УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ Российский патент 2001 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к спектрофотометрии, конкретно к измерениям коэффициента пропускания, преимущественно широкоапертурных (к широкоапертурным оптическим пластинам мы относим пластины с апертурой более 50 мм) оптических пластин, и может найти применение в оптико-механической промышленности и при исследованиях и испытаниях оптических приборов и систем.

Определение коэффициента пропускания (КП) широкоапертурных пластин в настоящее время остается актуальной задачей. Измерительная задача по определению КП оптических пластин усложняется, если размеры исследуемых пластин превышают размеры образцов для стандартных спектрофотометрических приборов. Традиционно контроль светопропускания широкоапертурных пластин проводят зонально, а пропускание всей пластины вычисляют по измерениям локальных зон.

Известно устройство для измерения коэффициента пропускания пластин (М.И. Эпштейн "Измерения оптического излучения в электронике" М., Энергоатомиздат, 1990 г., с. 163), содержащее источник излучения, фотометрический шар и приемник излучения. В этом устройстве для определения КП используют метод Тейлора. Очевидно, что для широкоапертурных пластин этот метод малопригоден из-за больших габаритов фотометрического шара.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является спектрофотометрическое устройство (А.И.Зайдель, Г.В.Островская, Ю. И. Островский "Техника и практика спектроскопии", М., Наука, 1976 г., с. 128), в котором по ходу оптического луча вслед за источником излучения расположены конденсор, монохроматор, механический зеркальный модулятор-коммутатор из колеблющегося зеркала, система сведения в виде призмы, рабочий и эталонный каналы из зеркала и объектива каждый, и приемник излучения. Это устройство обеспечивает достаточную фотометрическую точность, но не позволяет провести измерения коэффициентов пропускания широкоапертурных пластин в одном акте измерения.

Предлагаемое техническое решение за счет особой организации эталонного и рабочего пучков позволяет проводить измерения коэффициентов пропускания всей поверхности широкоапертурной оптической пластины за один акт измерения с высокой точностью.

Технический эффект достигается, когда в устройство для измерения коэффициента пропускания оптических пластин, включающее источник излучения и расположенные по ходу светового луча конденсатор, монохроматор, зеркальный модулятор-коммутатор, рабочий и эталонный каналы, состоящие из объектива и плоского зеркала каждый, систему сведения и приемник излучения, дополнительно введен установленный между монохроматором и модулятором-коммутатором узел формирования пучка, выполненный в виде двух объективов, фокальная плоскость первого из которых совмещена с плоскостью выходной щели монохроматора, а фокальная плоскость второго - с фокальной плоскостью объективов каналов, при этом модулятор-коммутатор выполнен в виде установленного с возможностью вращения под углом 45^o к оптической оси диска с отверстиями так, что зеркальные части и отверстия составляют эквидистантную последовательность, а в отверстиях установлены с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной плоскости диска, радиальные ламели, система сведения выполнена в виде светоделителя, расположенного на оптической оси между объективами узла формирования пучка, и объектива, а зеркала каналов выполнены автоколлимационными и установлены за объективами каналов, причем параметры объективов выбраны из условия
f_э.p = D_э.p/2tgα,
где f_э,р - фокусные расстояния объективов в эталонном и рабочем каналах, соответственно;
D_э,р - диаметры соответствующих объективов, равные или больше диаметра эталона и исследуемой оптической пластины, соответственно;
α - половинный апертурный угол.

Принципиальная схема устройства дана на фиг. 1, где источник 1 излучения, конденсор 2, монохроматор 3, объективы 4, 6 узла формирования пучка, светоделитель 5, объектив 7 системы сведения, приемник 8 излучения, модулятор-коммутатор 9, объективы 10, 12 рабочего и эталонного каналов, соответственно, исследуемая пластина 14, автоколлимационные зеркала 11 и 13 каналов, эталон коэффициента пропускания 15, α - половинный апертурный угол.

На фиг. 2 изображен вариант конструкции модулятора-коммутатора 9, где зеркальная часть 16 модулятора-коммутатора, отверстия 17 в модуляторе, радиальные ламели 18, узел 19 крепления ламелей и сечение 20 коммутируемого излучения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Источник 1 светового излучения через конденсатор 2 освещает входную щель монохроматора 3. Диспергированное излучение, выходящее из монохроматора, собирается в плоскости выходной щели монохроматора. Далее узел формирования, состоящий из двух объективов 4 и 6, согласованных с относительным отверстием оптических схем монохроматора и каналов, проецирует световое излучение на входную плоскость эталонного и рабочего каналов. Зеркальный модулятор-коммутатор 9 попеременно направляет излучение на эталонный и рабочий каналы. При сканировании пучка зеркальной частью модулятора излучение направляют на эталонный канал и в обратном ходе луча - на приемник 8 излучения; когда пучок попадает на отверстия в зеркальном диске модулятора, то излучение направляется на рабочий канал и в обратном ходе луча - на приемник 8 излучения. Так как оптические пути каналов разные (излучение эталонного канала дважды отражают от зеркальной поверхности модулятора-коммутатора), то для выравнивания сигналов на приемнике излучения от эталонного и рабочего каналов в отсутствие эталона и исследуемой оптической пластины используют радиальные ламели модулятора-коммутатора, которые при повороте вокруг своей оси гасят часть излучения, направляемого на рабочий канал. Излучение, направленное на эталонный канал, коллимируют объективом 12 с выбранным относительным отверстием. Далее, проходя через эталон 15 по автоколлимационной схеме при помощи зеркала 13 излучение возвращают на узел сведения, состоящий из светоделителя 5 и объектива 7, и направляют на приемник 8 излучения. По такой схеме работает и рабочий канал, с той лишь разницей, что апертура коллимированного пучка рабочего канала равна или больше максимального диаметра исследуемой оптической пластины с сохранением апертурного угла. Двойное прохождение излучения через исследуемый образец увеличивает точность измерений коэффициента пропускания, что особенно важно при измерениях коэффициента пропускания, близких к единице.

Оптический сигнал приемником 8 преобразуют в электрический сигнал, который после стандартных преобразований используется для вычислений коэффициента пропускания. На фигуре элементы электронной схемы не показаны.

Процедура измерений состоит в том, что первоначально при выведенных эталоне и исследуемой пластине выравнивают сигналы приемника излучения от рабочего и эталонного каналов при помощи ламелей модулятора-коммутатора. Вслед за тем вводят эталон и исследуемую пластину в эталонный и рабочий каналы, соответственно, и регистрируют сигналы приемника излучения от каждого из каналов. Коэффициент пропускания исследуемой оптической пластины T_р определяют по известной формуле
T_p=T_э•U_p/U_э,
где T_э - коэффициент пропускания эталона по свидетельству поверки;
U_p - сигнал приемника излучения от рабочего канала;
U_э - сигнал приемника излучения от эталонного канала.

Новое схемное решение обеспечивает работу каналов в автоколлимационном режиме и формирование двух коллимированных, регулируемых по потоку пучков с разными апертурами эталонного и рабочего каналов при сохранении апертурных углов. Предложенное устройство при соблюдении найденных условий работы каналов позволяет производить интегральное по поверхности измерение коэффициента пропускания оптической пластины за один акт измерения при одновременном повышении точности.

Пример конкретного выполнения технического решения
На нашем предприятии была создана установка для измерения коэффициента пропускания широкоапертурных оптических пластин.

В качестве источника 1 излучения (фиг. 1) использован блок осветителя с зеркальным конденсором 2 от спектрофотометра СФ-26, монохроматор МДР-23 (3). В качестве объективов 4 и 6 использованы линзы с относительным отверстием 1: 6 из стекла К8. Модулятор-коммутатор 9 (фиг. 2) представляет собой диск диаметром 100 мм с двумя зеркальными лопастями, в свободное пространство между которыми размещены металлические радиальные ламели, которые при повороте регулируют площадь свободного пространства. В качестве объектива 10 рабочего канала использовали объектив с фокусным расстоянием 1200 мм, что позволяет исследовать оптические пластины диаметром до 200 мм. Эталонный канал формировали объективом 12 с фокусным расстоянием 120 мм. Плоские зеркала 11 и 13 каналов имели размеры 210 и 50 мм соответственно и были выполнены из стекла К8 с алюминиевым покрытием. Светоделитель 5 диаметром 70 мм с интерференционным покрытием обеспечивал 50% пропускание. Излучение собирали линзой 7 на фотоприемном устройстве 8 на базе фотодиода ФД24К.

Результаты измерений коэффициентов пропускания оптических пластин диаметром до 180 мм приведены в таблице.

Проведенные нами измерения показали, что предложенное техническое решение позволяет оперативно и эффективно проводить измерения КП широкотемпературных оптических пластин в пределах всего светового диаметра за один акт измерения. Достигнутая точность измерений на уровне КП 0.90 составляет 0,7%; она ограничена только точностью КП эталона.

Устройство для измерения коэффициента пропускания оптической пластины было использовано на нашем предприятии при контроле элементов системы изделия "Тополь М", предназначенного для определения взаимного разворота объектов.

Изобретение может быть использовано при измерениях коэффициента пропускания, преимущественно широкоапертурных (диаметром более 50 мм) оптических пластин, и может найти применение в оптико-механической промышленности и при исследованиях и испытаниях оптических приборов и систем. Устройство включает источник излучения и расположенные по ходу светового луча конденсор, монохроматор, зеркальный модулятор-коммутатор, рабочий и эталонный каналы, состоящие из объектива и плоского автоколлимационного зеркала каждый, систему сведения в виде светоделителя и приемник излучения, при этом между монохроматором и модулятором-коммутатором размещен узел формирования пучка, выполненный в виде двух объективов, фокальная плоскость первого из которых совмещена с плоскостью выходной щели монохроматора, а фокальная плоскость второго - с фокальной плоскостью объективов каналов. Модулятор-коммутатор выполнен в виде установленного с возможностью вращения под углом 45° к оптической оси диска с отверстиями так, что зеркальные части и отверстия составляют эквидистантную последовательность, а в отверстиях установлены с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной плоскости диска радиальные ламели. Изобретение позволяет оперативно и эффективно проводить измерения коэффициента пропускания широкоапертурных оптических пластин в пределах всего светового диаметра за один акт измерения при одновременном повышении точности. 2 ил., 1 табл.

Устройство для измерения коэффициента пропускания оптической пластины, преимущественно широкоапертурной, включающее источник излучения и расположенные по ходу светового луча конденсор, монохроматор, зеркальный модулятор-коммутатор, рабочий и эталонный каналы, состоящие из объектива и плоского зеркала каждый, систему сведения и приемник излучения, отличающееся тем, что в него дополнительно введен установленный между монохроматором и модулятором-коммутатором узел формирования пучка, выполненный в виде двух объективов, фокальная плоскость первого из которых совмещена с плоскостью выходной щели монохроматора, а фокальная плоскость второго - с фокальной плоскостью объективов каналов, при этом модулятор-коммутатор выполнен в виде установленного с возможностью вращения под углом 45^o к оптической оси диска с отверстиями так, что зеркальные части и отверстия составляют эквидистантную последовательность, а в отверстиях установлены с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной плоскости диска, радиальные ламели, система сведения выполнена в виде светоделителя, расположенного на оптической оси между объективами узла формирования пучка, и объектива, а зеркала каналов выполнены автоколлимационными и установлены за объективами каналов, причем параметры объективов выбраны из условия
f_э.p = D_э.p/2tgα,
где f_э.р - фокусные расстояния объективов в эталонном и рабочем каналах соответственно; D_э.р - диаметры соответствующих объективов, равные или больше диаметра эталона и исследуемой оптической пластины соответственно; α - половинный апертурный угол.