УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОПУСКАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию материалов с помощью оптических средств, и может быть использовано для точных измерений абсолютного и относительного коэффициентов зеркального отражения плоских поверхностей, а также коэффициента пропускания плоскопараллельных прозрачных пластин (окон, защитных стекол оптических приборов) в широком спектральном диапазоне.

Известно также устройство, содержащее источник излучения, зеркальную систему, подвижный отражатель, при двух положениях которого образуется измерительный и опорный каналы, держатель образцов и приемник излучения [1]. Недостатком известных устройств является невысокая точность измерения, обусловленная возможностью осуществления однократного или двукратного зондирования образца, кроме того, световой пучок сначала падает на вспомогательное зеркало и, только отразившись от него, попадает на образец, поэтому даже при двукратном зондировании требуется большое количество зеркал, а следовательно, усложняется юстировка устройства и увеличиваются его габариты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения, в состав которого входит источник излучения, зеркальная система, подвижные отражатели, формирующие опорный и измерительный каналы, держатель образцов, линза и приемник излучения. Измеряя отношение величины светового потока при одно- или многократном зондировании образца к величине светового потока, падающего на образец, получаем значение (квадрат, куб) абсолютного коэффициента отражения и пропускания [2]. Недостатком известного устройства является невозможность высокоточного измерения коэффициентов отражения и пропускания образцов с малой площадью при многократном зондировании, наличие большого количества зеркал, трудность в обеспечении равных потерь за счет отражения в соответствующих каналах, большие габариты устройства и сложность его юстировки.

Прямая призма 2 с шестиугольником в основании и отражающими гранями 4, 5, 6 представляет собой блок трех жестко связанных зеркал, причем грани 4 и 6 образуют двугранный угол β, например 95^о. Прозрачные параллельные грани 3 и 7 выполнены с целью упрощения юстировки устройства и предназначены для установки (по углу) призмы 2 в положение, при котором зеркальная грань 5 будет строго параллельна оси, соединяющей источник и приемник излучения, при этом призма 2 устанавливается, например, на каретке, которая перемещается перпендикулярно этой оси по направляющей типа ласточкина хвоста и фиксируется в двух положениях А и В (фиг.1). Так, если боковая отражающая грань 5 призмы 2 параллельна оси выходящего из источника излучения пучка, то угол αмежду отражающей гранью 4 и перпендикуляром к граням 3 и 7 призмы 2 определяет угол ε падения светового пучка на образец следующим соотношением ε=2(45-α).

Подвижный отражатель, выполненный в виде двух зеркал 8 и 9, может устанавливаться в двух фиксированных положениях, при которых происходит образование опорного (положение I ) и измерительного (положение II) каналов (при измерении коэффициента отражения). Перевод отражателя из положения I в положение II осуществляется путем поворота на 180^о относительно оси вращения ОО₁, лежащей в плоскости образца и параллельной зеркальной грани 5 призмы 2. Зеркала 8 и 9 отражателя являются сменными элементами (заменяются в зависимости от режима работы).

Прозрачная плоскопараллельная пластина 10 и линза 11, установленные на подвижном основании, которое может поступательно перемещаться в направлении, перпендикулярном направлению распространения светового пучка, вводятся в оптическую систему устройства при измерении коэффициента пропускания. Плоскопараллельная пластина 10 может поворачиваться вокруг оси О₂, перпендикулярной плоскости падения светового пучка на образец (плоскости чертежа) и устанавливается в фиксированное положение под определенным углом к падающему пучку, при этом оптическая ось линзы 11 пересекает (под прямым углом) ось вращения пластины. Держатель 13 образцов выполнен, например, в виде вертикально расположенного столика, с помощью которого осуществляется введение измеряемого образца или образца сравнения в световой пучок.

Устройство работает следующим образом.

1. Измерение абсолютного коэффициента отражения.

При измерении коэффициента отражения пластина 10 и линза 11 выведены из оптической системы.

Целью изобретения является расширение класса измеряемых образцов, упрощение устройства и его юстировки, а также уменьшение его габаритов.

Достигается это тем, что в устройстве для измерения коэффициентов отражения и пропускания, содержащем держатель образцов и оптически связанные источник излучения, зеркальную систему, подвижный отражатель, линзу и приемник излучения, зеркальная система выполнена в виде прямой шестиугольной призмы с тремя отражающими боковыми гранями, две из которых расположены под углом друг к другу, а третья грань, заключенная между ними со стороны вершины угла, перпендикулярна двум прозрачным граням, параллельна плоскости установки образца и подвижному отражателю, состоящему из двух или большего количества зеркал, и установленного с возможностью поворота на 180^о относительно оси, лежащей в плоскости установки образца, при этом призма симметрична относительно плоскости, перпендикулярной третьей отражающей грани, и установлена с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно плоскости установки образца, кроме того, введен компенсатор в виде поворачивающейся плоскопараллельной пластины с осью вращения, проходящей через центр симметрии пластины и перпендикулярной плоскости падения светового пучка на образец, установленный по ходу светового пучка между призмой и линзой.

Благодаря использованию отличительных признаков во взаимосвязи друг с другом и в строго определенной последовательности устройство позволяет разрешить трудную задачу, а именно дает возможность производить высокоточные измерения коэффициента отражения и пропускания образцов с малой площадью при многократном зондировании, существенно упростить устройство и его юстировку, а также уменьшить его габариты.

На фиг.1 представлена оптическая схема устройства для измерения коэффициента зеркального отражения и коэффициента пропускания (подвижный отражатель состоит из двух зеркал); на фиг.2 - ход лучей в плоскопараллельной пластине компенсатора.

Устройство содержит оптически связанные источник излучения 1, зеркальную систему, выполненную в виде прямой призмы 2 с прозрачной гранью 3, отражающими боковыми гранями (с зеркальным покрытием) 4, 5, 6, второй прозрачной гранью 7, подвижный отражатель, выполненный в виде двух зеркал 8 и 9, установленных параллельно отражающей грани 5 призмы 2 и плоскости установки образца, компенсатор в виде поворачивающейся плоскопараллельной прозрачной пластины 10, установленной по ходу светового пучка между призмой 2 и линзой 11, расположенной перед приемником излучения 12, а также держатель образцов 13. Параллельный световой пучок (призма 2 выведена из светового пучка) попадает на приемник излучения, при этом центр пучка совмещается с центром светочувствительной площадки приемника излучения. Затем посредством каретки в световой пучок вводится призма 2 (положение А), которую устанавливают по углу таким образом, что выходящий из источника излучения световой пучок будет перпендикулярен граням 3 и 7 призмы 2 и не изменит своего положения на светочувствительной площадке приемника излучения (в результате автоматически зеркальная грань 5 призмы 2 будет параллельна оси, соединяющей источник и приемник излучения). Посредством каретки призму 2 устанавливают в положение Б, при этом световой пучок падает на зеркальную грань 4 призмы 2. Подвижный отражатель с сферическими зеркалами 8 и 9 устанавливают в положение I.

Световой пучок, выходящий из источника излучения 1, отразившись от зеркальной поверхности грани 4 призмы 2 (в отсутствие измеряемого образца), попадает на сферическое зеркало 8 отражателя, находящегося в положении I, которое фокусирует его на отражающую грань 5 призмы 2. Отраженный гранью 5 призмы 2 световой пучок попадает на сферическое зеркало 9, фокусирующее его в плоскость зеркальной грани 5 призмы 2 и создающее совместно с отражающей гранью 6 призмы 2 изображение источника излучения на светочувствительном слое приемника излучения 12. Сигнал I_o, снятый с приемника излучения 12, соответствует интенсивности светового пучка, прошедшего всю оптическую систему в отсутствие измеряемого образца. Затем отражатель с зеркалами 8 и 9 переводится в положение II, а образец вводится с помощью держателя 13 в световой пучок, при этом образуется измерительный канал (фиг.1, ход лучей показан пунктиром). В этом случае световой пучок от источника излучения 1 падает на измеряемый образец. Отразившись от поверхности образца, пучок попадает на сферическое зеркало 8, которое направляет его обратно на образец и фокусирует на отражающую грань 5 призмы 2. Затем уже расходящийся пучок в третий раз отражается от образца и попадает на сферическое зеркало 9, которое направляет пучок на образец и фокусирует его в плоскость отражающей грани 5 призмы 2. Отразившись от зеркальной поверхности грани 6 призмы 2, световой пучок попадает в приемник излучения 12, причем поперечное сечение пучка и его положение на светочувствительном слое остается неизменным (как и при измерении сигнала I_o), т.к. длина хода пучка в опорном и измерительном канале одинаковы. Сигнал I₁, снятый с приемника излучения 12, соответствует интенсивности светового пучка, прошедшего всю оптическую систему устройства и испытавшего четырехкратное отражение от измеряемого образца. Таким образом, прямая призма с отражающими боковыми гранями 4, 5, 6 представляет собой зеркальную систему, не только направляющую световой пучок на образец и выводящую отраженный пучок на приемник излучения 12, но и обеспечивающую совместно с подвижным отражателем четырехкратное отражение от образца.

Вычисление абсолютного коэффициента отражения осуществляется по формуле
R_обр= ; n=4, (для схемы на фиг. 1) где R_обр - коэффициент отражения образца;
I_о - интенсивность светового пучка в отсутствие образца;
I₁ - интенсивность светового пучка, испытавшего четырехкратное отражение от образца;
n - число отражений от образца.

2. Измерение коэффициента отражения относительно образца сравнения осуществляется по схеме измерительного канала (отражатель с зеркалами 8 и 9 находится в положении II при поочередном введении в световой пучок образца сравнения с известным коэффициентом отражения R_эт и измеряемого образца) . Если I₂ - сигнал, снятый с приемника излучения 12, соответствующий интенсивности светового пучка, прошедшего всю оптическую систему устройства и испытавшего четырехкратное отражение от образца сравнения, то вычисление коэффициента отражения осуществляется по формуле
R_обр= R_эт.· ; n= 4, где R_эт - коэффициент отражения образца сравнения;
I₂ - интенсивность светового пучка, испытавшего 4-кратное отражение от образца сравнения.

3, Измерение коэффициента пропускания.

Для измерения коэффициента пропускания в оптическую систему устройства дополнительно вводится компенсатор в виде поворачивающейся прозрачной пластины 10 и линза 11, при этом основание, на котором закреплены эти элементы, устанавливается таким образом, что оптическая ось линзы 11 (пересекающая ось вращения пластины) будет параллельна пучку, но смещена относительно центрального луча этого пучка на расстояние В/2, где В - величина, характеризующая смещение падающего пучка параллельно самому себе за счет преломления на гранях образца, определяемая из соотношения:
B=kdsin1- ; (k=4), где d - толщина образца;
n_обp. - показатель преломления образца;
ε - угол падения светового пучка на образец;
k - число прохождений светового пучка сквозь образец.

Кроме того, сферические зеркала 8 и 9 отражателя, установленного в положение I, заменяются на плоские, параллельный пучок, выходящий из источника излучения 1, отразившись от зеркальной поверхности грани 4 призмы 2 (в отсутствие измеряемого образца) попадает на плоское зеркало 8 отражателя, которое направляет его на отражающую грань 5 призмы 2. Затем пучок света, последовательно отразившись от зеркала 9 (отражателя) и зеркальной поверхности грани 6 призмы 2 попадает на плоскопараллельную пластину 10, установленную таким образом, что падающий пучок образует угол j с перпендикуляром к поверхности пластины, который может быть найден из предварительно вычерченного графика j = f(B) для определенных значений В (пример приведен в приложении 1). Значения В графика получены путем подстановки различных углов j в выражение
B= = 2Dsinj1- где D - толщина плоскопараллельной пластины;
j - угол между падающим пучком и перпендикуляром к поверхности пластины;
ω - угол преломления светового пучка в пластине;
n_пл. - показатель преломления пластины, которое в неявном виде выражает зависимость В = f(j) и может быть получено из простых геометрических построений (фиг.2).

Параллельный пучок, преломленный пластиной 10, попадает на линзу 11, которая формирует на светочувствительном слое приемника излучения 12 световой пучок необходимого поперечного сечения. Сигнал, снятый с приемника излучения 12, соответствует интенсивности светового пучка, прошедшего всю оптическую систему устройства (в режиме измерения коэффициента пропускания) в отсутствие измеряемого образца. Затем с помощью держателя в пучок света вводится измеряемый образец (плоскопараллельная прозрачная пластина с просветляющим покрытием или без него). В этом случае параллельный пучок света последовательно отражается от зеркальной поверхности грани 4 призмы 2, зеркала 8 отражателя, отражающей грани 5 призмы 2, зеркала 9 отражателя, зеркальной поверхности грани 6 призмы 2, при этом четырежды пройдя сквозь образец, и попадает на плоскопараллельную пластину 10, установленную таким образом (фиг. 2), что падающий пучок образует угол -j с перпендикуляром к поверхности пластины. Световой пучок, преломленный пластиной 10, попадает на линзу 11, которая проецирует его на приемник излучения 12, при этом поперечное сечение пучка и его положение на светочувствительном слое остается неизменным (как и при измерении сигнала I_o) ,так как возникающее в процессе прохождения через образец смещение падающего пучка параллельно самому себе, компенсируется с помощью плоскопараллельной пластины 10. Сигнал I₁, снятый с приемника излучения 12, соответствует интенсивности светового пучка, прошедшего всю оптическую систему устройства и четырежды прошедшего сквозь образец. Вычисление коэффициента пропускания осуществляется по формуле
T= ; n=4, где Т - коэффициент пропускания образца;
I_o - интенсивность светового пучка в отсутствие образца;
I₁ - интенсивность светового пучка, четырежды прошедшего через образец.

Если призма 2 выведена из оптической системы устройства, в пучок излучения может вводиться прозрачный образец и осуществляться измерение коэффициента пропускания при однократном прохождении излучения. Устройство позволяет проводить измерения коэффициента отражения при падении на образец как параллельного, так и расходящегося пучка, однако следует учитывать, что режим работы устройства при падении на образец расходящегося пучка позволяет измерять коэффициент отражения образцов меньшей площади, чем режим работы устройства в параллельном пучке.

Использование: измерение абсолютного и относительного коэффициентов зеркального отражения плоских поверхностей, измерение коэффициента пропускания плоскопараллельных прозрачных пластин. Сущность изобретения: зеркальная система выполнена в виде прямой шестиугольной призмы с тремя отражающими боковыми гранями, две из которых расположены под углом друг к другу, а третья, заключенная между ними со стороны вершины угла, перпендикулярна двум прозрачным боковым граням, при этом за призмой по ходу излучения установлен компенсатор в виде поворачивающейся плоскопараллельной пластины. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОПУСКАНИЯ образцов, содержащее держатель образцов и оптически связанные источник излучения, зеркальную систему, подвижный отражатель, линзу и приемник излучения, отличающееся тем, что, с целью расширения класса исследуемых образцов, упрощения устройства и его юстировки, а также уменьшения его габаритов, зеркальная система выполнена в виде прямой шестиугольной призмы с тремя отражающими боковыми гранями, две из которых расположены под углом одна к другой, а третья грань, заключенная между ними со стороны вершины угла, перпендикулярна двум прозрачным боковым граням, параллельна плоскости установки образца и подвижному отражателю, содержащему не менее двух зеркал и установленному с возможностью поворота на 180^o относительно оси, лежащей в плоскости установки образца, при этом призма симметрична относительно плоскости, перпендикулярной третьей отражающей грани, и установлена с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно плоскости установки образца. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения коэффициента пропускания, в устройство дополнительно введен компенсатор в виде поворачивающейся плоскопараллельной пластины, установленной по ходу излучения между призмой и линзой с осью вращения, проходящей через центр симметрии пластины и перпендикулярной плоскости падения излучения на образец.