РЕФЛЕКТОМЕТР НА ОСНОВЕ МНОГОХОДОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ Российский патент 2006 года по МПК G01N21/55 

Заявляемое изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к рефлектометрам, предназначенным для измерения коэффициента отражения зеркальной поверхности с высокой точностью, т.е. таким, в которых используется многократное отражение от контролируемого образца.

Известна установка [Т.А.Жевлакова, С.С.Семенцов. «Схема с многоходовой кюветой и интегрирующей сферой для измерения коэффициента зеркального отражения при длине волны 10,6 мкм», ОМП, 1983, №7, с.31-32] для измерения коэффициента зеркального отражения, содержащая источник излучения, модулятор, диафрагму, многоходовую кювету, состоящую из двух параллельных между собой зеркал, интегрирующую сферу, приемник, усилитель и регистрирующее устройство.

В известной установке авторов Т.А.Жевлаковой и С.С.Семенцова при приемлемых габаритах зеркал практически очень трудно получить больше 10-12 ходов. Но основным недостатком является то, что каждое следующее отражение происходит от нового участка отражающей поверхности зеркала, не совпадающего с предыдущим, что безусловно снижает точность измерения коэффициента отражения.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является рефлектометрический блок СП-169 [Г.П.Семенова и др. «Поляризационная погрешность рефлектометра многократного отражения», ОМП, 1988, №4, с.9-11], принятый в качестве ближайшего аналога. Он представляет собой рефлектометр многократного отражения на основе многоходовой оптической схемы, содержащей источник излучения, проекционную оптическую систему, два зеркальных объектива, зеркальный коллектив, приемную оптическую систему, поворотную каретку, основание для установки контролируемого зеркала и приемно-регистрирующий блок.

Недостатками данного рефлектометрического блока являются сложность юстировки и настройки оптической системы ввиду того, что оптическая схема является децентрированной, а также ограниченность функциональных возможностей.

Основной задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения коэффициента отражения зеркал за счет увеличения числа проходов и упрощение юстировки и настройки оптической системы, а также расширение функциональных возможностей, а именно измерение с высокой точностью не только коэффициентов отражения зеркал, но и коэффициентов пропускания прозрачных образцов.

Поставленная задача решается в заявляемом изобретении, представляющим собой рефлектометр на основе многоходовой оптической схемы, который, как и выбранный в качестве ближайшего аналога, содержит источник монохроматического излучения, проекционную оптическую систему, поворотную каретку, основание для установки контролируемого зеркала и приемно-регистрирующий блок. В отличие от прототипа объективы и коллектив выполнены линзовыми, при этом объективы установлены по разные стороны от коллектива, образуя центрированную конфокальную оптическую систему.

Кроме того, в отличие от ближайшего аналога рефлектометр снабжен двумя плоскими зеркалами, одно из которых расположено слева от первого объектива и нормаль к его отражающей поверхности параллельна оптической оси многоходовой оптической схемы, а другое плоское зеркало расположено справа от второго объектива и нормаль к его отражающей поверхности составляет некоторый угол с оптической осью многоходовой оптической схемы.

Рефлектометр дополнительно может быть снабжен кареткой, на которой установлена приемная оптическая система, и приводом прямолинейного поступательного перемещения каретки, а также плоскопараллельной светоделительной пластиной, объективом и фотоприемным устройством, установленными по ходу распространения излучения непосредственно за источником излучения.

Также рефлектометр может быть снабжен оправой для установки контролируемого прозрачного образца, размещенной между вторым объективом и плоским зеркалом.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря наличию линзовых коллектива и объективов, расположенных по разные стороны от коллектива, образующих конфокальную центрированную оптическую систему, а также двух плоских зеркал, одно из которых расположено слева от первого объектива и нормаль к его отражающей поверхности параллельная оптической оси системы, а другое расположено справа от второго объектива и нормаль к его отражающей поверхности составляет некоторый угол с оптической осью системы, образуется легко юстируемая центрированная конфокальная оптическая система, представляющая собой многоходовую кювету, позволяющая совместно с приемно-регистрирующим блоком с высокой точностью измерять как коэффициент отражения зеркал, так и коэффициент пропускания прозрачных образцов.

Каретка с установленной на ней приемной оптической системой и приводом ее прямолинейного перемещения способствует быстрой настройке системы на заданное число ходов.

Дополнительная плоскопараллельная пластина, объектив и фотоприемное устройство, установленные по ходу распространения излучения непосредственно за источником излучения, позволяют повысить точность измерений.

Дополнительная оправа, размещаемая между вторым объективом и плоским зеркалом, позволяет устанавливать прозрачные образцы для контроля их коэффициента пропускания, что расширяет функциональные возможности всего рефлектометра.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена принципиальная схема конструкции устройства.

Заявляемое изобретение содержит: источник излучения 1, плоскопараллельную светоделительную пластинку 2, объектив 3, фотоприемное устройство 4, объектив 5, прямоугольную призму 6 с наклеенным на нее коллективом 7, линзовый объектив 8, плоское зеркало 9, нормаль к отражающей поверхности которого составляет угол α с осью «ОО» оптической системы, линзовый коллектив 10, линзовый объектив 11, плоское зеркало 12, нормаль к отражающей поверхности которого параллельна оси «ОО» оптической системы, поворотную каретку 13, жестко скрепленную с рычагом 14, прямоугольную призму 15, объективы 16 и 17, фотоприемное устройство 18, приемно-регистрирующий блок 19, а также оправу 20 для установки контролируемых прозрачных образцов 21 и каретку 22 с возможностью перемещения перпендикулярно оси «ОО» оптической системы с помощью привода 23. Кроме того, в устройство входит основание 24 для установки контролируемого зеркала 25.

Устройство работает следующим образом:

Источник излучения 1 формирует параллельный пучок излучения, который направляется на светоделительную пластину 2. Часть излучения отражается от свето делительной пластины 2 и направляется на объектив 3, фокусирующий излучение на фоточувствительной площадке фотоприемного устройства 4, с помощью которого регулируется интенсивность излучения источника излучения 1 (поддерживается определенный уровень) и снимается опорный сигнал J_оп, поступающий в приемно-регистрирующий блок 19. Бóльшая часть излучения проходит через светоделительную пластину 2 и попадает на объектив 5, который фокусирует его и строит изображение (размером ≈0,8 мм в направлении, перпендикулярном оси «ОО» оптической системы) источника излучения, сопряженное с плоской поверхностью линзового коллектива 10, точно на оси «ОО» оптической системы. Так как плоская сторона линзового коллектива 10 совпадает с фокальной плоскостью линзового объектива 8, то излучение, прошедшее через прямоугольную призму 6, коллектив 7 и линзовый объектив 8, имеющий фокусное расстояние , выходит из последнего параллельным пучком параллельно оси «ОО» оптической системы. Нормаль N₁ к отражающей поверхности зеркала 9 составляет с осью «ОО» угол α. Поэтому параллельный пучок, отраженный от зеркала 9, снова направляется в линзовый объектив 8, но уже под углом 2α к оси «ОО». Линзовый объектив 8 сфокусирует пучок излучения и построит изображение источника излучения на плоской стороне линзового коллектива 10 ниже оси «ОО» на расстоянии S₁=·tg2α. При этом величина S₁ из конструктивных соображений выбирается, например, равной 2 мм, а фокусное расстояние равным, например, 1000 мм, что соответствует углу . Построенное линзовым объективом 8 на плоской стороне линзового коллектива 10 изображение источника излучения одновременно находится и в фокальной плоскости линзового объектива 11. Поэтому, пройдя линзовый коллектив 10, который «прижимает» пучки к оптической оси, излучение попадает на линзовый объектив 11, имеющий такое же фокусное расстояние , как и объектив 8, и выходит из него параллельным пучком, составляющим с осью «ОО» угол 2α. За линзовым объективом 11 находится плоское зеркало 12, нормаль N₂ к отражающей поверхности которого параллельна оси «ОО» оптической системы. Поэтому отраженный от зеркала 12 параллельный пучок вновь войдет в линзовый объектив 11 под углом 2α, но по другую сторону от оптической оси. Линзовый объектив 11 построит изображение источника излучения в своей фокальной плоскости (на плоской стороне линзового коллектива 10) выше оси «ОО» оптической системы на расстоянии S₁=·tg2α. Поэтому, проходя далее, из линзового объектива 8 выйдет параллельный пучок под углом 2α к оси «ОО» оптической системы и составляющий с нормалью N₁ к отражающей поверхности зеркала 9 угол 3α. Отраженный от зеркала 9 параллельный пучок вновь войдет в линзовый объектив 8, но под углом 4α к оси «ОО» оптической системы. Линзовый объектив 8 построит изображение источника излучения ниже оси «ОО» оптической системы на расстоянии S₂=·tg4α.

Далее весь проход оптического излучения идет по той же схеме. Количество проходов «n» будет определяться угловым полем 2β линзовых объективов 8 и 11. Совершенно очевидно, что максимальное количество проходов . Если 2β находится в пределах 3-4 градусов, то обеспечивается от 13 до 17 проходов, что соответствует 26-34 отражениям от контролируемого зеркала 24. Выполнение такого углового поля с хорошим качеством для линзовых объективов не вызывает никаких затруднений.

Вывод излучения из многоходовой кюветы обеспечивается призмой 15 и объективом 16, фокальная плоскость которого совпадает с плоской стороной линзового коллектива 10. Из объектива 16 выходит параллельный пучок, который с помощью объектива 17 фокусируется на фотоприемное устройство 18, вырабатывающее электрический сигнал , поступающий в контрольно-регистрирующий блок 19.

Для регулировки количества проходов призма 15 совместно с объективом 16 установлены на каретке 221, которая может перемещаться с помощью привода 23 перпендикулярно оси «ОО» оптической системы вдоль плоской стороны линзового коллектива 10.

При проведении измерения коэффициента отражения контролируемого зеркала 25 последнее под определенным углом к оси «ОО» оптической системы устанавливается на основание 24, а линзовый объектив 11 вместе с зеркалом 12, установленные на поворотной каретке 13, разворачиваются из положения I в положение II на соответствующий угол с помощью рычага 14 вокруг точки O₁, через которую проходит отражающая поверхность контролируемого зеркала 25.

После включения схемы и установки требуемого числа проходов (n) с фотоприемных устройств 4 и 18 снимаются соответствующие электрические сигналы J_оп и . Совершенно очевидно, что , где R - искомый коэффициент отражения контролируемого зеркала 25. Отсюда находится коэффициент отражения контролируемого зеркала .

При проведении измерения коэффициентов пропускания прозрачных образцов 21 в промежуток между линзовым объективом 11 и плоским зеркалом 12 (в параллельном ходе лучей) последний устанавливается в оправу 20. Точно так же, как и при измерении коэффициента отражения, до установки контролируемого прозрачного образца 21 с фотоприемных устройств 4 и 18 снимаются соответствующие электрические сигналы J_оп и . Затем после установки контролируемого прозрачного образца 25 с фотоприемных устройств 4 и 18 снимаются сигналы J_оп и . Совершенно очевидно, что и искомый коэффициент пропускания .

Таким образом, предлагаемый рефлектометр на основе многоходовой оптической схемы, которая является строго центрированной, оказывается значительно более простым в юстировке и настройке, давая возможность быстрым перемещением с помощью привода 22 и каретки 21 с установленными на ней призмой 15 и объективом 16 получить необходимое расчетное число проходов, большее, чем в прототипе. Заявляемое изобретение значительно расширяет функциональные возможности, обеспечивая измерение с более высокой точностью как коэффициентов отражения зеркал, так и коэффициентов пропускания прозрачных образцов.

Использование: для высокоточного измерения коэффициента отражения зеркал и коэффициента пропускания прозрачных образцов. Рефлектометр содержит источник монохроматического излучения, проекционную оптическую систему, два объектива, коллектив, приемную оптическую систему, поворотную каретку, основание для установки контролируемого зеркала, приемно-регистрирующий блок и два плоских зеркала, одно из которых расположено слева от первого объектива и нормаль к его отражающей поверхности параллельна оптической оси многоходовой оптической схемы, а другое плоское зеркало расположено справа от второго объектива и нормаль к его отражающей поверхности составляет некоторый угол с оптической осью многоходовой оптической схемы. Объективы и коллектив выполнены линзовыми, при этом объективы установлены по разные стороны от линзового коллектива, образуя конфокальную центрированную оптическую систему. Рефлектометр дополнительно снабжен кареткой, на которой установлена приемная оптическая система, и приводом прямолинейного поступательного перемещения каретки, а также плоскопараллельной светоделительной пластиной, объективом и фотоприемным устройством, установленными по ходу распространения излучения непосредственно за источником излучения. Также рефлектометр снабжен оправой для установки контролируемого прозрачного образца, размещенной между вторым объективом и плоским зеркалом. Техническим результатом является повышение точности измерения коэффициента отражения зеркал за счет увеличения числа проходов и упрощение юстировки и настройки оптической системы, а также расширение функциональных возможностей, связанных с обеспечением измерения с высокой точностью коэффициента пропускания прозрачных образцов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Рефлектометр многократного отражения на основе многоходовой оптической схемы, содержащий источник монохроматического излучения, проекционную оптическую систему, два объектива, коллектив, приемную оптическую систему, поворотную каретку, основание для установки контролируемого зеркала и приемно-регистрирующий блок, отличающийся тем, что он снабжен двумя плоскими зеркалами, объективы и коллектив выполнены линзовыми, при этом объективы установлены по разные стороны от линзового коллектива, образуя конфокальную центрированную оптическую систему, плоская сторона линзового коллектива совпадает с фокальной плоскостью первого объектива, за которым по ходу излучения установлено первое плоское зеркало, нормаль к отражающей поверхности которого составляет угол α с оптической осью многоходовой оптической схемы, определяемой из соотношения n=β/2α, где n - количество проходов, 2β - угловое поле линзовых объективов, a второе плоское зеркало расположено по ходу отраженного от первого плоского зеркала излучения за вторым объективом, при этом второй объектив и второе плоское зеркало установлены на поворотной каретке, которая имеет возможность разворота вокруг точки, через которую проходит отражающая поверхность контролируемого зеркала, а при измерениях прозрачного образца оправа для его установки размещается между вторым объективом и вторым плоским зеркалом.2. Рефлектометр по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен кареткой, на которой установлена приемная оптическая система, и приводом прямолинейного поступательного перемещения каретки.3. Рефлектометр по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен плоскопараллельной светоделительной пластиной, объективом и фотоприемным устройством, установленным по ходу распространения излучения непосредственно за источником излучения.