Оптическое устройство регистрации зонального и интегрального светопропускания и отражения в оптическом образце Советский патент 1992 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к оптическому приборостроению.

Известен универсальный фотометр ФМС-56, на котором можно измерить свето- пропускание и отражение оптического образца. Конструкция его снабжена одним источником света и приемником излучения, в данной установке это глаз человека, а в фотометре ГОИ это селеновый фотоэлемент, а также два плоских зеркала, формирующих два оптических канала, конденсаторы, матовые или молочные стекла, управляемые диафрагмы, объективы зрительной трубы, ромбовидные призмы, сводящие световые пучки в один канал, спектральные фильтры на диске и окуляр. В одном канале размещают эталонный образец, а во втором - измерительный. Принцип действия прибора основан на визуальном уравнивании яркостей двух половин поля зрения путем диафрагмирования входных зрачков. А отражение измеряют с помощью кубика Л юммера путем измерения световых потоков с образцом стекла и без него.

Недостатками такого фотометра являются измерения образца малого размера, в ограниченном световом диапазоне (в ИК-об- лаети это невозможно), измерение только интегральных коэффициентов пропускания и отражения, невозможность измерить коэффициенты по зонам крупногабаритных образца, низкая информативность о световых зонных характеристиках образцов, большая затрата времени, низкая точность.

XI

(Л CJ CJ

VI о

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство Дли измерения спектров пропускания тонких пленок, которое содержит источник излучения, плоские зеркала, два приемника излучения, перед приемником излучения может вводиться монохроматор. Действие этого устройства основано на принципе измерения светового потока в данном спектральном интервале с образцом и без образца.

Недостатками известного устройства являются невозможность и отсутствие технических средств для измерения светопро- пускания и отражения по зонам, одновременное измерение коэффициента отражения от двух сторон крупногабаритного образца, низкая информативность распределения однородности материала образца как в различных спектральных диапазонах, так и по площади, отсутствие наглядной топограммы, отсюда и низкая точность определения коэффициентов све- топропускания и отражений в широком спектральном диапазоне от видимой до средней ИК-области спектра (до 20 мкм) в крупногабаритном оптическом образце.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 - блок-схема управления и обработки информации; на фиг. 3 - топограмма распределения коэффициентов пропускания образца по всей площади; на фиг. 4 - кривая спектрального излучения основного источника излучения относительно излучения глобара, принятого за ёдиницу.

Оптическое устройство для регистрации зонального и интегрального светопро- пускания и отражения в крупногабаритных оптических образцах содержит основной источник 1 излучения, работающих в области света от 3 до 20 мкм, оптическую систему для формирования параллельного узкого зондирующего пучка, состоящую из плоских зеркал 2, 3, сферических зеркал 4, 5, апер- турной диафрагмы 6, перестраиваемого кольцевого фильтра 7 для выделения узкого спектрального диапазона с приводом 8, световой заглушки 9 и двух приемников 10 излучения,расположенныхв термостатируемых капсулах 11, приводы 12 и 13 оптического стола 14, цифровые вольтметры 15 и 16, связанные с устройством 17 управления и обработки информации, стабилизатор 18 источника 1 и дополнительный источник 19. Устройство 17 управления и обработки информации состоит из блоков 20 управления шаговыми приводами 8, 12,

13 устройства 21 сопряжения, являющегося согласующим звеном между блоками 20 управления и микропроцессором 22 (ДВК-2М), коннекторов 23, связывающих цифровые

5 вольтметры 15 и 16 с микропроцессором 22, снабженным устройством 24 внешней памяти для ввода программы, печатью 25 и дисплеем 26 для визуализации результатов измерений.,

0 Основной источник 1 излучения выполнен в виде полой керамической тру б к и 63 мм и длиной 40 мм с платиновым спиральным нагревателем, расположенным внутри нее. Керамическая трубка выполнена из матери5 ала, состоящего из следующих компонентов: окиси алюминия 70-85%, каолина 10-20% и окиси хрома 5-10%, относительно глобара имеет спектральную характеристику, согласно фиг.4, что позволяет заключить

0 о равномерности спектральной излучатель- ной способности излучения в области 5-50 мкм. Стабильность излучения составляла не более 0,1 % отклонений данных и воспроизводилось в течение длительного времени,

5 что повысило точность измерения на 30- 40%.

Дополнительный источник 19 излучения представляет собой перестраиваемый монохроматический лазерный источник с

0 А 0,63 мкм, 1,15 мкм, 3,39 мкм, расположен по другую сторону базирования образца и установлен так, чтобы его световой поток падал в место выхода из оптического образца, размещенного в держателе образ5 ца, светового пучка от основного источника 1 излучения.

Дополнительный источник 19 излучения, основной источник 1 излучения и приемники 10, 11 излучения расположены в

0 одной плоскости, перпендикулярной плоскости расположения образца, размещенной параллельно плоскостям оптического образца, выполненного в виде плоскопарал- лелькой пластины. При этом углы падения и

5 отражения двух источников и приемников равны между собой.

Для центрирования приемников 10 излучения относительно прошедшего или отраженного пучков вследствие разной

0 толщины контролируемых образцов приемники снабжены подвижной поперек оптической оси. Кроме того, приемники излучения находятся в охлаждаемых капсулах 11, что вместе с подвижками приемников также по5 вышаетточность измерения излучения и его воспроизводимость во времени.

Оптическое устройство работает следующим образом.

Источник 1 света проектируется сферическим зеркалом 4 в аПертурную диафрагму

6, определяющую диаметр зондирующего пучка, а изображение диафрагмы 6 сферическим зеркалом 5 направляется под некоторым углом на контролируемую поверхность образца, установленного на базовой поверхности держателя образца, и проектируется на чувствительную площадку основного приемника 10 излучения в случае измерения коэффициента пропускания и дополнительного второго приемника 10 излучения в случае измерения коэффициента отражения, спектральный диапазон выделятся перестраиваемым фильтром 7, приво- димым в движение приводом 8. Дополнительный источник 19 направляет зондирующий пучок на противоположную контролируемую поверхность образца под таким же углом, как и в первом случае, и основной приемник измеряет коэффициент отражения, а дополнительный второй приемник - коэффициент пропускания.

Измеряемый образец фиксируется в держателе образца оптического стола 14, ко- торый вращается вокруг вертикальной оси образца и перемещается по радиусу образца в плоскости, перпендикулярной плоскости падения зондирующего пучка с -помощью приводов 12, 13. Таким образом, зондирующий пучок может быть направлен в любую зону измеряемого образца без изменения угла падения его на образец. Режим работы приводов 8, 12, 13, а следовательно, и закон сканирования образца относительно зондирующего пучка осуществляет микропроцессор 22 через блоки управления шаговыми приводами 20 и устройство 21 сопряжения. Сигналы с приемников 10 излучения, пропорциональные интенсивности соответственно прошедшего и отраженного пучков, через цифровые вольтметры 15, 16 в цифровом виде поступают через согласующие коннекторы 23 в микропроцессор 22, который вычисляют коэффициент пропускания Т и отражения R по формуле

Т ч-

UTX - UrreM

R . URX-URTCM

Ure-игтем KCUc - URTCM)

где UTX - напряжение на первом фотоприемнике ;

UrreM- напряжение на первом фотоприемнике 10 с перекрытым пучком световой заглушкой 9;

Оте - напряжение на первом фотоприемнике 10 без образца;

URX - напряжение на втором фотоприемнике 10;

иртем - напряжение на втором фотоприемнике 10 с перекрытым пучком световой заглушкой 9;

UR« - напряжение на втором фотоприемнике 10 от эталона отражения,

К - коэффициент отражения эталона отражения (напыленное серебро или напыленный родий).

Информация о координатах измерения на образце и измеренных в этих зонах коэффициентов отражения и пропускания накапливается в устройстве 24 внешней памяти

0 микропроцессора 22. По результатам измерения в отдельных зонах строится наглядная топограмма, характеризующая оптическую однородность образца (фиг.З), Полностью зачеркнутый квадрат на данном

5 примере соответствует наибольшему значению зонного коэффициента пропускания 79,4%, Разница между максимальным и минимальным значениями коэффициентов пропускания по полю образца равняется

0 0,8%. Таким же образом строится топограмма коэффициентов отражения образца.

Данное оптическое устройство позволяет измерить пропускание и отражение от двух сторон крупногабаритного образца, не

5 снимая образца с оптического стола, можно измерить интегральное и зонное пропускание в различном спектральном диапазоне, можно измерить пропускание и отражение по зонам в одном спектральном диапазоне

0 и локально - в другом. Благодаря этим действиям повышается точность и информативность результатов измерения по площади образца на 30-40%, особенно это ценно в невидимой области спектра для крупногэба5 ритных оптических образцов.

Использование предлагаемого устройства для регистрации зонального и интегрального светопропускания и отражения в крупногабаритных оптических образцах по

0 сравнению с известным позволяет: повысить точность измерения на 30-40% и информативность результатов измерения по площади образца благодаря тому, что источник излучения выполнен из керамической

5 полой трубки, изготовленной из материала компонентов; окиси алюминия, каолина и окиси хрома а также размещенного внутри этой трубки платинового нагревателя, так как это дает возможность осуществлять из0, мерения в ИК-области спектра от 3 до 20 мкм с высокой стабильностью и воспроизводимостью измерений во времени; благодаря тому, что устройство снабжено дополнительным перестраиваемым моно5 хроматическим источником излучения, размещенным по другую сторону базирования оптического образца водной плоскости расположения основного источника и двух приемников, перпендикулярной плоскости базирования образца, и так, чтобы световой

поток от него имел возможность падать в место выхода светового потока из оптического образца от основного источника излучения, причем узлы падения и отражения двух источников и приемников равны между собой, так как позволяет одновременно получать информацию, не меняя положение образца, и не переключая другой источник излучения, в узком спектральном видимом и невидимом диапазоне; благодаря тому, что оптический стол установлен с возможностью поворота и смещения по радиусу образца, так как это позволяет проводить локальные, зонные измерения по всей площади образца в автоматическом режиме; благодаря тому, что приемники излучения установлены в термостатируемых капсулах с возможностью перемещений перпендикулярно оптической оси падения на них светового потока, так как позволяет исключить тепловые шумы и найти наиболее оптимальную чувствительную часть площади приемников излучения при фиксации ими коэффициентов пропускания л отражения. Кроме того, оптическое устройство технологично в изготовлении, может быть изготовлено усилиями специалистов средней квалификации на отечественном оборудовании. В устройстве эффективно использованы как стандартные узлы, так и оригинальные, в частности более эффективный источник излучения: малогабаритный, которому не дано специальный обдув, стабильный во времени при излучении в средней и дальней ИК-области, более

эффективный по сравнению с глобаром, имеющий более низкую температуру нагрева.

Формула изобретения 1 Оптическое устройство регистрации

зонального и интегрального светопропуска- ния и отражения в оптическом образце, содержащее источник излучения, оптический стол, два приемника излучения, размещенные по разные стороны базирования оптического образца, и систему регистрации результатов измерения, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введен дополнительный источник излучения, выполненный в виде полой трубки, изготовленной из материала состава: окись алюминия 70-85%, каолин 10-20%, окись хрома 5-10%, в которой размещен платиновый нагреватель, при

этом дополнительный источник излучения расположен напротив основного источника излучения по другую сторону базирования оптического образца в одной плоскости расположения основного источника и двух приемников, перпендикулярной плоскости базирования образца, причем каждый из источников излучения оптически сопряжен с двумя приемниками излучения, а оптический стол установлен с возможностью поворота и смещения по радиусу образца.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что основной источник излучения выполнен в виде перестраиваемого моно- хроматического источника излучения.

Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения: устройство содержит две пары источников (ИИ) и приемников излучения (ПИ), расположенные по разные стороны оптического образца, установленного на оптическом столе, имеющем два привода линейного перемещения и поворота. К приемникам излучения подключены элементы регистрации и обработки данных, а сами они помещены в термоста- тируемых капсулах с возможностью поперечного перемещения относительно оптической оси падения на них светового потока. Каждый ПИ регистрирует отражение от ИИ, расположенного по одну сторону образца, и пропускание от второго ИИ, установленного по другую сторону образца. Все ПИ и ИИ расположены в одной плоскости, размещенной перпендикулярно плоскости базирования оптического образца. Перемещения оптический стол в линейном направлении и поворачивая его, измеряют оптические характеристики образца по отдельным зонам в пределах площади образца. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. ч fe

Т Y,.,с44 - ,| i

i rOMgil i

Фиг. 1

J

8

12

13

20

20

20

л л Ж

21

W

25

сриг.З

15

IS

25

23

26

Фиг. 2

Ф J

4 5 6 7 8910 15 203050 Амкм : ФигМ , :.; --..