Устройство для измерения коэффициента зеркального отражения оптической поверхности

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (П) 3(5)) G 01 N 21 55

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ фиг.1 (21) 3403844/18-25 (22) 05.03.82 (46) 23.01.84. Бюл. Ф 3 (72) (0.В.Дыхнилкин, В.Н.Конашенок, П. A. Погорелый, Н. В. Романова и E.È.Øèáàðoâ (53) 535.241(088.8) . (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 401914, кл. G 01 N 21/55, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

9 135256, кл. G J 1/42, 1961 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ

ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ, содержащее последовательно установленные осветитель, полупрозрачное зеркало и держатель образца, а также фотоприемный блок, о т л и ч а ю щ е е с я 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 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 этом фотоприемный блок выполнен иэ двух фотоприемников, расположенных на прямой, перпендикулярной оптической оси каналов, 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.

1068783

Изобретение относится к оптнчес" ким измерениям и может быть использовано 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 детале, которые предусматривают возможность измерения абсолютных значений коэфФициента зеркального отражения по однолучевой схеме, либо коэффициента зеркального отражения относительно эталона по однолучевой или 15 двухлучевой схеме СП .

Однако эти устройства требуют наличия в приборе подвижных элементов или аттестованных эталонов, благодаря чему увеличивается систематическая погрешность измерений, понижается точность и увеличивается время измерений. Измерения коэффициентов отражения проводятся под углами, отличающимися от нормального, 5 что в ряде случаев, например, для многослойных диэлектрических покрытий и прн измерениях в поляризованном свете, дает неполное представле ние о коэффициентах отражения.

Наиболее близким к изобретению по существу решаемой задачи является устройство для измерения коэффициента зеркального отражения оптической поверхнос ти, содержащее последова- 35 тельно установленные осветитель, полупрозрачное зеркало, расположен,ное под углом 45 к оптической оси устройства, держатель образца, установочная плоскость которого распо- 40 ложена перпендикулярно относительно . оптической оси устройства, а также фотоприемный блок L21.

В известном устройстве измерения; 45 связаны с перестановкой элементов оптической схемы для измерения 100%ного уровня сигнала. Кроме того, необходимо предварительно с высокой точностью определить пропускание полупрозрачного зеркала прибора, так как при измерейии определяется произведение его коэффициента пропускания 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 невы-60 сока, так как измерения производятся по точкам и требуют разделительного во времени измерения 2 сигналов соответствующих 100%-му и отраженному образцом потокам излучения.

Целью предлагаемого изобретения является п вышение точности и производительности измерений.

Цель достигается тем, что устрой-. ство для измерения коэффициента зеркального отражения оптической поверхности, содержащее последовательно установленные осветитель., полупрозрачное зеркало, ра положенное под углом 45 к оптической оси устройства, держатель образца, установочная 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 н снабжен оптронной парой, расположенной на уровне двух дополнительных прорезей в диске, лежащих симметрично относительно прорезей в секторах в противоположных квадрантах диска, при этом фотоприемный блок выполнен из двух фотоприемников, расположенных на прямой, перпендикулярной оптической оси каналов, симметрично по разные стороны уголкового отражателя, полупрозрачные зеркала, образующие уголковый отражатель, размещены под углом 45О к оптическим осям каналов, а установочная плоскость делителя перпендикулярна указанным оптическим осям.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2эскиз выполнения 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 включающий следующие основные элементы: осветитель 1 (c оптической системой, монохроматор 2, светоделитель, установленный за выходной щелью монохроматора 2 и состоящий из. полупрозрачного зеркала .

3 и зеркал 4 и 5, образующих светоделитель, объективы 6 и 7, формиру ющие световые пучки в оптических каналах, модулятор 8, диск которого установлен перпендикулярно оптической. оси каналов так, что световые пучки каналов помещаются в прорези соответственно Е и D, полупрозрачные

1068783

30 зеркала 9 и 10, установленные перпендикулярно один другому и под углом о

45 к оптической оси каналов, образующие уголковый отражатель, установочная плоскость держателя 11 образ ца установлена перпендикулярно оптической оси каналов, фотометрические шары 12 и 13, в которые помещены фотоприемники 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 A и В (С), быстродействующий электронный ключ 20, усилитель 21, аналого-цифровой преобразователь 22, ЭВМ 23, считыватель 24, индикатор (показывающий прибор) 25, элементы

16-19 образуют эптроннйе пары .

Устройство работает следующим образом. 20

Поток излучения от осветителя 1 проходит через монохроматор 2 и попадает в светоделитель, состоящий 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 каждый иэ пучков света каналов делится на два (Г и Г, «И и Ч" ), Пучок Г, 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, отраженный от зеркала 9, частично проходит через зеркало 10 и попадает в фотометрический шар 13, в котором 40 установлен фотоприемник 15. Пучок Я, прошедший через полупрозрачное зеркало 10, отражается от измеряемого образца 26, вновь частично отража- ется от зеркала 10 и попадает в 45 фотометрический шар 13 с фотоприемником 15.

Пучок- ц", отраженный от зеркала

10, частично проходит через зеркало

9 и попадает в фотометрический шар 12 gp с фотоприемником 14. Для наглядности все пучки пространственно разнесены на чертеже.

Энергетические значения потоков

Ф л, Ф-,,, и Ф ю определяются коэффициентами отражения R и R, зеркал 9 и 10, а также измеряемым коэффициентом отражения образца „.

При этом для простоты рассмотрения подложки приняты непоглощающими в шйрокой спектральной области (напри- 60 мер, плавленный кварц толщиной около 2 мм), т.е. коэффициенты пропускания полупрозрачных зеркал равны соответственно 1 — R и 1 — R . Тогда

4 поток, попадающий на фотоприемник 13 65 в пучке, равен: Ф = Ô1 (1-R )i R R, в пучке 1 на фотоприемник 15:

Ф-, = Ф-„(1,-й ) R-,, в пучке и на фотоприемник 15: Ф-„= Ф;, (1-R )

R„- R, в пучке " на фотоприемник 13.:

Ф," = a(i (1 R). R,,,, Фотоприемники 14 и 15, используемые в устройстве, линейны в широком . спектральном диапазоне,. поэтому сигналы их пропорциональны потокам излучЕния Ф, Ф ., Ф, и Ф(. Полученные сигналы делят бдин на другой для каждого фотоприемника, а частные перемножают (1-R) 8 R ф (1-В-, ) R„. R х

Ф (1-R) В Ф, (1-В, ) R

Очевидно, все сомножители, кроме

R„, сокращаются — результирующий сигнал равен R .

Выделение сигналов фотоприемников 14 и 15 производится в устрой" стве при помощи специального растровог. 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 которими находятся фотодиоды 16 и 17., выдающие электрический, сигнал при освещении их лампочками 18 и 19, установленными 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

О, и 6 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 6, а при отсутствии — в положении о,.

Когда диск начнет вращаться иэ положения на фиг. 2 по часовой стрел ке, прорезь В откроет фотодиод 17„ и ключ перебросится в положение S, прорезями D будет модулчроваться один пучок; пучок другой -- перекрыт.

В течение четверти периода вращения диска через ключ пойдет сигнал с приемника 15, пропорциона."ьный потоку Q . Через четверть периода ключ перебросится в положение б,, так как фотодиод 17 булет перекрыт диском, и через ключ пойдет сигнал с приемника 14,.пропорциональный потоку 00„-. В следующую четверть периода йрорезь С снова откроет фотодиод 17, ключ перейдет в положение о, через него пойдет сигнал с приемника 15, пропорциональный по" току Ф1, модулируемому прорезями Е.

Затем через четверть перибда фотодиод 17 закроется, ключ перейдет

106878 3 в положение с1 и пропустит сигнал с приемника 14, пропорциональный ф; . Далее цикл повторяется снова.

В результате получится четыре разделенных во времени электрических 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 от самого сигнала. Время преобразования стандартных преобразователей

40-60 мкс, что намного меньше длительности каждого импульса на фиг. 4.

После преобразования каждый

Сигнал В коде поступает на ЭВМ 23 и записывается каждый по своему адресу. Сюда же приходит стартовый сигнал с фотодиода 16, который дает команду записать следующий за стартовым импульсом сигнал цо определенному адресу. В ЭВМ со считывателя 24 вводится программа, пред-. писывающая попарно разделить числа из соответствующих адресов, затем частные-.перемножить и извлечь корень квадратный иэ произведения. Результат поступает на индикатор 25 самописец или цифровой прибор.

Монохроматор 2, входящий в состав устройства, позволяет вести автома--, тическую или ручную развертку потока 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 отражения и пропускания оптических деталей устройства (полупрозрачных зеркал), т.е.

10 погрешность этих измерений исключена из систематической погрешности изме- рений предлагаемым способом на предлагаемом устройстве, не нужно выставлять 100%-й уровень и следить за.нулевой точкой, т.е. погрешность проведения этих операций также исключена из систематической погрешности измерений, и повышена производительность измерений, нредлагаемое устройство не содержит подвижных оптических деталей, что существенно уменьшает возможность его разъюстировки.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность непрерывного измерения 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 чувствительности прием, ника.

1068783 ф 3/2

Фиг. Ф

Составитель С. Непомняцая

Редактор P. Цицика Техред A,A÷ корректор О. Билак

Заказ 11452/37 Тираж 827 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

4иааиту3Ь сигнала

Т Оолныи ифмод ййрот диана)