РЕФЛЕКТОМЕТР Российский патент 2025 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента отражения зеркальных поверхностей оптических элементов, например, лазерных зеркал.

Известен рефлектометр для измерения коэффициента отражения лазерных зеркал, содержащий источник излучения и установленные последовательно по ходу его излучения светоделитель, опорное зеркало, столик для размещения исследуемого зеркала, приемник излучения и регистрирующий прибор, между светоделителем и опорным зеркалом установлена введена линза, а опорное зеркало, обращенное рабочей поверхностью в противоположную от линзы сторону, выполнено с отверстием, совмещенным с точкой фокуса линзы в плоскости рабочей поверхности зеркала, при этом столик для размещения исследуемого зеркала снабжен механизмом поступательного перемещения вдоль оси линзы /1/.

Данный рефлектометр не обеспечивает измерение коэффициента отражения при нормальном падении излучения на исследуемый объект, что соответствует условию эксплуатации лазерного зеркала в излучателе лазера. А кроме того, на точность измерения оказывают влияние характеристики оптических элементов рефлектометра (они не учитываются).

Наиболее близким по технической сущности является рефлектометр, содержащий источник излучения, расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала, выполненный с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других фотоприемных устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполнены с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов /2/.

В этом рефлектометре излучения поступают на фотоприемники по нормали к их входным окнам. При этом в промежутке между окном и фоточувствительной поверхностью фотоприемника в результате наложения падающего и отраженного от фоточувствительной поверхности излучений возникает интерференция, приводящая к изменениям выходного сигнала фотоприемника, что в свою очередь приводит к погрешностям в регистрации излучений, а следовательно и к погрешностям в измерении коэффициента отражения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, связана с устранением интерференции в фотоприемниках, снижающих точность регистрации потоков излучений. Это достигается тем, что фотоприемные устройства в рефлектометре установлены так, чтобы угол между оптической осью (линией, вдоль которой переносится энергия излучения на каждый из фотоприемников) и плоскостью их входного окна составлял 80-85°.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерения коэффициента отражения.

Указанный технический результат достигается тем, что в рефлектометре, содержащем источник излучения, расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала, выполненный с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других фотоприемных устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполненные с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов, фотоприемные устройства установлены так, чтобы угол между оптической осью (линией, вдоль которой переносится энергия излучения на каждый из фотоприемников) и плоскостью их входного окна составлял 80-85°.

На фиг. 1 представлена схема рефлектометра. На фиг. 2 изображена фоточувствительная поверхность фотоприемника, оптически связанного с внутренней поверхностью светоделительной пластины. На фиг. 3 изображена схема падения излучения на фотоприемник.

Рефлектометр содержит: источник 1 излучения, полупрозрачное зеркало 2, съемные заглушки 3 и 4, поворотные зеркала 5-7 и две светоделительные пластины 8 и 9. С фотоприемниками (ФП) 10-13.

Между пластинами 8 и 9 расположен держатель 14 зеркала, в котором устанавливается исследуемый оптический элемент - зеркало 15.

ФП 10 и 12 оптически связаны с внешними поверхностями пластин 8 и 9 (по отношению к держателю 14 зеркала), а ФП 11 и 13 - с внутренними поверхностями пластин 8 и 9. Фоточувствительные поверхности ФП 11 и 13 выполнены в виде четырех элементов (квадрантов) (фиг. 2). На фиг. 2: А, В, С, D - фоточувствительные элементы фотоприемника (11, 13); а - сторона фоточувствительного элемента, m - ширина зоны нечувствительности между фоточувствительными элементами; X, Y - оси условной системы координат. ФП 11 и 13 целесообразно выполнить по схеме прецизионного ФП /3/. Фотоприемные устройства установлены так (фиг. 3), чтобы угол ϕ между линией, вдоль которой переносится энергия излучения на каждый из фотоприемников (оптической осью), и плоскостью их входного окна составлял 80-85°. Следует отметить, что значение ϕ в этом диапазоне является оптимальным. При значениях ср больше 85° начинает появляться интерференция, а при ϕ меньше 80° ухудшается точность регистрации положения пучков излучения фотоприемными устройствами 11 и 13 в плоскости наклона вектора излучения.

Держатель 14 зеркала выполнен с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра.

Рефлектометр работает следующим образом.

Определение искомого коэффициента отражения зеркала 15 сводится к четырем измерениям.

При первом измерении заглушкой 4 перекрывают световой поток, поступающий на зеркало 6, заглушку 3 убирают. Убрано также зеркало 15.Часть светового потока Ф₁₁, падающего на пластину 8, отражается на ФП 10, а вторая часть этого потока проходит пластину 8, отражается от пластины 9 и попадает на ФП 13, выходной сигнал U₁₃ которого пропорционален сумме сигналов фоточувствительных элементов А, В, С, D (фиг. 2). Выходные сигналы U₁₀₁ и U₁₃₁ на ФП10 и 13 соответственно оказываются равными

где R₈₁ - коэффициент отражения от внешней поверхности пластины 8;

R₈ - коэффициент пропускания пластины 8;

R₉₂ -коэффициент отражения от внутренней поверхности пластины 9;

G₁₀ - чувствительность ФП 10;

G₁₃ - чувствительность ФП 13 (суммарная чувствительность элементов А, В, С, D ФП 13 с учетом зон нечувствительности).

Результат первого измерения

При втором измерении устанавливают зеркало 15 зеркальной поверхностью к пластине 8. Держатель 14 зеркала поворачивают вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, таким образом, чтобы световой пучок, отраженный от зеркала 15 и затем отраженный от внутренней поверхности пластины 8, попадал в центр «креста» (фиг. 2) ФП 11, что достигается при разности сигналов элементов А и С, В и D равной «О». Выходные сигналы ФП 10 и 11 (равный сумме сигналов элементов А, В, С, D) при этом равны

где Ф₁₂ - текущее значение светового потока, падающего на пластину 8 во время второго измерения;

R_x - искомый коэффициент отражения зеркала 15;

G₁₁ - чувствительность ФП 11.

Результат второго измерения

Перед третьим измерением устанавливают заглушку 3 и снимают заглушку 4. Убирают зеркало 15. Часть светового потока Ф_21, падающего на пластину 9, отражается на ФП 12, а вторая часть этого потока проходит пластину 9, отражается от пластины 8 и попадает на ФП 11, выходной сигнал U₁₁₂ которого пропорционален сумме сигналов фоточувствительных элементов А, В, С, D (фиг. 2). Выходные сигналы U₁₂₁ и U₁₁₂ на ФП12 и 11 соответственно оказываются равными

где R₉₁ - коэффициент отражения от внешней поверхности пластины 9;

K₉ - коэффициент пропускания пластины 9;

G₁₂ - чувствительность ФП 12;

Результат третьего измерения

При четвертом измерении устанавливают зеркало 15 зеркальной поверхностью к пластине 9. Держатель 14 зеркала поворачивают вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, таким образом, чтобы световой пучок, отраженный от зеркала 15 и затем отраженны 1 от внутренней поверхности пластины 9, попадал в центр «креста» (фиг. 2) ФП 13, что достигается при разности сигналов элементов А и С, В и D равной «0». Выходные сигналы ФП 12 и 13 (равный сумме сигналов элементов А, В, С, D) при этом равны

где Ф₂₂ - текущее значение светового потока, падающего на пластину 9 во время четверто го измерения.

Результат четвертого измерения

Решая систему из выражений (1), (2), (4), (5), (7), (8), (10), (11) относительно R_x и переходя к значениям Х_1, Х₂, Х₃ и Х₄, получаем искомый коэффициент отражения

Полученный результат для коэффициента отражения зеркала 15 не зависит ни от величины светового потока, ни от характеристик оптических элементов, что обеспечивает высокую точность измерения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. SU 1143181, G01N 21/55, 1994.

2. RU 2822502 C1.G01N 21/55, 2024 (прототип).

3. Чернов Е.И. Прецизионное позиционно-чувствительное фотоприемное устройство для информационно-измерительных систем и средств диагностики медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023, т. 26, N9. С. 38-43.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента отражения зеркальных поверхностей оптических элементов. Рефлектометр содержит источник излучения, расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала, выполненный с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других - с их внутренними поверхностями, фотоприемные устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполненные с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов, фотоприемные устройства установлены так, чтобы угол между линией, вдоль которой переносится энергия излучения на каждый из фотоприемников, и плоскостью их входного окна составлял 80-85°. Технический результат - повышение точности измерения коэффициента отражения. 3 ил.

Рефлектометр, содержащий источник излучения, расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала, выполненный с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других фотоприемных устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполнены с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов, отличающийся тем, что фотоприемные устройства установлены так, чтобы угол между оптической осью и плоскостью их входного окна составлял 80-85°.