Устройство для измерения коэффициента зеркального отражения оптической поверхности Советский патент 1984 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к оптичес КИМ измерениям и может быть исполь зовано для абсолютных измерений коэффициента зеркального отражения образцов из оптических материалов при нормальном падении излучения. В настоящее время в оптической промышленности существует ряд устройств для измерения коэффициента, отражения оптических деталеГ, которые предусматривают возможност измерения абсолютных значений коэф фициента зеркального отражения по однолучевой схеме, либо коэффициента зеркального отражения относительно эталона по однолучевой ил двухлучевой схеме СИ. Однако эти устройства требуют наличия в приборе подвижных элемен тов или аттестованных эталонов, благодаря чему увеличивается систе матическая погрешность измерений, понижается точность и увеличиваетс время измерений. Измерения коэффициентов отражения проводятся под углами, отличающимися от нормальног что в ряде случаев, например, для многослойных диэлектрических покрытий и при измерениях в поляризованном свете, дает неполное представле ние о коэффициентах отражения. Наиболее близким к изобретению по существу решаемой задачи являетс устройство для измерения коэффициен та зеркального отражения оптической поверхности, содержащее последовательно установленные осветитель, полупрозрачное зеркало, расположен,ное под углом 45° к оптической оси устройства, держатель образца, уст новочная плоскость которого расположена перпендикулярно относительно оптической оси устройства, а также фотоприемный блок С21. В известном устройстве измерюния связаны с перестановкой элементов оптической схемы для измерения 100% ного уровня сигнала. Кроме того, необходимо предварительно с высокой точностью определить пропускание полупрозрачного зеркала прибора, та как при измерейии определяется прои ведение его коэффициента пропускани и коэффициента отражения образца, т.е. измерения фактически являются относительными. Погрешность определения пропускания полупрозрачного зеркала, а также погрешность из-за перестановки деталей увеличивают систематическую погрешность измерений. Производительность прибора нев сока, так как измерения производятс по точкам и требуют разделительного во времени измерения 2 сигналов соответству1ацих 100%-му и отраженifOMy образцом потокам излучения Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и производительности измерений. Цель достигается тем, что устройство для измерения коэффициента зеркального отражения оптической поверхности, содержащее последовательно установленные осветитель-, полупрозрачное зеркало, расположенное поя углом 45 к оптической оси устройства, держатель образца, уста новочная плоскость которого расположена перпендикулярно оптической оси устройства, а также фотоприемный блок, снабжено вторым полупрозрачным зеркалом, размещенным перпендикулярно первому и образующим совместно с ним уголковый отражатель, расположенными между осветителем и уголковым отражателем светоделителем для разделения потока излучения от осветителя на два параллельных оптических канала и модулятором, диск которого выполнен с прорезями в двух секторах одной половины- диска на уровне одного, а в двух секторах другой половины диска - на уровне другого оптического.канала и снабжен оптронной парой, расположенной на уровне двух дополнительных прорезей в диске, лежащих симметрично относительно прорезей в секторах в противоположных квадрантах диска, при это.м Фотоприемный блок выполнен из двух фотоприемников, расположенных на прямой, перпендикулярной оптической оси каналов, симметрично по разные стороны уголкового отражателя, полупрозрачные зеркала, обра,зующие уголковый отражатель, размещены под углом 45° к оптическим осям каналов, а установочная плоскость делителя перпендикулярна -указанным оптическим осям. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства/ на фиг. 2 эскиз выполнений диска модулятора; на фиг. 3 - блок-схема электронной части устройства, на фиг. 4 - графики сигналов фотоприемников за один поворот модулятора.в координатах,время, амплитуда. Устройство представляет из себя оптико-механический прибор, собранный в общем корпусе и включаквдий следующие основные элементы: осветитель 1 (с оптической системой), монохроматор 2, светоделитель, установленный за выходной щеЛью монохроматора 2 и состоящий из полупрозрачного зеркала 3 и зеркал 4 и 5, образукхцих светоделитель, объективы 6 и 7, формиру кщие световые пучки в оптических каналах, модулятор 8, диск которого установлен перпендикулярно оптической, оси каналов так, что световые пучки каналов помещаются в прорези соответственно Бив, полупрозрачные

зеркала 9 и.10, установленные перпендикулярно один другому и под углом 45° к оптической оси каналов, образующие уголковый отражатель, установочная плоскость держателя 11 обраэца установлена перпендикулярно опти- 5 ческой оси каналов, фотометрические шары 12 и 13, в которые помещены фотсприемники 14 и 15 образующие фотоприемный блок, фотодиоды 16 и 17, установленные непосредственно за 10 диском модулятора 8 напротив лампочек 18 и 19 и прорезей в диске соответственно А и В.(С), быстродействующий электронный ключ 20, усилитель 21, аналого-цифровой преобразователь 22, 5 ЭВМ 23, считыватель 24, индикатор (показывающий прибор) 25, элементы 16-19 образуют оптронные пары

Устройство работает следующим образом.20

Поток излучения от осветителя 1 проходит через монохроматор 2 и попадает в светоделитель, состЬящий из полупрозрачного зеркала 3 и зеркал 4 и 5. Далее поток излучения,. 25 разделенный на два канала, проходит через формирующие пучки объективы 6 и 7 и модулятор 8 на уголковый отражатель, состоящий из двух полупрозрачных зеркал 9 и 10. Здесь OQ каждый из пучков света каналов делится на два ( и 1 , jT и I) . Пучок Т , прошедший через полупрозрачное зеркало 9, отражается от измеряемого образца 26, вновь частично отражается от зеркала 9 и попадает в фотометрический шар 12, в котором установлен фотоприемник 14. Пучок J , отраженный от зеркала 9, частично проходит через зеркало 10 и попадает в фотометрический шар 13, в котором 40 установлен фотоприемник 15. Пучок « , прошедший через полупрозрачное зеркало 10, отражается от измеряемого образца 26, вновь частично отражается от зеркала 10 и попадает в 45 фотометрический шар 13 с фотоприемником 15.

Пучок д , отраженный от зеркала 10, частично проходит через зеркало 9 и попадает в фотометрический шар 12 JQ с фотоприемником 14. Для наглядности все пучки пространственно разнесены на чертеже.

Энергетические значения потоков ijH , Ojti , и определяются , коэффициентами отражения R и R зеркал 9 и 10, а также измеряемым коэффициентом отражения образца Ч . При этом для простоты рассмотрения подложки приняты непоглощающими в широкой спектральной области (напри- 60 мер, плавленный кварц толщиной около 2 мм), т.е. коэффициенты пропускания полупрозрачных зеркал равны соответственно 1 - R и 1 - к. Тогда поток, попадающий на фотоприемник 13 65

в пучке Т , равен: Ф Ф (1-R ) R R в пучке 1 на фотоприемник 15:

ii ) т пучкеЗ на фотоприемник Ф,- (1-R) R , в пучке 5 на фотоприемник 13.: Ф,(- Ф (1-R)- R ,

Фотоприемники 14 и 15, используемые в устройстве, линейны в широком . спектральном диапазоне, поэтому сигналы их пропорциональны потокам излучения Ф , Ф..« , и . Полученные сигналы делят один надругой для каждого фотоприемника, а частные перемножают

Ф(1-R).R.R

Ф. (1-Rj. ). R,;

Ф (1-R) R

Ф7-(1-В, ).R

Очевидно, все сомножители, кроме R , сокр 1щаются - результирующий сигнал равен R .

Выделение сигналов фотоприемников 14 и 15 производится в устройстве при помощи специального растрового модулятора 8, показанного на фиг. 2. Поперечные сечения световых пучков каналов, проходящих через вращающийся диск модулятора, показаны заштрихованными прямоугольниками. .А, В и С прорези в диске, за которыми находятся фотодиоды 16 и 17., Выдающие зрлектрический, сигнал при 1освещении их лампочками 18 и 19, установленньми перед модулятором ., (фиг. 1). D и Е прорези в диске модулятора для прохождения световых пучков каналов. Сигналы с фотоприемников 14 и 15 поступают на входы СХ и 3 быстродействующего электронного ключа 20 (фиг. 3), выполненного на основе полевых транзисторов, управляет которым сигнал с фотодиода 17, причем при-наличии сигнала ключ находится в положении 5, а при отсутствии - в положении (. I

Когда диск начнет вращаться из положения на фиг. 2 по часовой стрелке, прорезь В откроет фотодиод 17,, и ключ перебросится в положение 5, прорезями D будет модулироваться один пучок/ пучок другой - перекрыт. В течение четверти периода вращения диска через ключ пойдет сигнал с приемника 15, пропорциона.ьный потоку Ф|| . Через четверть периода ключ перебросится в положение л, так как фотодиод 17 булет перекрыт диском, и через ключ пойдет сигнал с приемника 14,.пропорциональный потоку ЭО-.г. в следующую четверть . периода прорезь С снова откроет фотодиод 17, ключ перейдет в положение cS, через него пойдет сигнал с приемника 15, пропорциональный потоку Ф-г« , модулируемому прорезями Е. Затем через четверть периода фотодиод 17 закроется/ ключ перейдет

в положение Х и пропустит сигнал с приемника 14, пропорциональный . Далее цикл повторяется снова.

В результате получится четыре разделенных во времени электрически сигнала (фиг. 4), соответствующих измеряемым потокам. После ключа сигналы проходят через один и .тот же операционный усилитель 21 и попадает на аналого-цифровой преобразователь 22, синхронизированный О самого сигнала. Время преобразования стандартных преобразователей 40-60 МКС, что намного меньше длительности каждого импульса на фиг. 4.

После преобразования каящый сигнал а коде поступает на ЭВМ 23 и записывается каждый по своему адресу. Сюда же приходит стартовый сигнал с фотодиода 16, который дает команду записать следукяций за стартовым импульсом сигнал по определенному адресу. В ЭВМ со считывателя 24 вводится программа, предписывакмцая попарно разделить числа из соответствующих адресов, затем частные -перемножить и извлечь корен квадра-гный из произведения. Результат поступает на индикатор 25 самописец или цифровой прибор.

Монохроматор 2, входящий в соста устройства, позволяет вести автоматическую или ручную развертку поток излучения источника 1 по спектру во

времени. Таким образом, на индикаторе 25 можно получать непрерывное изменение спектрального коэффициента зеркального отражения в виде ; например, графика.

Изобретение обеспечивает следующие преимущества: нет надобности в точном измерении отражениями пропускания оптических деталей устройства (полупрозрачных зеркал), т.е. погрешность этих измерений исключена из систематической погрешности измерений предлагаемым способом на предлагаемом устройстве, не нужно выставлять 100%-й уровень и следить за нулевой точкой, т.е. погрешность проведения этих операций также исключена if3 систематической погрешности измерений, и повышена производительность измерений, предлагаемое устройство не содержит подвижны оптических деталей, что существенно уменьшает возможность его разъюстировки.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность непрерывного изм рения с записью на индикаторе (показывающем приборе-) величины спектрального коэффициента зеркального отражения без влияния спектрального распределения излучения источника и спектральной чувствительности приема. Кроме того, на точность измерений.не влияет флуктуация потока излучения источника и чувсттительности приемника.

25

Амплит сигншю

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ, содержащее последовательно установленные осветитель , полупрозрачное зеркало и держатель образца, а также фотоприемный блок, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений, оно снабжено вторым полупрозрачным зеркалом, размещенным перпендикулярно первому и образующим совместно с ним уголковый отражатель, расположенными между осветителем и уголковым отражателем светоделителем.для разделения потока излучения от осветителя на два параллельных оптических ка:нала и модулятором, диск которого выполнен с прорезями в двух секторах одной половины диска на уровне одного, а в двух секторах другой половины диска на уровне другого оптического канала и снабжен оптронной парой, расположенной на уровне двух дополнительных прорезей в диске, лежащих симметрнчно относительно прорезей в секторах в противоположных квадрантах диска, при этом фотоприемный блок выполнен из двух фотоприемников, расположенных на прямой, пер9 пендикулярной оптической оси кана(Л с лов, симметрично по разные стороны уголкового отражателя, полупрозрачные зеркала, образующие отражатель, размещены под углом 45° к оптическим осям каналов, а установочная плоскость держателя перпендикулярна указанным оптическим осям. а 00 сх оо

r|

г/

т Полный trefttfod (о&рот диска)

ФшЛ