ES2203658T3 - Procedimiento y dispositivo para mediciones de y remision y transmision espectral. - Google Patents

Abstract

PARA LA DETERMINACION DE VALORES DE COLORACION REFLECTANTES O TRANSPARENTES SOBRE CAPAS DE PELICULA DELGADA APLICADA SOBRE SUBSTRATOS SE UTILIZA UN PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACION DE LAS CURVAS DE GRADO DE REMISION, DONDE SE CORRIGEN LAS INESTABILIDADES PERTURBADORAS DE LA MEDICION DEL VALOR DE COLORACION, DE ACUERDO CON LAS CONDICIONES DEL APARATO, MEDIANTE NORMALIZACION DE LAS FUNCIONES DE RADIACION MEDIDAS SOBRE EL ESPECTRO DE LUZ DE MEDICION ACTUAL Y A TRAVES DE LA CONSIDERACION DE LOS INFLUJOS DE LUZ EXTRAÑA QUE SE DISPONEN EN LOS ESPECTROS DE MEDICION. EL DISPOSITIVO DE MEDICION ABARCA UNA FUENTE (4,6A) DE LUZ QUE ILUMINA LA SUPERFICIE DEL SUBSTRATO A SER INVESTIGADO, UN DISPOSITIVO OPTICO EN UNA PRIMERA VIA (20,9,8B,10B) DE RADIACION, CON EL CUAL ES DIRECCIONABLE LA LUZ REFLEJADA O TRANSMITIDA A PARTIR DEL SUBSTRATO SOBRE EL ESPACIO (16) DE ENTRADA DE UN DISPOSITIVO (14) DETECTOR DE LUZ Y DE APLICACION DISPERSIVA DE LUZ, DISPONIENDOSE DE MEDIOS, CON LOS QUE ES REALIZABLE EL ESPECTRO DE EMISION CARACTERISTICO EMITIDO A PARTIR DE LA FUENTE DE LUZ DE LA PORCION DE LUZ DIRECTA DEL DISPOSITIVO (14) DISPERSIVO DE LUZ EN BASE AL ANALISIS ESPECTRAL. PARA ELLO SON SEPARABLE LA PRIMERA VIA (20,9,8B,10B) DE RADIACION ASI COMO AL MENOS UNA SEGUNDA VIA (13,8A,10A) DE RADIACION RESPECTIVAMENTE DE FORMA CAMBIANTE CON UN DISPOSITIVO (11B,11A) DE DIAFRAGMA CON APLICACION DE DENSIDAD DE LUZ. LA FUENTE (6A) DE LUZ SE COMPONE DE UNA ESFERA (6A) DE FOTOMETRO, EN LA QUE SE APLICA UNA LAMPARA (4). COMO LAMPARA (4) SE HA PREVISTO UNA FUENTE DE LUZ DURADERA, EN PARTICULAR UNA LAMPARA DE LUZ HALOGENA. LAS INESTABILIDADES DEBIDO A LAS CONDICIONES DE TIEMPO LARGAS SE CORRIGEN ESENCIALMENTE CON UNA FORMA ESTANDAR Y TENIENDO EN CUENTA INESTABILIDADES DE TIEMPO CORTO BAJO CONSIDERACION DE LOS ESPECTROS DE EMISION CARACTERISTICOS DE LA LAMPARA (4) UTILIZADA.

Description

Procedimiento y dispositivo para mediciones de remisión y transmisión espectral.

La presente invención se refiere a un dispositivo para la medición de características ópticas de objetos transparentes-reflectantes, según la reivindicación 1.

En la fabricación y/o control de calidad de productos ópticos es necesario frecuentemente medir y representar gráficamente o bien someter las magnitudes ópticas a otros procesos adicionales de cálculo y evaluación en cuanto a características ópticas tales como, por ejemplo, comportamiento a la reflexión y a la transmisión en relación con la longitud de onda de las radiaciones luminosas. Son ejemplo de ello los análisis ópticos de las capas de filtro con efecto filtrante de infrarrojos, que reducen la radiación calorífica pero que, no obstante, permiten atravesar la luz visible, en lo posible, sin impedimentos. Estas capas de filtrado son especialmente utilizables para recubrimiento de cristales para ventanas de automóviles. Otro ejemplo son las capas especulares, especialmente para efecto de espejo de banda ancha, que deben mostrar dentro de la gama de la luz visible la reflexión más reducida posible. Tanto en el proceso de fabricación de las capas de recubrimiento como también en el control final de las características ópticas de las capas, se hace necesaria la medición de sus características espectrales.

Para la caracterización del comportamiento ante la reflexión y transmisión óptica, en especial en las sustancias en forma de capa fabricadas por los procesos de capa delgada, es habitual el evaluar su espectro de reflexión y/o de transmisión sobre la gama de longitud de onda de interés según la intensidad, como la llamada función de radiación. En base a las funciones de radiación de este tipo, se determinan valores cromáticos de los sustratos dotados de recubrimiento, que son características de las propiedades ópticas del propio sustrato. La invención se plantea como objetivo conseguir un dispositivo perfeccionado para la medición de la remisión y transmisión espectrales. Este objetivo se consigue mediante un dispositivo de acuerdo con las características de la reivindicación 1.

Para la eliminación de influencias extrañas en la medición de la función espectral del aparato \Phi_{ki},_{i-1,2,3} (\lambda) la abertura de salida (27) debe ser dispuesta ortogonalmente con respecto a la abertura (24) y a la lámpara (4) situada en la bola fotométrica (6b). De este modo, se evitará que la luz que, atravesando la abertura (24) incide directamente en la bola fotométrica (6b), pase directamente a la abertura de salida (27) y provoque que la luz emitida por la lámpara (4) salga como una distribución de luz de forma difusa solamente después de múltiples reflexiones dentro de la bola fotométrica (6b).

Como fuente de iluminación, se utiliza una llamada bola fotométrica (bola de Ulbricht), que es iluminada mediante una fuente de luz desde su interior. De esta manera, y de acuerdo con la reivindicación 4, se prevé como fuente de luz una lámpara halógena o una abertura para la salida de luz de un conductor luminoso, portador de luz que entra dentro de la bola fotométrica. Esto tiene la ventaja de que se evita la carga térmica de la bola fotométrica por el calor facilitado por la fuente de luz, por lo que no se produce un efecto térmico que actúe negativamente sobre el espectro de emisión de la fuente de luz.

La bola fotométrica utilizada como fuente de luz presenta, para la detección de la función de emisión \Phi_{ki},_{i-1,2,3} (\lambda) una segunda salida de iluminación esencialmente perpendicular a la abertura de salida de la luz o bien a la dirección de incidencia de la luz, mediante la cual se detectará solamente el espectro de emisión característico de la fuente de luz. Para una bola fotométrica utilizada para la medición de iluminación, ésta presenta una abertura de salida de luz adicional dispuesta diametralmente con respecto a la primera abertura de salida de luz, mediante la cual la parte de luz reflejada, desde la sonda o probeta, a la bola fotométrica, es enfocada preferentemente con intermedio de un dispositivo óptico de formación de imágenes que enfoca a la zona de entrada de un conductor de luz que, por otra parte, está acoplado con el intersticio de entrada de un dispositivo fotoreceptor sensible a la luz, emisor de espectro, dispersante de la luz, y conectado a posteriori para la detección del espectro de intensidad dependiente de la longitud de onda.

A diferencia del tipo de bola fotométrica utilizada en la medición de iluminación, en la medición de transmisión, se dispone la fuente de iluminación y el dispositivo óptico que recibe la luz transmitida sobre caras opuestas de la probeta. La luz atraviesa, en este caso, la probeta, por ejemplo, mediante una óptica de concentración que está acoplada al extremo de entrada de luz de un conductor de luz, por el cual la luz es desviada en el intersticio de entrada de un dispositivo de dispersión de luz, preferentemente un monocromador, por ejemplo, un monocromador de rejilla.

Para poder medir sobre la probeta, sobre una superficie de referencia o bien sobre un fondo de radiación, por un lado, las funciones de radiación \Phi_{P}, \Phi_{R}, \Phi_{S}, y por otro, las funciones de radiación de la fuente de luz \Phi_{K} (\lambda), de modo correspondiente, sin influencia contraria en la zona de entrada del espectrómetro, especialmente sin transferencia de señalización, se disponen en ambas trayectorias de radiación correspondientes pantallas de protección para la luz que, de manera alternativa e independientemente entre si, pueden ser abiertas y cerradas. La utilización de conductores de luz tiene además la ventaja de que el dispositivo de medición está unido con el dispositivo de análisis y detección de la luz de forma flexible y que, de esta manera, el dispositivo de medición puede desplazarse y puede ser posicionado de manera libre sobre la zona de la superficie de la probeta a investigar. La utilización de conductores de luz tiene además la ventaja de que se pueden prever varios dispositivos de bola fotométrica, que están dispuestos de manera independiente entre sí en diferentes posiciones de medición. Las señales de luz facilitadas por estas estaciones de medición individuales serán guiadas, analizadas y detectadas separándolas entre sí, después del dispositivo de dispersión de luz (14), con un dispositivo de múltiples pantallas de protección.

Otras características ventajosas de la invención se apreciarán en las reivindicaciones dependientes.

La invención se describirá a continuación en base a dos figuras que muestran ejemplos de realización preferentes. En los dibujos:

la figura 1 muestra una representación esquemática de un dispositivo de medición para la realización de mediciones de transmisión y

la figura 2 muestra una representación de un dispositivo de medición para la realización de mediciones de iluminación.

El dispositivo de medición para la realización de mediciones de iluminación se ha mostrado en la figura 2. La superficie (22a) del cuerpo de probeta a investigar (2a) es iluminado con la luz que sale por la abertura (24) de una bola fotométrica (6a), de manera que la bola fotométrica (6a) está constituida en forma de Ulbricht. Como fuente luminosa, está dispuesta una lámpara (4) en la bola fotométrica (6a). La luz emitida por la lámpara (4) será dispersada de forma difundida múltiple en las paredes interiores de la bola fotométrica (6a), y llega a la zona (3a) a investigar de la superficie (22a) de forma sustancialmente perpendicular. La luz de la superficie (3a, 22a) de la probeta, reflejada en retroceso en la bola fotométrica de forma difundida y/o regular, será enfocada mediante una óptica de lentes (20) dispuesta en oposición diametral a la abertura (24) dentro del cuerpo de la bola fotométrica (6a) sobre la pieza de acoplamiento (9). En la cara de la pieza de acoplamiento (9) opuesta al dispositivo de lentes (20), se continúa dicha pieza de acoplamiento mediante un cable conductor de luz (8b y 10b) de tipo flexible, de manera que entre dichos conductores de luz (8b y 10b) queda dispuesta una pantalla (lib) con capacidad de cierre. El haz de rayos de luz enviado por el conductor de luz (8b) al conductor de luz (10b) para la situación de pantalla (11b) abierta, es desviado desde el conductor de luz (10b) por el lado de la salida a una abertura (16) de un dispositivo de dispersión espectral, preferentemente un monocromador (14). A través de un espejo (31), la luz entrante será desviada preferentemente mediante una rejilla (29) de tipo cóncavo, y desde ésta se proyecta de forma dispersada sobre el dispositivo fotorreceptor (15) sensible a la luz. El dispositivo fotorreceptor (15) transforma la luz incidente de manera correspondiente a su distribución de intensidad, dependiente de la longitud de onda, en señales eléctricas que son enviadas para su almacenamiento y proceso posterior a un ordenador (17).

Para la determinación de las funciones de emisión del aparato \Phi_{K} (\lambda), se desviará la distribución espectral que se constituye dentro de la bola fotométrica (6a) de la luz utilizada para la iluminación de la capa (3a), desde el interior de la bola fotométrica (6a) con intermedio de una pieza de acoplamiento (13) dispuesta en una abertura (27) de la bola fotométrica (6), y nuevamente con intermedio del conductor de luz (10a) a la entrada (16) del dispositivo de dispersión de luz (14). Los conductores de luz (8a y 10a) pueden ser separados, desde el punto de vista de iluminación, de manera análoga a los conductores de luz (8b y 10b), mediante una pantalla (11a) con capacidad de cierre. Para la captación de las funciones espectrales del aparato \Phi_{ki},_{i-1,2,3} (\lambda), la luz enviada mediante los conductores de luz (8a y 10a) del dispositivo de dispersión de luz (14) será descompuesta espectralmente, detectada por el dispositivo fotorreceptor (15) y, con dependencia de su intensidad espectral, será enviada como señal eléctrica dependiente de la longitud de onda al ordenador (17) para su almacenamiento y proceso posterior. Como dispositivo fotorreceptor (15), se prevé, por ejemplo, un conjunto CCD sensible a la luz o un fotomultiplicador.

Para la captación de un espectro estándar blanco, se utilizará preferentemente una pieza prensada (5) de cerámica, que preferentemente estará realizada a base de sulfato de bario o que presenta una superficie (26) que genera un espectro de reflexión de luz esencialmente blanca. Para el posicionamiento de la abertura de salida o bien de entrada (24) con intermedio de una superficie de referencia (26), la bola fotométrica (6a) será desplazable mediante un dispositivo de desplazamiento, no mostrado en la figura 2, paralelamente a las superficies a investigar (3a, 22a, 26). Para la captación de las funciones espectrales \Phi_{P}, \Phi_{R}, \Phi_{S} y \Phi_{K} (\lambda) para el cálculo de la curva de remisión \beta(\lambda), la luz guiada por intermedio de los conductores de luz (8a, 10a o bien 8b, 10b) será enviada mediante las pantallas (11a o bien 11b), de manera alternativa, individualmente al dispositivo de dispersión de luz (14). En este caso, se prevé como simplificación constructiva la constitución de los conductores de luz (10a y 10b) como conductores en forma de Y, de manera que el conjunto de la guía de luz está dispuesto en oposición al intersticio de entrada (16) del dispositivo de dispersión de luz (14).

Como lámpara (4), se prevé, según la invención, el utilizar una lámpara de halógeno que puede funcionar en condiciones de iluminación prolongada. En vez de una lámpara (4) dispuesta directamente en la bola fotométrica (6a), se prevé de manera alternativa la iluminación del interior de la bola fotométrica (6a) mediante una trayectoria de iluminación esencialmente ortogonal a la abertura de salida (24), definida por la pieza de acoplamiento (13) y por el dispositivo de lentes ópticas, en una pieza conductora de luz final dispuesta en la abertura (6a) de la bola fotométrica y que no se ha mostrado en la figura 2. Mediante la disposición ortogonal de la lámpara (4) con respecto a la abertura de salida, o bien de entrada (24) de la pieza de acoplamiento (13), y de la disposición de lentes ópticas (20), se garantiza, según la invención, que la parte de luz procedente de la abertura de salida (24) y de la pieza de acoplamiento (13) desde la bola fotométrica (6a) no se diferencian en su distribución de intensidades espectrales, y que la luz procedente de la abertura de salida (27) es utilizable para la determinación de la función espectral del aparato \Phi_{K} (\lambda).

El dispositivo de medición mostrado esquemáticamente en la figura 1 está destinado a la medición, según la presente invención, de la curva de remisión \beta(\lambda) en la transmisión de un objeto de medición (2b). En este caso, las fuentes de luz, que análogamente a la bola fotométrica (6a) utilizada para la medición de reflexión están integradas en las bolas fotométricas (6b), y el dispositivo óptico de detección de luz (20) están dispuestos en el lado opuesto del objeto a medir (2b). La luz que sale de la abertura (24) de la bola fotométrica (6b) incide de forma esencialmente perpendicular en la zona de la capa (3b) que se desea investigar sobre la superficie de medición (22b), y en la salida será enfocada a través del objeto a medir (2b) mediante el dispositivo óptico (20) sobre la abertura de entrada de la pieza de desacoplamiento (9). Mediante conductores de luz (8b y 10b), que se pueden aislar uno con respecto al otro mediante una pantalla (11b) con capacidad de cierre en la trayectoria de iluminación, la luz que atraviesa el objeto de medición (2b) será desviada sobre la abertura de entrada (16) de un dispositivo (14) de dispersión espectral, preferentemente un monocromador de rejilla, y descompuesta en las partes de intensidad dependientes de la longitud de onda, las cuales después de transformación en magnitudes de señalización eléctrica, son enviadas con intermedio de un dispositivo fotorreceptor (15) a un ordenador (17) para almacenamiento y procesamiento posterior. Para la captación de las funciones espectrales \Phi_{ki},_{i-1,2,3} (\lambda) del aparato, la bola fotométrica (6b) presenta una abertura (27) en la que se utiliza una pieza de desacoplamiento (13) que transmite la luz que sale de la bola fotométrica (6b) en la abertura (27) a un conductor de luz (8a), al que, por otra parte, está acoplada una pantalla con capacidad de cierre (11a). Cuando la pantalla (11a) está abierta, la luz del conductor de luz (8a) llega a un conductor de luz (10b) dispuesto en las proximidades del extremo del conductor de luz (8a), y es desviada con intermedio de la abertura de entrada (16) de un dispositivo de dispersión espectral (14) para ser descompuesta según su espectro, y siendo transformada en señales eléctricas dependientes de la intensidad, las cuales son enviadas al ordenador (17) para su almacenamiento y proceso de cálculo posterior.

Los conductores de luz (10a y 10b) están constituidos, en este caso, como los llamados desviadores ópticos, que están constituidos tal como en el ejemplo de realización mostrado en las figuras 1 y 2, como conductores de luz en forma de Y.

Claims (5)

1. Dispositivo para la medición de las características ópticas de objetos transparentes-reflectantes y/o reflectantes con dependencia de la longitud de onda de la luz, preferentemente para la medición de las características ópticas mediante una capa delgada (3a) constituida mediante un procedimiento de recubrimiento en vacío, que posee:

una bola de Ulbricht (6a), en la que se ilumina una fuente de luz (4), de manera que la bola Ulbricht (6a)

presenta una primera abertura de salida (24) opuesta al objeto de medición (2a, 2b)

así como una segunda abertura de salida (27), de manera que la segunda abertura de salida (27) está unida con intermedio de un conductor de luz (8a, l0a) con un dispositivo de dispersión de luz (14),

una pieza de acoplamiento (9), que recoge las radiaciones procedentes de la bola Ulbricht (6a) y las transmite mediante un conductor de luz (8b, 10b) al dispositivo de dispersión de luz (14);

un dispositivo fotorreceptor (15) en el dispositivo de dispersión de luz (14), que está unido a una unidad (17) de evaluación, la cual determina y almacena las características ópticas del objeto a medir,

caracterizado porque la segunda abertura de salida (27) queda dispuesta en el interior de la bola Ulbricht (6a), y porque la fuente de luz (4) está dirigida a la primera abertura de salida (24) y a la segunda abertura de salida (27) de forma ortogonal.

2. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque en los conductores de luz (8a, 10a; 8b, 10b) queda dispuesta de manera correspondiente una pantalla (11a, 11b), con la cual se puede interrumpir la trayectoria de radiación en los conductores de luz (8a, 10a; 8b, 10b) de manera individual e independiente, de manera que los espectros de intensidad dependientes de la longitud de onda de la luz reflejada por la superficie del sustrato (3a, 22a, 26a) y la de la fuente de luz (4, 6a) determinan espectros de emisiones característicos que son medibles individualmente y separadamente entre sí.

3. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque la luz reflejada por una superficie de medición (3a, 22a, 26) del objeto a medir (2a, 2b) en la bola Ulbricht (6a) es desviada mediante una óptica (20) dispuesta en oposición diametral a la abertura de salida (24) al intersticio de entrada (16) del dispositivo de dispersión de luz (14), y que la bola Ulbricht (6a) presenta, como mínimo, otra abertura (27), mediante la cual una parte de la emisión de luz generada en el interior de la bola Ulbricht (6a) es desviada para la determinación de la función de emisión \Phi_{ki},_{i-1,2,3} (X) del aparato al intersticio de entrada (16) del dispositivo de dispersión de luz (14).

4. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque, como lámpara (4), se prevé una lámpara de halógeno, que preferentemente funciona en situación de iluminación duradera.

5. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque, como superficie de referencia (26), se prevé un cuerpo plano (26) como estándar de color blanco preferentemente una pieza prensada de sulfato de bario o de óxido de magnesio o realizada mediante un material cerámico.