РЕФЛЕКТОМЕТР (ЕГО ВАРИАНТЫ) Советский патент 1994 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к технической оптике, в частности к рефлектометрии, и может быть использовано для измерения коэффициентов отражения оптических поверхностей, например лазерных зеркал, а также элементов силовой оптики в ИК-диапазоне спектра.

Известен рефлектометр, содержащий источник излучения, опорное зеркало, исследуемое зеркало, приемник излучения и регистрирующий прибор, позволяющий измерять коэффициент отражения плоских оптических поверхностей [1] .

Однако точность измерения коэффициента отражения этим рефлектором в ряде случаев оказывается недостаточной.

Наиболее близким из известных по технической сущности к изобретению является рефлектометр [2] , содержащий источник излучения и установленные последовательно по ходу его излучения светоделитель, опорное зеркало, столик для размещения исследуемого зеркала, приемник излучения и регистрирующий прибор.

Однако известный рефлектометр не обеспечивает достаточной точности измерений коэффициента отражения зеркал неплоской формы; рефлектометр отличается также низкой светосилой и сложен в изготовлении.

Целью изобретения является повышение точности измерений коэффициентов отражения оптической поверхности, особенно неплоских измеряемых поверхностей. Второй и третий варианты исполнения, кроме того, имеют своей целью одновременное увеличение светосилы, а также упрощение изготовления рефлектометра.

Поставленная цель достигается (в первом варианте исполнения) за счет того, что в рефлектометре, содержащем 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 дополнительно 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.

Такое выполнение устройства позволяет достичь цель изобретения за счет того, что выходной пучок излучения даже после многих отражений - порядка 30-40 - сохраняет заданную геометрию и может быть измерен приемником излучения с минимальной погрешностью, обусловленной неоптическими причинами.

Отличительные особенности второго варианта по сравнению с первым заключаются в том, что рефлектометр в этом случае не имеет светоделителя, линза расположена между источником и опорным зеркалом, а опорное зеркало выполнено с двумя отверстиями, одно из которых совмещено с фокусом линзы, а другое совмещено с точкой фокуса исследуемого зеркала и служит для вывода измерительного пучка из системы зеркал (исследуемого и опорного); при этом указанные точки расположены в плоскости рабочей поверхности опорного зеркала, а столик для размещения исследуемого зеркала имеет дополнительную возможность углового перемещения.

Такое исполнение рефлектометра позволяет повысить точность измерений, увеличить в 4 раза физическую светосилу прибора при той же самой его геометрической светосиле за счет упразднения светоделителя.

Отличительные особенности третьего варианта исполнения по сравнению с первым заключаются в том, что опорное зеркало выполнено сплошным, без отверстий, причем край рабочей поверхности опорного зеркала совмещен с точкой фокуса линзы, а столик также, как и во втором варианте исполнения, снабжен механизмом углового перемещения.

Такой исполнение рефлектометра позволяет повысить точность измерений и упростить изготовление за счет упразднения отверстий в опорном зеркале.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема рефлектометра по первому варианту исполнения; на фиг. 2 - его эквивалентная оптическая схема; на фиг. 3 - второй вариант исполнения; на фиг. 4 - третий вариант исполнения рефлектометра.

Рефлектометр по первому варианту содержит источник излучения (не показанный на схеме), светоделитель 1, линзу 2, опорное зеркало 3, обращенное рабочей поверхностью в противоположную от линзы 2 сторону, исследуемое зеркало 4, установленное на регулируемом столике 5, а также непоказанные приемник излучения и регистрирующий прибор. Опорное зеркало 3 имеет отверстие, совмещенное с точкой О фокуса линзы в плоскости рабочей поверхности зеркала.

Столик 5 обеспечивает с помощью микрометрического механизма поступательное перемещение зеркала 4 вдоль оси линзы, совпадающей с главной осью исследуемого зеркала. Линза 2 обеспечивает фокусирование измерительного потока излучения на отверстии О в опорном зеркале (см. фиг. 1). Цифрами 6 и 7 обозначен расчетный луч.

Осевой размер d/2 выбирается из условия автоколлимации измерительного пучка на одном из зеркал.

Особенностью 2-го варианта исполнения (см. фиг. 3) является наличие, по крайней мере, двух отверстий, совмещенных с точками О' и О'' , расположенных близко друг к другу (О' О'' << d/2). Одно из отверстий (О' на фиг. 3) служит для введения между зеркалами 3-4 излучения, сфокусированного на О'' линзой (на фиг. 3 не показана). Отверстие О'' служит для вывода измерительного пучка из пространства между зеркалами 3-4 и дальнейшего направления его на приемник излучения. Светоделитель в этом случае не нужен, так как реализовано пространственное разделение пучков. Столик 5 имеет возможность как поступательного перемещения вдоль оптической оси, так и углового перемещения. С этой целью он снабжен не обозначенными на чертежах микрометрическими механизмами поступательного и углового перемещения исследуемого зеркала.

Особенностью 3-го варианта исполнения (см. фиг. 4) является смещение линзы 2 к самому краю опорного зеркала 3, а столик 5 с исследуемым зеркалом 4 может регулироваться по углу с целью согласования его главной оси с осью линзы. При этом край опорного зеркала 3 совмещен с точкой О фокуса линзы в прямом и обратном ходе оптических лучей.

Предлагаемый рефлектометр по 1-му варианту работает следующим образом.

Исследуемое зеркало 4 помещают на регулируемый столик 5 и с помощью механизма поступательного перемещения его устанавливают на расстоянии d/2 от опорного. Расстояние d/2 выбрано из условия автоколлимации на одном из зеркал - исследуемом 4 или опорном 3 (на фиг. 1 представлена ситуации, когда автоколлимация пучка осуществляется на опорном зеркале 3). При такой установке измерительный пучок, входящий в отверстие О в опорном зеркале 3 и расходящийся в сторону исследуемого зеркала с угловой апертурой 2d_n+1 (индекс "n" обозначает число отражений от исследуемого зеркала после автоколлимации), последовательно отражаясь между опорным и исследуемым зеркалами, расходится до диаметра 2h (см. фиг. 1) и сходится обратно по тем же направлениям лучей. Таким образом, пучок после цикла N отражений от исследуемого зеркала 4 и N - 1 отражений от опорного зеркала 3 (например, N = 6 в случае, изображенном на фиг. 1) сходится снова в центре отверстия О и, частично отражаясь от светоделителя 1, направляется далее на приемник излучения, выдающий электрический сигнал на регистрирующий прибор. С регистрирующего прибора считывают отсчет I_N. Пользуясь механизмом регулируемого столика 5, перемещают исследуемое зеркало до тех пор, пока оно не установится на расстоянии d_N+1/2, соответствующем условию автоколлимации при N + 1 отражениях от исследуемого зеркала (и, соответственно, N отражениях от опорного зеркала 3), после чего с регистрирующего прибора считывают отсчет интенсивности I_N+1. Повторяют операций, всякий раз снимая с регистрирующего прибора отсчеты I_N+2, I_N+3, . . . , I_N+k.
Зная коэффициент отражения опорного зеркала 3, рассчитывают коэффициент отражения исследуемого зеркала 4 с привлечением экспериментально полученных значений I_N - I_N+1. Аналитические соотношения для расчета получают следующим образом. Для 1-го отсчета I_Nможем записать
I_N= I_о·k·R_о^(N-1)·R_x^N, (1) где R₀ и R_x - коэффициенты отражения соответственно опорного 3 и исследуемого 4 зеркал, I₀ - интенсивность первичного излучения в пучке до светоделителя 1; К - коэффициент, учитывающий потери на элементах оптического тракта (кроме зеркал 3 и 4) от входа в светоделитель 1 до приемника.

После выполнения следующей операции можно записать
I_N+1= I_о·k·R_о^N·R_x^(N+1). (2)
Соотношения (1) и (2) можно рассматривать как систему уравнений с двумя неизвестными - I₀K и R_х. Решая систему, получаем R_x.

Фактически такой подход, верный в принципе, не обеспечивает достаточной точности, так как величина R_x обычно близка к 1 и, следовательно, R_x^N и R_x^(N-1) отличаются несильно. Для преодоления этого недостатка повторяют измерительные циклы операций k раз (k = 5-10) и получают k уравнений вида
I_N= I_о·k·R_о^N-1·R_x^N. (3) Далее, логорифмируя левую и правую части, получаем
lgI_N = lg(I₀K) + (N - 1)lgR₀ + NlgR_x (4) и далее, преобразуя:
lgI_N = lg(I₀K) - lgR₀ + N(lgR₀ + lgR_x). (5) Соотношение (5) наносят на график в зависимости от N в полулогарифмическом масштабе, причем при наличии случайного разброса можно "спрямить" график, аппроксимировав его прямой линией. Можно видеть, что прямая (5) имеет тангенс угла наклона, равный (lgR₀ + lgR_x). Определяя тангенс из графика и зная R₀, получаем R_х.

Такие измерения, проводимые для рефлектора 1-го варианта, применимы ко всем трем вариантам исполнения.

В случае 2-го варианта исполнения дополнительно требуется угловая юстировка исследуемого зеркала 4, чтобы совместить фокус выходного пучка с выходным отверстием О (см. фиг. 3).

В случае 3-го варианта исполнения также принципиально необходима предварительная угловая юстировка исследуемого зеркала (его разворот на малый угол) для совмещений осей исследуемого зеркала 4 и линзы 2.

Описанные измерения R_x проводят, когда имеется опорное зеркало 3 с известным коэффициентом отражения R₀. Если же R₀ неизвестно и нет возможности выполнить независимые точные измерения R₀, то можно прибегнуть к методике абсолютных измерений, используя предлагаемый рефлектометр. Однако для реализации этой методики необходимо выполнить предварительные измерения с привлечением трех опорных зеркал с неизвестными заранее коэффициентами отражений R₀, R₁ и R₂.

Процедура абсолютных измерений при отсутствии заранее калиброванного зеркала следующая. Проводят цикл измерений, как описано, с зеркалами R₀ и R₁. В результате из соотношения (5) получают угловой коэффициент наклона прямой
К_0,1 = lgR₀ + lgR₁. (6)
Повторяют измерения с парами зеркал (R₁; R₂) и (R₀, R₂). В результате получают численные значения
К_1,2 = lgR₁ + lgR₂ (7) и
К_0,2 = lgR₀ + lgR₂. (8)
Решают систему из трех уравнений (6), (7) и (8) относительно R₀, R₁и R₂. Любое из исследованных зеркал (R₀, R₁или R₂) может теперь быть применено для получения R_x, как это описано.

Рассмотрим методику выбора расстояния dN/2 между опорным и исследуемым зеркалами для выполнения условия автоколлимации и обратного "сворачивания" пучка после N отражений (см. фиг. 1). Для этого заменим систему плоского опорного зеркала R₀ и исследуемого зеркала R_xэквивалентной системой линз с оптической силой Ф = 2/r, периодически расположенных на расстоянии d одна за другой (см. фиг. 2). Здесь r - радиус кривизны исследуемого зеркала, опорное зеркало - плоское. Представим себе луч, идущий параллельно оси на высоте h, угол этого луча с осью α₁ = 0 (см. фиг. 2). Этот луч моделирует крайний периферийный луч 6. После преломления в первой линзе луч отклоняется к оси (линза положительная) и составляет с осью угол α₂, под которым он и распространяется до второй линзы, на которую падает на высоте h₂. После преломления луч составляет с осью угол α₃ и под этим углом падает на третью линзу на высоте h₃ и так далее. На n-й линзе проходит на высоте h_n (см. фиг. 2), что соответствует n-му отражению от исследуемого зеркала, после которого луч (он обозначен 7 на фиг. 1) должен пройти в обратном ходе через точку О - центр отверстия в опорном зеркале (см. фиг. 1). На эквивалентной схеме (фиг. 2) точка О находится на середине расстояния от n-го до (n + 1)-го компонента. Ясно, что при таком рассмотрении n = N/2.

Теперь из треугольника МРО (см. фиг. 2) можно записать
h_n = d/2 ˙tg α_n+1. (9) Это есть геометрическое условие, учитывающее совпадение прямого и обратного хода лучей на отрезке от отверстия О до исследуемого зеркала. Условие фиксирует dn, которое требуется определить, задавая n и используя соотношения геометрической оптики, связывающие h_n и α_n+1. .

Эти условия - суть формулы углов и высот для системы тонких линз
h_k+1 = h_k - tg α_k+1 ˙ d_k, (10)
tg α_к+1 = tg α_к + h_k Ф_k. (11)
Здесь Ф_k - оптическая сила k-го компонента. Для использования (10) и (11) применительно к расчету луча через эквивалентную схему фиг. 2 полагаем d_k ≡ d и Ф_k ≡ Ф ≡ 2/r, а также h₁ ≡ h и α₁ ≡ 0, индекс "k" изменяется от 1 до n + 1, где n - число отражений от исследуемого зеркала после автоколлимации (т. е. N = 2n, N - полное число отражений от исследуемого зеркала).

Последовательно применяя соотношения (10) и (11) по мере прохождения луча 6 через эквивалентную систему, получаем h_n и tg α_n+1, выраженные только через d и Ф.

Ниже приведены полученные таким образом соотношения для (n = 1,2,3,4):
h₁ = h; α₁ = 0 (12)
tg α₂= hФ (13)
h₂ = h - hdФ (14)
tg α₃ = 2hФ - hd Ф (15)
h₃= h-3hdФ+hd²Ф² (16)
tgα₄= 3hФ-4hdФ+hd²Ф² (17)
h₄= h-6hdФ+5hd²Ф²-hd³Ф³ (18)
tgα₅= 4hФ-10hdФ+6hd²Ф²-hd³Ф⁴ (19)
Используя соотношения (12-19) попарно (для h_k и tg α_k+1) и соотношение (9), можно получить уравнения для вычисления d_n при заданных n и Ф.

Ниже приведены полученные таким образом уравнения для n = 2-6 (введено обозначение S = dФ).

S² - 4S + 2 = 0 (20)
S³ - 6S² + 3S - 2 = 0 (21)
S⁴ - 8S³ + 20S² - 16S + 2 = 0 (22)
S⁵ - 10S⁴ + 35S³ - 50S² + 25S - 2 = 0 (23)
S⁶ - 12S⁵ + 54S⁴ - 112S³ + 105S² - 36S + +2 = 0 (24) Принимая для примера Ф = 1 (это соответствует зеркалу двухметрового радиуса кривизны r = 2 м), можем считать d = S и разрешая аналитически уравнения (20)-(24), получаем набор значений d_n, представленных в таблице.

Таким образом, приведенным анализом обоснован выбор рассеяний dn/2 для обеспечения правильного функционирования рефлектометра. Как показано выше, значения dn есть численные значения решений уравнений типа (20-24), приведенных для случаев n = 2-6 (этому соответствует полное число отражений от измеряемого N = 2_n = = 4 - 22). Уравнения этого типа для n > 6 также могут быть получены; выше изложена методика из вывода для любого N. Следует однако заметить, что работать с N > 30 вряд ли целесообразно, так как геометрическое качество пучка ухудшится от многократного влияния ошибок поверхности измеряемого зеркала. Вместе с тем даже при N = 25 повышение точности будет уже значительным, поскольку даже для очень хорошего лазерного зеркала R_x = 0,995 и (0,995)²⁵ = 0,88, т. е. относительная разница интенсивностей измерительных пучков при N = 2 и N = 25 составит 0,1; такая величина может обеспечить измерение R_x с высокой точностью.

Примерная оценка ожидаемой точности за счет фотометрических причин может быть выполнена на основе первичного соотношения (1):
= · (25)
Предполагая Δ I/I≃± 0,5% , получаем R_x/R_x ≃ 0,02% . Такова погрешность единичного измерения при N = 25 = const. Поскольку же предполагается производить серию измерений при N = uar, то возможно ожидать по крайней мере 2-кратного улучшения точности, т. е. ΔR_x/R_x≃0,01% .

Научно-технический эффект от применения рефлектометра во всех его вариантах исполнения связан, в первую очередь, со значительным (на 1,5-2 порядка) повышением точности по сравнению с прототипом. При 2-м варианте исполнения, кроме того, достигается 4-кратное повышение физической светосилы устройства за счет упразднения светоделителя, чем обуславливается возможность использования менее мощных (т. е. более экономичных) излучателей и более высокого уровня сигнала с приемника. При третьем варианте исполнения достигается упрощение рефлектометра, так как отпадает необходимость в отверстиях в опорном зеркале. (56) 1. Антропов Е. Т. , Автономов В. П. , Кочетко Ю. А. Рефлектометр для области 10,6 мкм. ПТЭ, 1975, N 2, с. 197.

2. Лисицин В. С. , Надежкин Ю. М. , Кириллова Л. А. Измерение коэффициентов отражения зеркал. ПТЭ, 1975, N 4, с. 183.

1. 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, между светоделителем и опорным зеркалом дополнительно 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. 2. Рефлектометр для измерения коэффициента отражения лазерных зеркал, содержащий источник излучения и установленные последовательно по ходу его излучения опорное зеркало, столик для размещения исследуемого зеркала, приемник излучения и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при одновременном увеличении светосилы, между источником и опорным зеркалом дополнительно введена линза, а опорное зеркало, обращенное рабочей поверхностью в противоположную от линзы сторону, выполнено с двумя отверстиями, одно из которых совмещено с точкой фокуса линзы, другое отверстие совмещено с точкой фокуса исследуемого зеркала, при этом указанные точки расположены в плоскости рабочей поверхности опорного зеркала, а столик для размещения исследуемого зеркала снабжен механизмом поступательного и углового перемещения. 3. 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при одновременном упрощении изготовления, между светоделителем и опорным зеркалом дополнительно введена линза, а опорное зеркало обращено рабочей поверхностью в противоположную от линзы сторону, причем край рабочей поверхности опорного зеркала совмещен с точкой фокуса линзы, а столик снабжен механизмами углового перемещения и поступательного перемещения исследуемого зеркала вдоль "оси линзы".