Устройство для измерения коэффициента отражения

 

<" 661312,}

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 070277 (2I) 2451050/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет (51)М. Кл.

01 )}(21/48

Государственный крмитет

СССР но делам изобретений и открытий

Опубликоваио0505.79. Бюллетень Йо 17

Дата опубликования описания 070579 (53) УДК 535.8 (088. 8) (72} Авторы изобретения

В. Ю. Демук и А. И. Ванюрихин (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ

OTP MKEHHЯ

Изобретение относится к оптическим приборам для измерения коэффициентов отражения материалов и может быть применено, например, для измерения коэффициентов отражения многослойных диэлектрических зеркал, используемых в оптических квантовых генераторах.

Известное устройство для измере ния коэффициентов отражения плоских объектов flJ состоит из системы сканирования светового луча по исследуемой поверхности и фотодетектора, регистрирующего диффузно рассеянное излучение.

Устройство позволяет находить малые дефекты качества исследуемой поверхности.

Известно устройство (2), которое содержит два оптических канала: первый канал обеспечивает контроль всей поверхности зеркала, а второй — контроль поверхности по зонам.

Известен рефлектометр (3),выполненный по двухканальной оптической схеме с модулятором,. который поочередно пропускает световые потоки на детектор. В одном канале рефлектометра устанавливают исследуемое зеркало и по разности сравниваемых световых сигналов определяют измеряемую величину.ЗО

Укаэанные устройства имеют сравнительно низкую точность измерения (не более 0,1Ъ) .

Найболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для измерений коэффициентов отражения, содержащее. йсточник излучения, фотоприемник, оптические элементы, образующие две автоколлимационные измерительные системы, в одну из которых помещается исследуемый образец, светоделитель, работающий в одной иэ автоколлимационных систем на отражение, а в другой на пропускание, и модулятор с отражающим сектором (4).

К недостаткам устройства-прототипа относятся: низкая точность измерения; возможность измерения коэффициентов отражения зеркал; устанавливаемых только под прямым углом к падающему излучению; . необходимость иметь несколько (не менее двух) светоделителей с идентич-. ными коэффициентами отражения и пропускания; сложность конструкции, В настоящее время часто возникает необходимость измерения коэффициен661

3 тОв отражения с более высокой точностью (до 0,01%), например, коэффициентов отражения зеркал, применяемых в высокостабильных и прецизионных ОКГ.-Цель изобретения — повышение точности измерения в широком диапазоне углов падения, Указанная цель достигается тем, что отражающий сектор модулятора является общим отражающим элементов обеих автоколлимационных систем. Модулятор выполнен в виде чередующихся четырех секторов, изготовленных из двух оптических материалов с различ ными показателями преломления, ричем модулятор сиабжен съемной шторкой15 позволяющей перекрывать два сектора с одинаковым коэффициентом отражения.

Как известно, показатели преломления стекал измеряются с очень высокой точностью (до 10 ) . Следовательно, 20 коэффициенты отражения от плоской поверхности стекол могут быть вычислены по известным формулам Френеля с такой же точностью, т.е. не хуже

0,01%, ю

Предложенное устройство позволяет измерять коэффициенты отражения с указанной точностью не только при малых углах падения, но в широком диапазоне таких углов, например от 10 до 30

На чертеже показана структурная схема предложенного устройства для измерения коэффицИентов отражения.

Устройство состоит из излучателя

1, в качестве которого может быть использован лазер, светоделителя 2, работающего на пропускание и отражение, отражателя 3, который выполнен в виде дискового модулятора, содержащего минимум два отражающих сектора, изго- 40 товленных из различных по показателю преложпения оптических материалов.

На чертеже показаны четыре сектора 47, из которых секторы 4 и 6 выполнены из материала с показателем прелом- 45 ления п, а секторы 5 и 7 - из материала с показателем преломления п .

Противолежащие секторы 5 7 имеют съемную шторку 8, которая закрывает.отражающую поверхность этих секторов и 50 на определенном этапе измерения снимается с оси 9. Модулятор вращается двигателем 10. Лучи, отраженные шторкой 8, не попадают на светоделитель

2 и измеряемый объект 11. Измеряемый объект установлен в одном из автоколлимационных каналов, а фотоприемник

12 на пути отраженных от отражателя

3 лучей.

Работает устройство следующим образом.

Сначала секторы 5, 7 отражателя 3 закрывают шторкой 8, а поэтому при работе отражателя лучи обоих автоколлимационных каналов модулируются (поочередно прерываются) секторами 4, 65

312 4

6. Измеряемый объект 11 при этом установлен в рабочее положение. Световой луч излучателя 1 делится светоделителем 2 на две компоненты, одна из которых попадает сразу на отражатель 3, а другая — после отражения от измеряемого ббъекта 11. Затем отраженные отражателем 3 лучи возвращаются к светоделителю 2 и попадают на фотоприемник 12. Амплитуду электрического сигнала на нагрузке фотоприемника можно записать как

g =(рая,-v,÷ò÷„ ÿ, Iü,ê„ гдеРиТ - коэффициенты отражения и пропускания светоделителя 2 соответственно;

Ч вЂ” коэффициент отражения мате--. риала секторов 4, 6;

R коэффициент отражения измеряемого объекта ll;

iJо — интенсивность луча иэлучате1 ° б - чувствительность фотоприемника 12;

К1 — коэффициент усиления схемы.

Далее производится калибровка устройства, т.е. определение фотоэлектрического коэффициента преобразования (усиления) . Для этого измеряемый объект 11 выводится из рабочего положения, а шторка 8 снимается с отражателя 3 ° На фотоприемник 12 попадает луч только одного автоколлимационного канала, т,е. луч, отраженный от светоделителя 2, отражателя 3 и прошедший через светоделитель 2.

Интенсивность этого луча модулируется за счет того, что коэффициенты отражения луча от секторов 4,6 и 5,7 различны.

Амплитуду электрического сигнала на нагрузке фотоприемника 12 при этом можио записать так

0 =3 ЯТ(М1-Р )52К где Р— коэффициент отражения материала секторов 5, 7;

:) — чувствительность фотоприемника 12; Kg - коэффициент усиления схемы.

Считая O 1= S> и К1 = К,из приведенных значений электрического сигнала на фотоприемнике 12 найдем Рх:

Определим относительную погрешность по формуле:

Ьрх 1 4. ЭЯх 2 ,1 х х х 11 1 7) так как коэффициент отражения ди661312 электрических зеркал, используемых- в

ОКГ, обычно равен 99,85-99,99%,. то справедливо следующее выражение

1 х

"- 1-Я„.

2 х

Если в качестве излучателя 1 использовать лазер, то величина д )/U будет определяться в основном пульсациями мощности излучения этого лазера. Например, величина пульсаций мощности излучения лазера ЛГ-52-1 не превышает 5Ъ, а его мощность излучения - не менее 8 Мвт. Следовательно — =3 10 5. 10 (Ам). 2 -Ь -4

9К вЂ” =S 10 j ), "1» -7

Для R „=09999

Считаем, что вклад погрешности второго слагаемого такого же порядка, как и вклад погрешности первого слагаемого, т.е., м, 2+

=10. jo (Я,-ч 1 25

Принимая Чк 1= Я2, о Д ) 1= ДR z

Найдем что дЛ 2,26 10 (Я,- )

Используя стекла с различными показателями преломления, можно изме- 30 нять д R . Так наприме ) npHR1- Р2 = — 0,01 дЯ = 2,26 ° 10 . При нормаль-, ном падении излучения на отражающий элемент коэффициенты отражения в соответствии с формулами Френеля апре- 35

l1 -1 и=4 дп . (II+ 1I

Тогда

Формула изобретения

Устройство для измерения коэффициентов отражения, содержащее источник излучения, фотоприемник, оптические элементы, образующие две автоколлимационные измерительные системы, в одну из которых помещается исследуемый образец, светоделитель, работающий в одной иэ автоколлимационных систем на отражение, а в другой на пропускание, и модулятор с отражакщим сектором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерения в широком диапазоне углов падения, отражающий сектор мсдулятора является общим отражающим элементом обеих автоколлимационньэ систем, а сам модулятор выполнен в виде четырех секторов с чередующимися коэффициентами отражения, изготовленных из двух оптических материалов с различными показателями преломления, приу I1-1 деляются по формуле: Я

n t. i при о=15 nR=0,14nn.

Если дк=2,2b 10 +,тодП"- 2-10

Таким образом, показатели прелом- 45 ления материалов (стекол) отражателей достаточно знать до третьего знака (ГОСТ 13659-68), значение П приводится с точностью+1 в четвертом знаке, а в ГОСТ 15130-69 - в шестом знаке.

При перечисленных условиях выра;ке- д (х õ ние для примет виду — =7,75(1-Rх)ф.

Х х дух для R =0,9985 . —" со,012% у х к а для х=0,9999 х а0,0008 lo ь% х

Найдем величины световых потоков, которые соответствуют амплитудаЫ эле - ктрических сигналов Ю1 и 112 считая, 65 что Jö = 8мет а Ч1-%2+0,01.

В качестве светоделителя 2 используют обычное стекло, для которого к = 0,04, а Т а 00,96, при этом выбирают R1 = 0,05 (стекло Ф1), а Я2 = 0,04 (стекло ФК1) . Тогда

U,* Ðòׄ(1-Я„ )SK =

8 0,04 0,9Ü 0,05(E-R< ) бК(мэт1;

lJ2 J RÒ(×1- Я2)5®=B 0,04" 0,9Ь 0,016К (мвт);

Ьк =1.5.10 (1 Rxl" 2,58 10 (1 Rxх1(ам), а для . кх=ОЯЮ5 *1,5 10- („„) и1

SK

Из рассмотренного видно, что изменяя R1-32, можно сделать величину

U /5К равной 10 - 10 лм.

Известно, что пороговый поток (пороговая освещенность для фотодиодов составляет 10 — 10 лм.

Таким образом, иэ расчета видно, что световые сигйалы, соответствующие измеряемым коэффициентам отражения (R> = 0,9985-0,9999) могут быть сравнительно легко зарегистрированы предложенным устройством, техническая эффективность изобретения по сравнению с прототипом состоит в следующем: повьыена точность измерения до о,oja; обеспечена воэможность изменения коэффициента отражения при различных углах падения излучения на измеряемый объекту уйрощена оптическая схема устройства.

7 66 чем модулятор снабжен съемной шторкой, позволяющей перекрывать два сектора с одинаковым коэффициентом отражения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Заявка Франции h! 2263509, кл. 01 К 21/48, 07,11,75.

1312

2. Патент CUrA 9 3761179, кл. 356-120, 25. 09. 73 °

3. Qpt (с1д 1974, 9 4, рис. 293.

4, Авторское свидетельство

Р 401914, И., кл. С 01 N 21/48, 12.10.1973.

Составитель Л, Титова

P акто Т. ловская Тех е И.Асталош Корректо Г.Наза ова

Заказ 2429/38- Тираж 1089 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035 Москва М-35 Ра ская наб. 4 5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4