РЕФЛЕКТОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения отражающей способности зеркально отражающих поверхностей, и может быть использовано для контроля качества просветляющих, отражающих и полупрозрачных покрытий, нанесенных на поверхности оптических деталей.

Известен ряд устройств для контроля отражающей способности оптических поверхностей, основанных на принципах фотометрии. Известны рефлектометр для контроля плоских отражающих поверхностей, состоящий из коллиматорного осветителя, светоделительного элемента и фотоприемника, а также рефлектометр для контроля поверхностей произвольной формы, имеющий два объектива, источник света и фотоприемник [1]
Ближайшим аналогом является рефлектометр, содержащий источник оптического излучения, стабилизированный блок питания источника оптического излучения, конденсатор, передающий волоконно-оптический жгут, один торец которого освещается источником оптического излучения при помощи конденсатора, а другой направлен на исследуемую оптическую поверхность, приемный волоконно-оптический жгут, воспринимающий излучение, отраженное исследуемой оптической поверхностью, фотоприемник, установленный на выходе приемного волоконно-оптического жгута, и блок измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника, электрически соединенный со стабилизированным блоком питания [2]
Основным недостатком устройства является то, что при контроле поверхностей с одинаковой отражающей способностью, но с различной кривизной амплитуда сигнала фотоприемника неодинакова, поскольку исследуемая отражающая поверхность изменяет сходимость отраженного пучка лучей. Кроме того, при контроле поверхностей с малыми радиусами кривизны (особенно выпуклых), когда расходимость отраженного пучка лучей велика, уровень полезного сигнала фотоприемника значительно снижается, что вызывает трудности при измерении и может привести к значительным погрешностям.

Изобретение обеспечивает одинаково чувствительный контроль отражающей способности поверхностей с различными радиусами кривизны и повышает точность измерения.

Сущность изобретения заключается в том, что рефлектометр включает источник оптического излучения, стабилизированный блок питания источника оптического излучения, конденсатор, передающий волоконно-оптический жгут, один торец которого освещается источником оптического излучения при помощи конденсатора, а другой направлен на исследуемую оптическую поверхность, приемный волоконно-оптический жгут, воспринимающий излучение, отраженное исследуемой оптической поверхностью, фотоприемник, установленный на выходе приемного волоконно-оптического жгута, и блок измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника, электрически соединенный со стабилизированным блоком питания, причем в отличие от ближайшего аналога он дополнительно содержит диафрагму, объектив, оптически сопрягающий плоскость диафрагмы с исследуемой оптической поверхности, ось которого направлена по нормали к исследуемой оптической поверхности, и фокусирующее устройство, отдельные волокна передающего и приемного волоконно-оптических жгутов равномерно перемешаны на общем торце, направленном на исследуемую оптическую поверхность, а диафрагма расположена вблизи этого торца на расстоянии, выбираемом из соотношения
ΔZ = d/2tgσ′,
где ΔZ расстояние от диафрагмы до общего торца передающего и приемного жгутов;
d диаметр отдельного волокна в плоскости этого торца;
2σ′ угол сходимости лучей за объективом после отражения от исследуемой оптической поверхности.

Рефлектометр может дополнительно содержать модулятор светового потока, устанавливаемый между конденсатором и передающим волоконно-оптическим жгутом. Это позволяет увеличить отношение полезного измерительного сигнала к шуму и тем самым повысить точность измерения.

Целесообразно, чтобы общая часть передающего и приемного волоконно-оптических жгутов была выполнена в виде уменьшающего фокона. Такое устройство позволяет повысить эффективность освещения диафрагмы малого размера.

Рефлектометр может дополнительно содержать узел сканирования исследуемой оптической поверхности с устройством управления и датчиками координат, блок регистрации результатов измерения сигнала фотоприемника и координат сканирования, подключенный к блоку измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника и датчикам координат, вычислительное устройство, соединенное с устройством управления узлом сканирования и блоком регистрации результатов измерения. Такой рефлектометр позволяет оперативно получать информацию об отражающей способности во множестве точек исследуемой оптической поверхности.

Целесообразно, чтобы узел сканирования исследуемой оптической поверхности содержал узел поворота исследуемой оптической поверхности вокруг центра ее кривизны в заданной диаметральной плоскости и узел вращения поверхности вокруг оси, совпадающей с осью объектива, а датчики координат сканирования были выполнены в виде датчиков угла поворота. Это позволяет обеспечить оптимальную траекторию сканирования для исследуемых оптических поверхностей сферической формы.

На фиг. 1 изображена схема рефлектометра, выполненного в соответствии с п. 1 формулы; на фиг. 2 разрез торца волоконно-оптического жгута с перемешанными волокнами; на фиг. 3 и 4 варианты выполнения рефлектометра.

Вариант выполнения в соответствии с п. 1 формулы (фиг.1). Рефлектометр включает источник оптического излучения 1, стабилизированный блок питания источника оптического излучения 2, конденсатор 3, передающий волоконно-оптический жгут 4, диафрагму 5, объектив 6, фокусирующее устройство 7, приемный волоконно-оптический жгут 8, фотоприемник 9, блок 10 измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника. Исследуемая оптическая поверхность обозначена позицией 11. Позицией 12 обозначены отдельные волокна передающего жгута, позицией 13 отдельные волокна приемного жгута, равномерно перемешанные на общем торце, позицией 14 передняя часть рефлектометра.

Рефлектометр работает следующим образом.

Пучок лучей от источника света 1, работающего от стабилизированного блока питания 2, освещает через конденсатор 3 входной торец передающего волоконно-оптического жгута 4, который передает свет на диафрагму 5, равномерно освещая ее. За диафрагмой расположен объектив 6, оптическая ось которого направлена по нормали к исследуемой оптической поверхности 11. Плоскость предметов объектива 6 совпадает с плоскостью диафрагмы 5, а плоскость изображений с исследуемой поверхностью 11. Это совпадение обеспечивается при помощи фокусирующего устройства 7, перемещающего друг относительно друга переднюю часть рефлектометра 14 и исследуемую поверхность 11. Таким образом, диафрагма 5 изображается на элементарном участке поверхности 11, который при размере изображения диафрагмы много меньшем радиуса кривизны исследуемой оптической поверхности, можно рассматривать как плоский. Отраженные от поверхности лучи в обратном ходе через объектив 6 формируют автоколлимационное изображение диафрагмы 5 в масштабе 1 2 на самой диафрагме. Свет, отраженный поверхностью 11, поступает на входной торец приемного жгута 8. Для того, чтобы освещение жгута 8 было максимально эффективным, должны быть выполнены два условия. Во-первых, отдельные волокна 12 передающего жгута 4 должны быть равномерно перемешаны с отдельными волокнами 13 приемного жгута 8. Во-вторых, при совпадении плоскости общего торца передающего и приемного жгутов с плоскостью предметов объектива 6 система объектив + исследуемая поверхность построит прямое изображение структуры этого торца в масштабе 1 1 на самом торце. Таким образом, свет, отраженный поверхностью 11, поступит обратно на волокна 12 передающего жгута 4, а волокна 13 жгута останутся неосвещенными. Чтобы отраженный свет попал на эти волокна, необходимо внести небольшую расфокусировку объектива 6. Достаточную величину такой расфокусировки можно определить из условия, что каждая точка жгутов 4 и 8 должна изображаться системой объектив + исследуемая оптическая поверхность на самом торце в виде пятна с размером, равном двум диаметрам отдельного волокна. При этом любая точка на выходном торце передающего жгута 4 изобразится как минимум на одном волокне приемного жгута 8. Для выполнения этого условия необходимо расположить общий торец жгутов 4 и 8 на расстоянии от плоскости предметов объектива 6 (совпадающей с диафрагмой 5), определяемом из соотношения
ΔZ = d/2tgσ′,
где ΔZ расстояние от плоскости предметов объектива 6 (плоскости расположения диафрагмы) до общего торца передающего и приемного волоконно-оптических жгутов;
d диаметр отдельного волокна;
2σ′ угол сходимости лучей за объективом после отражения от исследуемой оптической поверхности.

Далее излучение передается приемным жгутом 9 на фотоприемник 9, по амплитуде электрического сигнала которого судят об отражающей способности исследуемой оптической поверхности 11. Для определения этой амплитуды служит блок 10 измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника, электрически связанный со стабилизованным блоком питания 2.

Технический эффект изобретения заключается в следующем.

В рефлектометре, выбранном в качестве прототипа, при контроле поверхностей с одинаковой отражающей способностью, но с различными радиусами кривизны, амплитуда измерительного сигнала неодинакова вследствие разной расходимости отраженного от исследуемой поверхности пучка лучей. При малых радиусах кривизны исследуемых поверхностей эта расходимость особенно велика и амплитуда полезного сигнала фотоприемника значительно снижается, что ведет к возрастанию погрешности измерения. Преимущество предложенного рефлектометра в том, что различие в радиусах кривизны исследуемых поверхностей не изменяет хода лучей, а поскольку сходимость отраженного от исследуемой оптической поверхности пучка лучей света будет одинакова вне зависимости от радиуса кривизны исследуемой поверхности, то одинакова будет и амплитуда полезного сигнала фотоприемника для поверхностей с одинаковыми отражающими свойствами. Таким образом предложенный рефлектометр позволяет контролировать с одинаковой чувствительностью отражающую способность поверхностей с различными радиусами кривизны. Кроме того, поскольку при контроле поверхностей с малыми радиусами кривизны амплитуда полезного сигнала не снижается, точность контроля таких поверхностей возрастает по сравнению с рефлектометром прототипом.

Вариант выполнения в соответствии с п. 2 формулы (фиг. 3). Рефлектометр может дополнительно включать модулятор амплитуды светового потока 15. Рефлектометр в таком варианте работает следующим образом. Поток излучения от источника света 1, работающего от стабилизированного блока питания 2, проходит через конденсатор 3 и претерпевает амплитудную модуляцию в модуляторе амплитуды светового потока 15 с частотой, лежащей в радиодиапазоне. Фотоприемник 9 вырабатывает переменный электрический сигнал на частоте модуляции, по амплитуде которого, измеренной при помощи блока 10, судят об отражающей способности исследуемой поверхности.

Технический эффект при этом заключается в следующем.

Шумы фотоприемников, основанных как на внутреннем, так и на внешнем фотоэффекте, максимальны в области низких частот. Введение модуляции светового потока позволяет перенести сигнал в частотный диапазон, в котором шумы приемника минимальны. Кроме того, модулированный сигнал может быть оптимально отфильтрован в измерительной электронной аппаратуре, что снижает влияние шумов электронной аппаратуры и позволяет устранить сигнал, возникающий от возможных немодулированных посторонних засветок. Таким образом, такой рефлектометр улучшает соотношение полезный сигнал/шум и тем самым повышает точность измерения.

Вариант выполнения в соответствии с п. 3 формулы (фиг. 2). Общая часть жгутов 4 и 8 может быть выполнена в виде фокона 16, сужающегося по направлению к диафрагме 5.

Технический эффект состоит в следующем.

При контроле поверхностей с малыми радиусами кривизны желательно иметь возможно меньший размер изображения диафрагмы на участке исследуемой поверхности. Для этого нужно либо уменьшить собственно диафрагму, либо применять объектив, работающий со значительным уменьшением. В первом случае значительно уменьшается световой поток, проходящий через систему, а во втором при сохранении величины светового потока необходимо увеличивать выходную апертуру объектива, что нежелательно, поскольку апертурные лучи могут иметь в этом случае значительные углы падения на исследуемую поверхность, при котором отражающие свойства поверхности будут несколько иными. Если же выходная часть передающего волоконно-оптического жгута выполнена в виде фокона, то освещенность в плоскости диафрагмы возрастает обратнопропорционально увеличению фокона, тогда соответственно возможно уменьшить размер диафрагмы без потерь полезного светового потока.

Вариант выполнения в соответствии с п. 4 формулы (фиг. 3). Рефлектометр может также включать блок регистрации результатов измерения сигнала фотоприемника и координат сканирования 17, узел сканирования исследуемой оптической поверхности 18, датчики координат 19 и 19', вычислительное устройство 20 и устройство управления 21. Узел сканирования исследуемой оптической поверхности осуществляет перемещение поверхности 11 относительно неподвижной передней части рефлектометра 14 перпендикулярно оптической оси объектива 6 в двух направлениях X и Y, если габариты и масса детали, которой принадлежит поверхность 11, невелики, либо, если деталь крупногабаритная, перемещается передняя часть рефлектометра 14 относительно исследуемой поверхности. Информация о взаимном перемещении исследуемой поверхности 11 и передней части рефлектометра 14 поступает с датчиков координат 19 и 19' в блок 17 регистрации результатов измерения сигнала фотоприемника и координат сканирования, подключенный к вычислительному устройству 20. Вычислительное устройство производит обработку информации, поступающей с блока 17 и выдает информацию, необходимую для работы устройства управления 21, осуществляющего управление работой узла сканирования. Вычислительное устройство по результатам измерений может представлять выходную информацию в виде карты распределения отражающей способности по поверхности детали и вычислять среднее значение отражающей способности по поверхности.

Технический результат заключается в том, что рефлектометр позволяет оперативно получать информацию об отражающей способности в любых точках по всей площади исследуемой поверхности.

Вариант выполнения в соответствии с п. 5 формулы (фиг. 4). Устройство сканирования исследуемой оптической поверхности может быть выполнено в виде узла 22 поворота исследуемой оптической поверхности вокруг центра ее кривизны в заданной плоскости и узла 23 вращения поверхности вокруг оси, совпадающей с осью объектива. Такое устройство осуществляет соответствующие перемещения исследуемой оптической поверхности относительно неподвижной передней части рефлектометра 14. Информация об этих перемещениях поступает с датчиков углов поворота 24 и 24' в блок 17 регистрации результатов измерения сигнала фотоприемника и координат сканирования, подключенный к вычислительному устройству 20. Вычислительное устройство производит обработку информации, поступающей с блока 17, и выдает информацию, необходимую для работы устройства управления 21, осуществляющего управление работой узлов 22 и 23. Вычислительное устройство по результатам измерений может представлять выходную информацию в виде карты распределения отражающей способности по поверхности детали и вычислять среднее значение отражающей способности по поверхности.

Технический эффект заключается в следующем.

При контроле оптических поверхностей сферической формы, в особенности принадлежащих оптическим деталям круглой формы (в частности, линзам), чаще всего требуется получить информацию об отражающей способности исследуемой поверхности в точках поверхности, лежащих в различных диаметральных сечениях детали. В этом случае предложенное устройство обеспечивает оптимальную траекторию сканирования.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения отражающей способности зеркально отражающих поверхностей. Изобретение может быть использовано для контроля качества просветляющих, отражающих и полупрозрачных покрытий, нанесенных на поверхности оптических деталей. Сущность изобретения: пучок лучей от источника света, работающего от стабилизированного блока питания, освещает через конденсатор входной торец передающего волоконно-оптического жгута, который передает свет на диафрагму, равномерно освещая ее. За диафрагмой расположен объектив, оптическая ось которого направлена по нормали к исследуемой оптической поверхности. Плоскость предметов объектива совпадает с плоскостью диафрагмы, а плоскость изображений - с вершиной исследуемой поверхности. Это совпадение обеспечивается при помощи фокусирующего устройства, перемещающего друг относительно друга переднюю часть рефлектометра и исследуемую поверхность. Таким образом, диафрагма изображается на элементарном участке исследуемой поверхности, который при размере изображения диафрагмы много меньшем радиуса кривизны исследуемой оптической поверхности, можно рассматривать как плоский. Отраженные от исследуемой поверхности лучи в обратном ходе через объектив формируют автоколлимационное изображение диафрагмы в масштабе 1:1 на самой диафрагме. Свет, отраженный исследуемой поверхностью, поступает на входной торец приемного жгута, а затем на фотоприемник, по амплитуде электрического сигнала которого судят об отражающей способности исследуемой оптической поверхности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рефлектометр, включающий источник оптического излучения, стабилизированный блок питания источника оптического излучения, конденсор, передающий волоконно-оптический жгут, один торец которого освещается источником оптического излучения при помощи конденсора, а другой направлен на исследуемую оптическую поверхность, приемный волоконно-оптический жгут, воспринимающий излучение, отраженное исследуемой оптической поверхностью, фотоприемник, установленный на выходе приемного волоконно-оптического жгута, и блок измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника, электрически соединенный со стабилизированным блоком питания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит диафрагму, объектив, оптически сопрягающий с помощью фокусирующего устройства плоскость диафрагмы с исследуемой оптической поверхностью, ось которого направлена по нормали к исследуемой оптической поверхности, при этом отдельные волокна передающего и приемного волоконно-оптических жгутов равномерно перемешаны на общем торце, направленном на исследуемую оптическую поверхность, а диафрагма расположена вблизи этого торца на расстоянии, выбираемом из соотношения
ΔZ = d/2tgσ′,
где ΔZ - расстояние от диафрагмы до общего торца передающего и приемного жгутов;
d диаметр отдельного волокна в плоскости общего торца;
2σ′ - угол сходимости лучей за объективом после отражения от исследуемой оптической поверхности. 2. Рефлектометр по п.1, отличающийся тем, что между конденсором и передающим волоконно-оптическим жгутом установлен модулятор амплитуды светового потока. 3. Рефлектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что общая часть передающего и приемного волоконно-оптических жгутов выполнена в виде фокона, сужающегося по направлению к диафрагме. 4. Рефлектометр по пп.1 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит узел сканирования исследуемой оптической поверхности с устройством управления и датчиками координат, блок регистрации результатов измерения сигнала фотоприемника и координат сканирования, подключенный к блоку измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника и датчикам координат, и вычислительное устройство, соединенное с устройством управления узлом сканирования и блоком регистрации результатов измерения. 5. Рефлектометр по п.4, отличающийся тем, что узел сканирования исследуемой оптической поверхности содержит узел поворота исследуемой оптической поверхности вокруг центра ее кривизны в заданной плоскости и узел вращения поверхности вокруг оси, совпадающей с осью объектива, а датчики координат сканирования выполнены в виде датчиков угла поворота.