СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ ЗЕРКАЛ Российский патент 2018 года по МПК G01M11/02 G01N21/55 

Способ определения коэффициентов отражения зеркал

Изобретение относится к области технической физики, в частности к фотометрии и спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения абсолютных значений коэффициентов отражения зеркал.

Известен способ измерения коэффициента отражения исследуемой детали с полированной поверхностью или нанесенным на такую поверхность покрытием (так, что ее можно считать зеркальной поверхностью). Способ реализован в устройстве, содержащем источник света (оптический квантовый генератор - ОКГ), уголковый отражатель, образованный парой зеркал, исследуемую деталь и фотоприемник (Авторское свидетельство №411356, МКИ G01N 21/25, опубликовано 15.01.1974 г. Бюллетень №2). В соответствии со способом фотоприемником регистрируют мощность светового излучения (световой энергии) I_пад, падающего на зеркала уголкового отражателя в отсутствии исследуемой детали, а затем, при размещении на пути излучения исследуемой детали и изменении положения уголкового отражателя, мощность светового излучения I_отр, претерпевшего двукратное отражение от исследуемой детали с полированной (зеркальной) поверхностью. Абсолютное значение коэффициента отражения полированной (зеркальной) поверхности исследуемой детали рассчитывают по формуле:

где R - коэффициент отражения полированной поверхности исследуемой детали; I_отр - поток светового излучения, претерпевший двукратное отражение от поверхности исследуемой детали; I_пад - поток светового излучения, падающий на поверхность исследуемой детали.

Основным недостатком, присущим рассматриваемому способу, является невысокая точность измерений. В частности, влияет на точность некорректность измерений, связанная с тем, что излучение падает на аттестуемую деталь под разными углами при первом и втором отражении от нее.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа является способ рефлексометрических измерений (патент РФ №2467309, МКИ G01N 21/55, G01M 11/02, опубликовано Бюллетень №20, 2012 г.), заключающийся в том, что измерение осуществляют в несколько этапов, на каждом используют разные комбинации параллельно устанавливаемых зеркал и на каждом измеряют мощность излучения после отражения от зеркал, составляющих комбинацию. При этом измерения осуществляют в системе зеркал, два из которых являются контролируемыми (измеряемыми), а одно является вспомогательным.

В процедуре проводятся измерения 2-х зеркал, коэффициенты отражения которых рассчитывают по формулам:

где ρ₁ и ρ₂ - коэффициенты отражения первого и второго контролируемых зеркал; a - мощность излучения после прохождения комбинации контролируемых зеркал при однократном отражении от каждого из них; b - мощность излучения после прохождения комбинации контролируемых зеркал при n-кратном отражении от каждого из них; с - мощность излучения после прохождения комбинации из контролируемых зеркал и вспомогательного зеркала, в которой от вспомогательного зеркала излучение отражается 1 раз, от одного из контролируемых зеркал - n раз, и от второго - n-1 раз; d - мощность излучения после прохождения комбинации из контролируемых зеркал и вспомогательного зеркала, в которой проведена перестановка контролируемых зеркал.

Недостатки данного способа измерений состоят в том, что:

- не учитывается погрешность, связанная с нестабильностью исходной мощности излучения (на входе в комбинации контролируемых зеркал);

- существует необходимость юстировки двух зеркал одновременно, что также увеличивает погрешность проводимых измерений.

В патенте не отображены факторы, влияющие на точность определения коэффициентов отражения зеркал:

- задание угла падения излучения;

- контроль параллельности и плоскостности зеркал;

- контроль прохождения излучения по одному и тому же оптическому пути при перестановке зеркал.

Кроме того, производительность данного способа (количество измеряемых элементов за один этап измерения) низка - 2 значения коэффициента отражения за 4 этапа.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерений.

Дополнительный технический результат заключается в увеличении производительности измерений.

Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа измерения коэффициентов отражения зеркал, размещаемых в комбинацию параллельно друг другу и отражающих излучение от одного до нескольких раз, состоящего из последовательности этапов измерений, связанных с заменой зеркал в комбинации, измерением мощности излучения после отражений от них в каждой из комбинаций, в предложенном способе при определении коэффициентов отражения зеркал используют набор из трех измеряемых зеркал; обеспечивают задание и контроль величины угла падения излучения на зеркала и параллельности установки зеркал; процедуру определения коэффициентов отражения измеряемых зеркал проводят в три этапа; на каждом этапе выбирают два из трех зеркал из набора, образующих различные комбинации; при переходе от этапа к этапу производят замену и юстировку только одного из зеркал, составляющих комбинацию; дополнительно к измерению мощности излучения после отражения от зеркал Р' измеряют исходную мощность излучения Р; величины Р' и Р регистрируют одновременно; определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал на каждом этапе ƒ=P'/P; используют значения величин изменения мощности на каждом из этапов для определения коэффициентов отражения измеряемых зеркал в соответствии с соотношением:

где R_i - коэффициент отражения i-го зеркала, i=1, 2, 3; ƒ_ij, ƒ_ik, ƒ_jk - величины изменения мощности излучения в комбинациях зеркал, состоящих из i и j, i и k, j и k зеркал соответственно, где j и k - другие зеркала из набора; n - количество отражений от каждого из зеркал.

Процедура определения коэффициентов отражения зеркал состоит из трех этапов измерения. На первом этапе определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал i и j, которая равна произведению коэффициентов отражения измеряемых зеркал в степени n, в итоге получается следующее соотношение:

На втором этапе в комбинации заменяют одно из зеркал (пусть j-e зеркало меняют на k-ое) таким образом, чтобы излучение проходило по тому же оптическому пути, что и на первом этапе. Определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал i и k, которая равна произведению коэффициентов отражения измеряемых зеркал в степени n:

На третьем этапе в комбинации заменяют i-е зеркало на j-е зеркало (т.к. других неповторяющихся комбинаций больше не осталось). Определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал j и k, которая равна произведению коэффициентов отражения измеряемых зеркал в степени n:

Решая систему уравнений (1)-(3), получаем следующие выражения для коэффициентов отражения измеряемых зеркал:

что в сводном виде соответствует:

где R_i - коэффициент отражения i-го зеркала, i=1, 2, 3; ƒ_ij, ƒ_ik, ƒ_jk - величины падения мощности излучения в комбинациях зеркал, состоящих из i и j, i и k, j и k зеркал соответственно, где j и k - другие зеркала из набора; n - количество отражений от каждого из зеркал.

Таким образом, при определении коэффициентов отражения зеркал используют три зеркала, из которых все являются измеряемыми, причем на каждом этапе присутствуют только два из трех зеркал набора, которые образуют различные комбинации. Так как вспомогательное зеркало отсутствует, процедура определения коэффициентов отражения не требует дополнительного этапа измерения (характерного для прототипа), связанного с необходимостью исключить влияние коэффициента отражения вспомогательного зеркала на результат измерения. Процедуру определения коэффициентов отражения измеряемых зеркал проводят в три этапа вместо четырех (как в прототипе), что, в итоге, примерно на четверть уменьшает погрешность определения коэффициента отражения каждого из измеряемых зеркал.

Для задания угла падения излучения и сохранения величины данного угла при многократном отражении от измеряемых зеркал обеспечивается контроль величины угла падения и параллельности установки измеряемых зеркал, что уменьшает погрешность определения величины коэффициента отражения, которая в отсутствие контроля является усредненной по разным углам падения величиной. На каждом из этапов измерения заменяют и переюстируют только одно зеркало, что, с учетом контроля параллельности сборки из зеркал и прохождения излучения по одному и тому же пути, гарантирует однозначность (правильность) установки замененного элемента и также повышает точность измерений.

Дополнительный технический результат достигается тем, что в процессе измерений участвуют три измеряемых зеркала вместо двух, и не используется вспомогательное зеркало, что уменьшает количество этапов измерений. Результатом этого является производительность: 3 значения коэффициента отражения за 3 этапа, что в 2 раза больше показателя производительности прототипа.

Таким образом, за счет реализации заявленной совокупности признаков, достигнут технический результат - повышение точности измерений коэффициентов отражения зеркал и, кроме того, увеличена производительность способа.

На фиг. 1 приведена схема выставления угла падения излучения на измеряемое зеркало, задания длины волны и поляризации излучения.

На фиг. 2 приведена схема контроля параллельности измеряемых зеркал.

На фиг. 3 приведена схема реализации способа определения коэффициентов отражения зеркал, где а - комбинация зеркал i и j, б - комбинация зеркал i и k, в - комбинация зеркал j и k.

Позициями на фигурах 1-3 обозначены: 1 - i-е измеряемое зеркало, 2 - j-e измеряемое зеркало, 3 - k-е измеряемое зеркало, 4 - источник лазерного излучения, формирующий параллельный пучок лучей, 5 - призма Глана (устройство, задающее поляризацию излучения), задающая направление поляризации лазерного излучения; 6 и 7 - зеркала, направляющие излучение на первое по ходу его распространения контролируемое зеркало и задающие угол падения излучения; 8 - вбрасываемое зеркало, необходимое для задания угла падения с высокой точностью, 9 и 11 - клинья, необходимые для отвода части излучения на приемники, 10 и 12 - измерители мощности излучения, 13 - ПЗС камера, необходимая для контроля прохождения излучения по одному и тому же оптическому пути при переходе от одного этапа к следующему, 14 - ПЗС камера, необходимая для контроля величины угла падения излучения и параллельности установки измеряемых зеркал, 15 - зеркало, 16 - собирающая линза.

На фиг. 1 представлена схема задания угла падения излучения на первое, по ходу распространения излучения, зеркало. Излучение от источника, в частности, лазера, 4 заводится на измеряемое зеркало 1 (измеряемое зеркало 2 в этой части процедуры измерения отсутствует) через зеркала 6 и 7, что позволяет, не перемещая лазер, менять угол падения излучения поворотом зеркал 6 и 7. Призма Глана 5 (устройство, задающее поляризацию излучения) позволяет изменять направление поляризации излучения источника 4. Между зеркалом 6 и первым по ходу распространения излучения контролируемым зеркалом 1, перпендикулярно излучению, устанавливается полупрозрачное зеркало 8. Все лучи излучения от лазера до отраженного от контролируемого зеркала выставляются в одной плоскости, с использованием лазерного уровня. За лазером устанавливается экран, на котором визуализируются точки А и В пересечения лучей (отраженного от контролируемого зеркала 1 и отраженного от зеркала 8) с экраном. Точка С - точка пересечения исходного падающего излучения с плоскостью контролируемого зеркала 1. Неточность определения угла падения излучения определяется неточностью определения длин сторон треугольника ABC и для современных средств измерения составляет величину порядка угловой минуты. Процедура выставления угла падения позволяет при определении коэффициентов отражения исключить погрешность измерения, связанную с неточностью задания угла падения исходного излучения.

После задания угла падения из схемы удаляется зеркало 8. Далее производят установку измеряемого зеркала 2 (второе или третье из набора измеряемых зеркал) параллельно измеряемому зеркалу 1 (фиг. 2.). Контроль параллельности можно осуществлять следующим образом: многократно отраженные и прошедшие через контролируемое зеркало 1 лучи с помощью зеркала 15 и линзы 16 фокусируются на камеру ПЗС 14 (расположенную в фокусе линзы 16). Схождение всех лучей в одну точку на камере ПЗС 14 означает, что измеряемые зеркала в комбинации установлены параллельно.

На следующем этапе в схему вносятся два клина 9, 11 (фиг. 3), отводящие часть излучения на измерители мощности излучения 10 и 12, которые регистрируют величины Р и Р' одновременно. Угол клина и вызванное прохождением через клин изменение траектории исходного излучения должны учитываться при выставлении угла падения излучения на контролируемое зеркало. Мощность излучения на входе и на выходе комбинации зеркал определяется пересчетом из мощности, измеренной на датчиках, с учетом Френелевских потерь на клиньях 9 и 11, а так же их коэффициентов поглощения.

На камере ПЗС 13 (фиг. 3а) запоминается прицельное положение (центр масс) пришедшего на нее пучка излучения. При переходе к следующему этапу измерений изменяется комбинация зеркал и прицеливание пучка в данное положение при заданном количестве отражений гарантирует повторение оптического пути излучения. На фиг. 3б и фиг. 3в показаны следующие этапы аттестации, повторяющие схему, показанную на фиг. 3а, но отличающиеся комбинациями установленных параллельно зеркал: 1/3 и 2/3 соответственно.

На первом этапе измерений определяют падение мощности ƒ=P'/Р в комбинации измеряемых зеркал 1 и 2 (пусть первое измеряемое зеркало 1 - это i-е зеркало, второе измеряемое зеркало это j-е зеркало, третье - k-е зеркало). Величина изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал 1 и 2, которая равна произведению коэффициентов отражения измеряемых зеркал в степени n:

ƒ_ij=(R_i*R_j)ⁿ

На втором этапе измерений второе контролируемое зеркало заменяют на третье, опять устанавливая их параллельно (фиг. 3.б). Далее определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал 1 и 3, которая равна произведению коэффициентов отражения измеряемых зеркал в степени n:

ƒ_ik=(R_i*R_k)ⁿ

На третьем этапе измерений первое контролируемое зеркало заменяют на третье, опять устанавливая их параллельно (фиг. 3.в). Далее определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал 2 и 3, которая равна произведению коэффициентов отражения измеряемых зеркал в степени n:

f_jk=(R_j*R_k)ⁿ

Решая систему уравнений (1)-(3), получаем следующие выражения для коэффициентов отражения измеряемых зеркал:

или

Относительная погрешность измерения коэффициентов отражения контролируемых зеркал определяется выражением:

По сравнению с прототипом относительная погрешность уменьшена, как минимум (без учета погрешности, связанной с контролем угла падения и мощности исходного излучения), на ≈25%.

Согласно вышеизложенному подходу были проведены эксперименты по определению коэффициентов отражения трех диэлектрических зеркал. Диаметр зеркал составлял 100 мм. Погрешность измерителей мощности (фотоэлектрический измеритель типа Ophir PD300-1W) составляла 3%. Было получено 30 отражений в каждой из комбинаций для угла падения 45°. Для такого количества отражений погрешность коэффициентов отражения должна составлять 0,3%. Коэффициенты отражения зеркал определялись в серии из десяти независимых экспериментов, с соблюдением полного регламента по настройке схемы и проведения измерений, т.е. 10 раз. По результатам определялось среднее значение коэффициента отражения. Результаты измерений коэффициента отражения в отдельных экспериментах отличаются от среднего значения на величину, меньшую расчетной погрешности измерения.

Способ определения коэффициентов отражения зеркал, размещаемых в комбинацию параллельно друг другу, состоит из последовательности этапов измерений, связанных с заменой зеркал в комбинации, измерением мощности излучения после отражений от них в каждой из комбинаций. Процедуру определения коэффициентов отражения измеряемых зеркал проводят в три этапа; на каждом этапе выбирают два из трех зеркал из набора, образующих различные комбинации; при переходе от этапа к этапу производят замену и юстировку только одного из зеркал, составляющих комбинацию; дополнительно к измерению мощности излучения после отражения от зеркал измеряют исходную мощность излучения; определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал на каждом этапе; используют значения величин изменения мощности на каждом из этапов для определения коэффициентов отражения измеряемых зеркал. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 ил.

Способ определения коэффициентов отражения зеркал, размещаемых в комбинацию параллельно друг другу и отражающих излучение от одного до нескольких раз, состоящий из последовательности этапов измерений, связанных с заменой зеркал в комбинации, измерением мощности излучения после отражений от них в каждой из комбинаций, отличающийся тем, что при определении коэффициентов отражения зеркал используют набор из трех измеряемых зеркал; обеспечивают задание и контроль величины угла падения на зеркала и параллельности установки зеркал; процедуру определения коэффициентов отражения измеряемых зеркал проводят в три этапа; на каждом этапе выбирают два из трех зеркал из набора, образующих различные комбинации; при переходе от этапа к этапу производят замену и юстировку только одного из зеркал, составляющих комбинацию; дополнительно к измерению мощности излучения после отражения от зеркал Р' измеряют исходную мощность излучения Р; причем величины Р' и Р регистрируют одновременно; определяют величину изменения мощности исходного излучения после отражения от комбинации зеркал на каждом этапе ƒ=Р'/Р; используют значения величин изменения мощности на каждом из этапов для определения коэффициентов отражения измеряемых зеркал в соответствии с соотношением:

где R_i - коэффициент отражения i-го зеркала, i=1, 2, 3; ƒ_ij, ƒ_ik, ƒ_jk - величины изменения мощности излучения в комбинациях зеркал, состоящих из i и j, i и k, j и k зеркал, соответственно, где j и k - другие зеркала из набора; n - количество отражений от каждого из зеркал.