Способ измерения абсолютного значения коэффициента отражения зеркал Советский патент 1993 года по МПК G01N21/55 G01J3/42 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к спректрофото- метрии, и предназначено для измерений абсолютных значений коэффициентов отражения излучения от зеркал со сферической или параболической формой поверхности при нормальном падении излучения.

Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициента отражения зеркала со сферической или параболической формой вогнутой поверхности.

В таком способе размещения элементов при измерениях фокусы вспомогательного сферического зеркала с центральным отверстием (размер отверстия во вспомогательных сферических и плоском зеркалах относительно мал в отличие от зеркал, в которых по специальному назначению их использования отверстие занимает значительную часть площади зеркала) и измеряемого зеркала одинаковы Это обеспечивает

С/)

возможность осуществления двухкратного взаимодействия измеряемого зеркала с потоком излучения.

Рассматриваемый способ иллюстрируется оптической схемой системы измерения абсолютного значения коэффициента отражения зеркал со сферической или параболической формой вогнутой поверхности

Оптическая система состоит из излучения 1 и размещенных на его оптической оси формирующей параллельный потоку излучения оптики 2, светоделителя 3, вспомогательных элементов - обьектива 4. плоского 5 и сферического 6 зеркал с центральной диафрагмой, измеряемого зеркала 7, установленного в изделиедержателе 8, и фотоприемного устройства, состоящего из приемной оптики 9 и фотоприемника 10.

Позиция размещения ряда элементов оптической системы соответствует их расположению при измерении объектного потока излучения. Позиции II, III и IV

00 1ЧЭ VJ

сл

О

о

определеяются введением в систему измеряемого зеркала 7 и различными его взаимодействиями с разными вспомогательными элементами.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

До начала измерений проводят юстировку оптических элементов, вносящих в со- став рассматриваемой оптической системы и размещенных друг относительно друга со- гласно их функциональным особенностям, Измеряется сигнал а фотоприемника, соответствующий интенсивности опорного светового потока после взаимодействия с объективом 4, плоским 5 и сферическим 6 зеркалами позиция II фигуры. Величина этого сигнала а 0 з 3 R RS гз 9 определяется интенсивностью lo светового потока от излучения 1 и прошедшего объектив 2, ко- эффициентами отражения (гз) и пропускания светоделителя 3( тз) и объектива 4 ( г 4), отражения зеркал 5 (Rg) и б (Re). Если с оптической оси вводится вспомогательное сферическое зеркало б, а вместо него вво- дится измеряемое 7 - позиция II, то сигнал

b фотоприемника b I0t3t3 R$ Rsnirg . Затем с оптической оси выводится плоское зеркало 5, а на его место устанавливается вспомогательное сферическое зеркало б - позиция III Фигуры. Сигнал фотоприемника

в этом случае с 10 з т% R$ Re R гз fg . где R - коэффициент отражения излучения от измеряемого зеркала не по всей площади его отражающей поверхности, а для точки в центральной его части, где фокусируется излучение, отраженное от вспомогательного зеркала 6.

Для исключения из результатов измерений спектрофотометрических величин эле- ментов, формирующих сравниваемые по интенсивности потоки излучения, проводится дополнительное измерение интенсивности светового потока, когда вспомогательное сферическое зеркало б выводится с оптической оси, а с помощью изделиедер- жателя 8 измеряемое зеркало 7 перемещается вдоль оптической оси, пока фокус вспомогательного объектива 4 не совместится с центром отражающей поверхно- сти зеркала 7 - позиция IV. В этом случае

d lo 13 d R гз гэ .

Абсолютное значение коэффициента отражения измеряемого сферического или параболического вогнутого зеркала определяется как

R - / ЬС 1/4

к red/

где а, Ь, с и d - сигналы фотоприемника, соответствующие опорному (позиция I) и объективным потокам поочередно для позиций It - IV расположения оптических элементов.

Может рассматриваться зеркало как со сферической, так и параболической формой отражающей поверхности. Это связано с тем, что способность таких зеркал падаю- щий на них параллельный световой поток концентрировать в фокус зеркала или излучение, сконцентрированное в фокусе, преобразовывать в параллельный поток излучения.

Несмотря на кажущееся внешне четырехкратное повышение точности измерений, реально достигается увеличение точности только вдвое. В подобных случаях следует оценивать коэффициент отражения как результат двух (а не четырех) измерений объектного и опорного потоков.

Изобретение позволяет повысить точность измерений коэффициентов отражения вдвое при сохранении возможности измерения коэффициента отражения зеркала по всей его апертуре и при нормальном падении излучения. Вместе с этим реализуется возможность измерений применительно к зеркалам с параболической формой поверхности

Сравнение способа измерений с аналогом изобретения также указывает на существенные преимущества: хотя в обоих случаях измеряется квадрат коэффициента отражения, но, как указывалось выше, реально точность измерений в аналоге заявляемого способа даже ниже точности, достигаемой в установке прототипе способа из-за влияния зональных изменений коэффициентов отражения плоских зеркал, используемых при измерении в разных потоках излучения. Кроме того, измерения в этой установке осуществляются при углах наклона зеркала к оптической оси.

Пример. Формирующая оптика 2 создает параллельный поток излучения от источника 1. Устанавливается светоделитель 3 под углом 45° к оптической оси излучения 1. Его отражающая поверхность направлена в сторону вспомогательного объектива 4, фокус которого совмещается с фокусом вспомогательного сферического зеркала 5 так, что его диафрагма располагается симметрично относительно оптической оси системы, а отражающая поверхность совпадает с фокальными плоскостями объектива 4 и зеркала 5 и направлена в сторону зеркала 5, При установке элементов 4. 5, 6 излучение, отраженное от зеркала 5 и 6, должно возвращаться без виньетирования

через диафрагму зеркала 5 и проходить повторно через объектив 4. Далее излучение отражается от светоделителя 3, На оптической оси размещается оптическая часть 9 фотоприемного устройства таким образом, что промежуточное изображение источника излучения 1, сформированное в фокальной плоскости объектива 4, создает на чувствительной площадке фотоприемника 10 изображение излучателя 1. В дальнейшем на изделие держателя 8 устанавливают измеряемое зеркало 7 и перемещением изделие держателя 8 с зеркалом 7 вдоль оптической оси достигают совмещения его фокуса или отражающей поверхности с фокусом вспомогательного объектива. В качестве источника излучения использовался He-Ne лазер { Я 0,6328 мкм). Оптическая система 2 представляла телескопическую систему объективов и позволяла сформировать параллельный поток излучения диаметром 20 мм. Светоделитель 3 выполнен из плоскопараллельной стеклянной пластины диаметром 45 мм толщиной 6 мм с нанесенным на нее полупрозрачным слоем металлического титана, обеспечивающего отношение коэффициентов отражения и пропускания слоя, близким к 1.1 (35% : 28%). Объектив 4 имел фокус 50 мм, диаметр 30 мм. Приемник излучения представлял кремниевый фотодиод ФД-24К. В качестве вспомогательного сферического зеркала использовалось алюми- нированное стеклянное зеркало диаметром 200 мм, толщиной 15 мм и радиусом кривизны 580 мм. Диаметр центрального отверстия диафрагмы - 10 мм. Измеряемое зеркало представляло собой металлическое зеркало из алюминиевого сплава 1201 со сферической формой поверхности, радиус кривизны которого составляя 517 мм. Диаметр зеркала 170 мм, толщина - 15 мм. При таком соотношении диаметров отверстия и собственно зеркала это может привести к потери около 0,3% светового потока в измерениях при расположении элементов системы в позиции I. Сравнение интенсивностей отраженных световых потоков излучения от вспомогательного зеркала с открытой диафрагмой и прикрытой пробкой с плоским алю- миниевым зеркалом 11 не выявило различий. Это указывает, что точность и воспроизводимость подобных сравнений интенсивностей световых потоков, по крайней мере, хуже 0,3%. Использование обычных средств регистрации предполагает, что ошибки подобных измерений потоков 1 %. Это позволяет получить реальную точность измерений коэффициентов отражения зеркал с учетом измерения квадрата их величины близкой к 0,5%. Непосредственные

измерения абсолютного значения коэффи- циента отражения зеркала показали, что R - 89,2% при относительной величине ошибки измерения 0,5%.

5Для проведения спектральных измерений коэффициентов отражения зеркал в состав оптической системы вводится, например, широкополосовой сфетофильтр в осветительную часть, а в оптическую часть фо0 топриемного устройства - монохроматор, Это позволяет обеспечить достаточную для измерений спектральную селекцию излучения.

Таким образом, новая последователь5 ность операций и условий для их проведения благодаря получению новых зависимостей в соотношениях интенсивностей измеряемых световых потоков излучения позволяет вдвое повысить точность измерений для

0 зеркал со сферической (или параболической) формой отражающей поверхности, Исключение из рассмотрения спектрофото- метрических характеристик входящих в оптическую систему элементов устранило

5 необходимость метрологической аттестации этих вспомогательных элементов,

Формула изобретения Способ измерения абсолютного значе0 ния коэффициента отражения зеркал, при осуществлении которого формируют поток излучения с помощью оптической системы, измеряют его фотоприемником на выходе оптической системы в присутствии исследу5 емого зеркала, измеряют опорный поток в отсутствии исследуемого зеркала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения абсолютного значения коэффициента отражения зеркала сосфери0 ческой или параболической формой вогнутой отражающей поверхности, формируют в оптической системе параллельный поток из- t лучения, измеряют опорный роток излучения, прошедший через оптически связанные объ5 ектив, плоское зеркало с отверстием на оптической оси и сферическое зеркало, с отверстием на оптической оси, при этом фокальные плоскости объектива и сферического зеркала совпадают с отражающей поверхно0 стью плоского зеркала, устанавливают вместо сферического зеркала исследуемое зеркало, измеряют соответствующий поток излучения, при этом фокальные плоскости объектива и исследуемого зеркала совпада5 ют с отражающей поверхностью плоского зеркала, устанавливают вместо плоского зеркала сферическое зеркало с отверстием на оптической оси, измеряют соответствующий поток излучения, при этом фокальные плоскости объектива и исследуемого зеркапа совпадают с местоположением плоскости, касательной к центру отражающей поверхности сферического зеркала с отверстием, выводят сферическое зеркало с отверстием с оптической оси, измеряют соответствующий поток излучения, при этом фокус объектива совпадает с сражающей

,

поверхностью исследуемого зеркала, а коэффициент отражения R определяют из соотношения R {--тЛ , где а, Ь, с и d

- сигналы фотоприемника, соответствующие опорному потоку излучения и потокам излучения с исследуемым зеркалом.

Использование: измерительная техника, в частности, измерения абсолютных значений коэффициентов отражения излучения зеркал. Сущность изобретения: абсолютное значение коэффициента отражения R зеркала со сферической или параболической формой вогнутой отражающей поверхности определяют из соотношения R (bc/ad) , где а, Ь, с и d - сигналы фотоприемника, соответствующие опорному потоку излучения и потокам излучения с исследуемым зеркалом. 1 ил.