало
Электродвигатель
Корректирующая линза
Преломляющее зеркало
Фотодиод для синхронизации
Плата
Электронное устройство для управления лазером
Излучатель ИК-лазера
Передающая оптика
Усилитель входного сигнала
Фото диодный приемник
Приемная оптика
Устройство для измерения времени или фаз
Цифровой выход
Аналоговый выход
Центральное вычислительное устройство (CPU)
Элемент приведения в действие по осям X и Y
Элемент приведения в действие по оси Z
Запоминающее устройство
Внешнее запоминающее устройство
91, 92
ИК-датчики
93, 94
Объективы
100
Полоса листового металла
101
Масляная пленка
300
Микропроцессор
Ai, A2
Пики
Пропущенный свет
Поглощение, зависящее от толщины слоя
Начальная интенсивность
Отражение
Рассеянный свет
Испускаемый лазерный луч
Mi, M2
Точки и кривые измерения
Отраженный лазерный луч
Вещество
Проба, или объект измерения
Сдвиг фаз или разность фаз
Формула изобретения
Первоначально поданная формула изобретения
1. Способ определения структуры поверхности и характера пробы посредством сканирующего устройства, в частности определения химических веществ на поверхности пробы и в ней, при этом пробу и сканирующее устройство перемещают относительно друг друга, отличающийся тем, что по поверхности пробы полинейно проводят световым лучом (L), испускаемым сканирующим устройством (2), обнаруживают отраженный от поверхности пробы световой луч (R) и на основании различий между отраженным световым лучом (R) и испускаемым световым лучом (L) получают цифровое изображение топографии поверхности пробы и интенсивности отраженного светового луча (R).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что световой луч (L) испускают с длиной волны, которая соответствует диапазону длин волн спектра поглощения относительно характера поверхности пробы, в частности определяемого химического вещества.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сканирующее устройство (2) испускает световой луч, который испускает широкополосный свет в инфракрасном спектре.
4. Способ по меньшей мере по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по поверхности пробы полинейно проводят лазерным лучом (L) с заданным диаметром лазерного луча с величиной шага, соответствующей диаметру лазерного луча; при этом отраженный лазерный луч (R) обнаруживают коаксиально испускаемому лазерному лучу (L) и анализируют.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что испускаемый лазерный луч (L) коллимируют до диаметра лазерного луча, который меньше или равен 1 мм, в частности меньше или равен 0,1 мм.
6. Способ по меньшей мере по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что анализируют толщину расположенных внутри слоев пробы, отличающихся от слоев, расположенных снаружи.
7. Способ по п. 4 или п. 5, отличающийся тем, что определяют время
распространения лазерного луча (R), испускаемого сканирующим устройством
(2) и отраженного от поверхности пробы, которое зависит от расстояния между
сканирующим устройством (2) и поверхностью пробы, и анализируют его с
получением изображения интервалов, соответствующего топографии
поверхности пробы.
8. Способ по п. 4 или п. 5, отличающийся тем, что определяют сдвиг фаз (Аф)
между испускаемым сканирующим устройством (2) лазерным лучом (L) и
отраженным от поверхности пробы лазерным лучом (R) и анализируют его с
определением топографии поверхности пробы.
9. Способ по одному из пп. 4-7, отличающийся тем, что обусловленное
поглощением различие между отраженным от поверхности пробы лазерным
лучом (R) и испускаемым сканирующим устройством (2) лазерным лучом (L)
анализируют с получением изображения интенсивности, соответствующего
химическому веществу на поверхности пробы и в ней.
10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что испускаемый сканирующим
устройством (2) лазерный луч синусоидально модулируют, и для определения
сдвига фаз (Аф) между испускаемым сканирующим устройством (2) и
отраженным от поверхности пробы лазерными лучами (R) коррелируют
обнаруженный сканирующим устройством (2) отраженный лазерный луч (R) с
опорным сигналом, синхронным относительно испускаемого лазерного луча (L).
11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что поверхность пробы последовательно сканируют модулированным световым лучом (L) от точки к точке и на основании расположенных в матрице измерений интервалов и интенсивности эмулируют элементы цифрового изображения.
12. Способ по меньшей мере по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что отраженный световой луч (R) обнаруживают посредством элемента (7) для приема RGB-изображений для определения цветовых тонов сканированной
11.
поверхности пробы.
13. Устройство для определения структуры поверхности и характера пробы, в частности для выполнения способа по меньшей мере по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что содержит
держатель (1) пробы;
сканирующее устройство (2), содержащее
источник света для испускания светового луча с диапазоном длин волн известного или предварительно определенного значительного пика поглощения у химического вещества или для определения значительного пика поглощения посредством светового луча, регулируемого в области инфракрасного спектра испускания;
приемник для приема преобразованных или отраженных от поверхности пробы световых лучей; и элемент отклонения по осям X и Y, который посредством световых лучей, излучаемых источником света, сканирует поверхность пробы; и
устройство (3) для анализа, содержащее
первое вычислительное устройство (31) для получения топографического изображения интервалов поверхности пробы, содержащей химическое вещество;
второе вычислительное устройство (32) для получения инфракрасного изображения поверхности пробы, содержащей химическое вещество, передающего интенсивность отраженных световых лучей (R); и
центральное вычислительное устройство (30), которое двунаправленно соединено с запоминающим устройством (61, 62), элементом для воспроизведения изображений, или дисплеем, (9), а также с первым и вторым вычислительными устройствами (31, 32).
14. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что держатель пробы и/или
14.
сканирующее устройство (2) для изменения расстояния между держателем (1) пробы и сканирующим устройством (2) соединены с элементом (5) приведения в движение по оси Z, который двунаправленно соединен с центральным вычислительным устройством (30) посредством элемента (5) приведения в действие по оси Z.
15. Устройство по п. 12 или п. 13, отличающееся тем, что содержит направленный на поверхность пробы элемент (7) для приема RGB-изображений, который двунаправленно соединен с центральным вычислительным устройством (30) посредством третьего вычислительного устройства (33) для получения RGB-изо бражения.
16. Устройство по меньшей мере по одному из пп. 12-14, отличающееся тем, что источник (21, 22, 23) света содержит излучатель (22) ИК-лазера, передающую оптику (23), направляющую испускаемые излучателем (22) ИК-лазера световые лучи (L) на поверхность пробы, и электронное устройство (21) для управления источником света, предназначенное для управления излучателем (22) ИК-лазера.
17. Устройство по меньшей мере по одному из пп. 12-15, отличающееся тем, что приемник (24, 25, 26) света содержит инфракрасный фото диодный приемник (25), приемную оптику (26), расположенную на стороне приема, принимающей отраженные световые лучи (R), и усилитель (24) входного сигнала, усиливающий сигналы, отправляемые инфракрасным фотодиодным приемником (25).
18. Устройство по меньшей мере по одному из пп. 12-17, отличающееся тем, что электронным устройством (21) для управления источником излучения, усилителем (24) входного сигнала и тремя вычислительными устройствами (31, 32, 33) управляет генератор импульсов (8).
19. Устройство по меньшей мере по одному из пп. 12-18, отличающееся тем, что излучатель (22) ИК-лазера направляет инфракрасный лазерный луч (L) посредством модулятора (11), управляемого электронным устройством (21) для управления лазером, на коллиматор (13), который передает инфракрасный
15.
лазерный луч (L) с ограниченным диаметром лазерного луча на отклоняющее устройство (15), которое полинейно отклоняет инфракрасный лазерный луч на пробу (Р), а отраженные от поверхности пробы инфракрасные лазерные лучи (R) отклоняет на фотодиод (12) для приема изображений.
20. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что на траектории лучей между коллиматором (13) и отклоняющим устройством (15) расположено полупрозрачное зеркало (14), которое, с одной стороны, пропускает передаваемые коллиматором (13) инфракрасные лазерные лучи (L) к отклоняющему устройству (15) и, с другой стороны, отклоняет последовательно объединяемые отклоняющим устройством (15), отраженные от поверхности пробы инфракрасные лазерные лучи (R) на фотодиод (12) для приема изображений.
21. Устройство по п. 19 или п. 20, отличающееся тем, что полинейно веерообразно разделенные инфракрасные лазерные лучи (L), проходящие от отклоняющего устройства (15), а также принятые отклоняющим устройством (15) отраженные инфракрасные лазерные лучи (R) направляют на пробу (Р) посредством корректирующей линзы (17) и преломляющего зеркала (18).
22. Устройство по одному из пп. 19-21, отличающееся тем, что по меньшей мере часть полинейно веерообразно разделенных инфракрасных лазерных лучей (L), проходящих от отклоняющего устройства (15), отклонена на фотодиод для синхронизации.
23. Устройство по одному из пп. 19-22, отличающееся тем, что отклоняющее устройство содержит приводимое в движение от электродвигателя полигональное отклоняющее зеркало (15) или гальванометр.
20.
20.
20.
20.
Фиг. 5
Волновое число/см'-
Фиг. 7
Фиг. 8
РСТ7ЕР2015/069768
...
О to
50 '0
ox'o- ST'O-Поглощение
ог'о-
Фиг. 12
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498 PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498 PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
PCT/EP2015/069768
WO 2017/036498
2/11
PCT/EP2015/069768
8/11
Фиг. 9
8/11
Фиг. 9
8/11
Фиг. 9
8/11
Фиг. 9
WO 2017/036498
9/11
PCT/EP2015/069768
Фиг. 10
WO 2017/036498 PCT/EP2015/069768
10/11
WO 2017/036498
11/11
PCT/EP2015/069768