Atlas problémů se signálem
Symptom: kontrast reflexního snímání je jen poloviční oproti očekávání – odraz od zadní strany substrátu
Při reflexním snímání skleněného kotouče se světlo, které vstoupí do propustných mezer, odrazí od zadní strany nebo od dílů pod kotoučem, posune se o 2t·tanθ′ a z mezer opět vystoupí; vytvoří tak pozadí v protifázi nebo fázově posunuté vůči hlavním proužkům. Článek odvozuje vliv odrazivosti zadní strany a posunu na hloubku modulace – ekvivalentní odrazivost asi 0,4 stačí k jejímu snížení na polovinu – a uvádí diagnostické kroky jako srovnání se začerněnou zadní stranou a zkoušku náklonem.
Skleněný kotouč se používá s reflexní snímací hlavou. Podle odhadu z odrazivosti chromových rysek a povrchu skla by měla hloubka modulace dosáhnout určité úrovně, naměří se však jen asi polovina; kotouče ze stejné šarže dávají navíc na různých nábojích různé výsledky. Vzor na horní straně kotouče je v pořádku; problémem je ta část světla, která projde propustnými mezerami: odrazí se od zadní strany skla nebo od dílů pod kotoučem, vystoupí z mezer zpět a překryje se s hlavními proužky. Článek počítá, kam toto světlo dopadá, jak velký má vliv na hloubku modulace a jak ho rychle potvrdit a odstranit. Duchy mezi součástmi uvnitř snímací hlavy popisuje článek o rozptýleném světle v této knihovně; zde se zabýváme jen touto jednou cestou přes substrát kotouče.
Optická cesta: kam dopadá světlo odražené od zadní strany
Chromové rysky jsou na horní straně, obrácené ke snímací hlavě. Osvětlení dopadá na kotouč pod úhlem dopadu θ: světlo dopadající na chromové rysky se odrazí (odrazivost R_c, holý chrom v blízké infračervené oblasti asi 0,6) – to je hlavní signál; ze světla dopadajícího na mezery se asi 4 % odrazí od horní plochy, zbytek vstoupí do skla pod úhlem lomu θ′, pro který platí sinθ = n·sinθ′. Na zadní straně se odrazí s ekvivalentní odrazivostí R_b a při návratu k horní ploše je posunuto o
Δx = 2t·tanθ′
kde t je tloušťka skla a n index lomu. U sodnovápenatého skla s n = 1,52, t = 1,5 mm a θ = 10° je θ′ ≈ 6,56° a Δx ≈ 0,35 mm, což odpovídá 17,25 periody při rozteči 20 μm.
Světlo vracející se k horní ploše může vystoupit jen mezerami; část, která dopadne na rub chromových rysek, se znovu odrazí dolů (holý chrom ze strany skla asi 0,44), a tak několikrát tam a zpět. Má-li osvětlení úhlovou šířku Δθ, rozmaže cesta tam a zpět obraz zadní strany do pásu šířky b ≈ 2t·Δθ/n: při Δθ = 20 mrad je b ≈ 39 μm, tedy už více než rozteč 20 μm.
Model: hloubka modulace ve dvou mezních případech
Vystupující intenzita = hlavní odraz + složka od zadní strany. Složka od zadní strany je „vzor mezer × posunutý a rozmazaný dopadající vzor“ a intenzity se sčítají nekoherentně (koherenční délka LED je jen řádově asi 20 μm, mnohem méně než 3 mm dráhy tam a zpět).
Rozmazání mnohem větší než rozteč (b ≫ p): vracející se světlo je pod horní plochou už rovnoměrné a vystupuje jen mezerami; svítí tedy na mezerách, přesně v protifázi k hlavnímu signálu, který svítí na chromových ryskách. Při započtení jen jedné cesty tam a zpět je relativní hloubka modulace
M/M0 = (1 − k)/(1 + k′), k = T²·R_b /[2(R_c − R_f)], k′ = T²·R_b /[2(R_c + R_f)]
kde R_f ≈ 0,04 je odrazivost horní plochy a T ≈ 0,96 její propustnost. Při R_b = 0,04 (jen zadní strana skla) je M/M0 ≈ 0,94; při R_b ≈ 0,42 klesne na 0,50; se započtením vícenásobných průchodů je při stejném R_b asi 0,46.
Rozmazání mnohem menší než rozteč (b ≪ p): složka od zadní strany si zachovává vzor; její překryv s mezerami se mění s desetinnou částí Δx/p a fázový rozdíl mezi pozadím a hlavními proužky už není 180°, ale mění se s tloušťkou a úhlem dopadu. Při R_b = 0,42 a b = 2 μm leží M/M0 mezi 0,20 (desetinná část 0, vracející se světlo míří přesně na mezeru) a 0,77 (desetinná část 0,5). Každých 0,087 mm změny tloušťky změní Δx o jednu rozteč; tolerance tloušťky ±0,05 mm stačí, aby kotouče ze stejné šarže ležely na různých místech křivky, což se projeví jako rozdíly mezi kusy (viz obrázek 2).
Je třeba odlišit ještě jeden případ: u snímacích hlav se zdrojem a detektorem v téže rovině, které přímo promítají divergentním světlem, pochází složka od zadní strany z hlouběji ležícího virtuálního zdroje; její projekční zvětšení se liší od hlavních proužků, v rovině detektoru už nemá stejnou periodu jako detekční pole a projeví se hlavně jako stejnosměrná složka. Pak R_b = 0,42 sníží M/M0 jen asi na 0,75; ke snížení na polovinu je potřeba jasnější odražeč.
| Ekvivalentní R_b | b ≫ p | b ≪ p (podle tloušťky) | Jen stejnosměrná složka |
|---|---|---|---|
| 0,04 | 0,94 | 0,89–1,00 | 0,97 |
| 0,20 | 0,72 | 0,53–0,93 | 0,87 |
| 0,42 | 0,46 | 0,20–0,77 | 0,75 |
| 0,60 | 0,29 | 0,01–0,59 | 0,67 |
(R_c = 0,6, rozteč 20 μm, sloupec b ≪ p pro b = 2 μm, vše příkladové hodnoty.)
Samotný odraz 4 % od zadní strany skla tedy sníží hloubku modulace jen o několik procent; „zbyla jen polovina“ obvykle znamená, že pod kotoučem je světlá plocha: leštěné čelo náboje, zadní strana s odrazivou vrstvou, světlý plastový díl nebo holé měděné plošky.
Diagnostický postup
- Nejprve vyloučit jiné příčiny: ověřit orientaci strany s vrstvou (je chrom obrácen ke snímací hlavě?), zda má chrom málo odrazivou začerněnou vrstvu a zda je snímací vzdálenost v návrhovém rozsahu – i tyto body mohou kontrast několikanásobně snížit.
- Sledovat úroveň tmy: v klidu nastavit mezeru proti snímacímu oknu a změřit poměr odražené intenzity k intenzitě na chromové rysce. Normálně je asi R_f/R_c ≈ 0,07; výrazně vyšší hodnota ukazuje, že se z mezer vrací světlo.
- Srovnání se začerněnou zadní stranou: na zadní stranu proti stopě nalepit černou pásku, začernit ji nebo podložit černým sametem a znovu změřit hloubku modulace. Vrátí-li se na očekávanou hodnotu, je cesta přes zadní stranu potvrzena. Pozor: páska nalepená se vzduchovou mezerou ponechá 4 % odrazu od plochy skla.
- Zkouška náklonem: naklonit snímací hlavu asi o 1°; Δx se změní asi o 35 μm, téměř o dvě rozteče. Kolísá-li hloubka modulace výrazně, je osvětlení kolimované a pozadí si zachovává vzor; zůstane-li prakticky stejná, jde o rovnoměrné pozadí v protifázi.
- Statisticky vyhodnotit rozdíly mezi kusy: souvisí-li hloubka modulace s tloušťkou skla, ukazuje to na případ b ≪ p; souvisí-li se šarží nebo povrchovou úpravou náboje, ukazuje to na světlou plochu pod kotoučem.
Zásady pro praxi
- U reflexních skleněných kotoučů navrhovat zadní stranu jako optickou plochu: absorpční vrstva na zadní straně nebo začerněný náboj stlačí R_b na několik procent.
- Antireflexní vrstva na zadní straně odstraní jen asi 4 % odrazu samotné plochy skla a proti světlým dílům pod kotoučem nepomůže.
- Ekvivalentní R_b asi 0,4 stačí ke snížení hloubky modulace na polovinu; přímo pod stopu nedávat leštěné kovy, světlé plasty ani holé plošky.
- Při dobře kolimovaném osvětlení je hloubka modulace citlivá na tloušťku s periodou p/(2tanθ′), v příkladu asi 0,087 mm; rozptyl v sériích je třeba posoudit podle tolerance tloušťky.
- Aby světlo od zadní strany opustilo zorné pole, musí být Δx větší než osvětlená stopa a snímací okno: pro okno 1 mm a sklo 1,5 mm by byl potřeba úhel dopadu asi 29°, což obvykle není reálné – začernění je spolehlivější.
- Kovové kotouče nebo konstrukce s absorpční vrstvou pod chromem tuto optickou cestu nemají a při vysokých nárocích na kontrast je lze upřednostnit.
Shrnutí
Při reflexním snímání se světlo procházející mezerami odrazí od zadní strany nebo od dílů pod kotoučem, posune se o 2t·tanθ′ a z mezer opět vystoupí; při velkém rozmazání osvětlení vytvoří rovnoměrné pozadí v protifázi, při kolimaci pozadí s fází závislou na tloušťce. Se samotnou zadní stranou skla je ztráta asi 6 %, při ekvivalentní odrazivosti kolem 0,4 klesne hloubka modulace na polovinu. Potvrdit to lze třemi kroky – úrovní tmy, začerněním zadní strany a zkouškou náklonem; náprava spočívá hlavně v absorpční zadní straně.
Překlad čínského originálu (0232). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com
© Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Článek vznikl s pomocí AI.