Устройство для измерения коэффициента отражения

1 н 661312 Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 070277 (21) 2451050/18-25с присоединением заявки Мо(51)М. К . 01 й 21/48 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВОТРАЖЕНИЯ 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 1 состоит из системы сканирования светового луча по исследуемой поверхности и фотодетектора, регистрирующего диффузно рассеянное излучение.Устройство позволяет находить ма лые дефекты качества исследуемой поверхности.Известно устройство 2, которое содержит два оптических канала: первый канал обеспечивает контроль всей 20 поверхности зеркала, а второй - контроль поверхности по зонам.Известен рефлектометр 3,выполнен . ный 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 2Укаэанные устройства имеют сравнительно низкую точность измерения (неболее 0,1) .Найболее близким по техническойсущности к предложенному являетсяустройство для измерений коэффициентов отражения, содержащее. йсточникизлучения, фотоприемник, оптическиеэлементы, образующие две автоколлимационные измерительные системы, в одну из которых помещается исследуемыйобразец, светоделитель, работающийв одной иэ автоколлимационных системна 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 коэффициен6613 еделим относиформуле:Рх ельную пог ость п гР как ко7ения ди фициент от 3тбв отражения с более высокой точностью (до 0,01), например, коэффициентов отражения зеркал, применяемых в высокостабильных и прецизионных ОКГ,- 1 ель 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, причем модулятор сиабжен съемной шторкой 15 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, 25Предложенное устройство позволяет измерять коэффициенты отражения с указанной точностью не только прй малых углах падений, но в широком диапазоне таких углов, например от 10 до 30 60На чертеже показана структурная схема предложенного устройства для измерения коэффицйентов 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 товленных из различных по показателю прелоещения оптических -материалов, На чертеже показаны четыре сектора 4- 7, из которых секторы 4 и б выполнены из материала с показателем прелом ления п 1, 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 85 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 12 46, Измеряемый объект 11 при этом установлен в рабочее положение, Световойлуч 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 отраженныеотражателем 3 лучи возвращаются к светоделителю 2 и попадают на фотоприемник 12. Амплитуду электрического сигнала на нагрузке фотоприемника можно записать как15,:(З,тггч,-гртчтг,)ь,кгдеРиТ - коэффициенты отражения ипропускания светоделителя 2 соответственно;Ч 1 - коэффициент отражения мате-риала секторов 4, 6;Ч - коэффициент отражения измеряемого объекта 11;1 О - интенсивность луча излучателя 1;б - чувствительность фотоприемника 12;К 1 - коэффициент усиления схемы,Далее производится калибровка устройства, т,е. определение фотоэлектрического коэффициента преобразования (усиления) . Для этого измеряемыйобъект 11 выводится из рабочего положения, а шторка 8 снимается с отражателя 3. На Фотоприемник 12 попадаетлуч только одного автоколлимационного канала, т,е. луч, отраженный отсветоделителя 2, отражателя 3 и прошедший через светоделитель 2,Интенсивность этого луча модулируется за счет того, что коэффициентыотражения луча от секторов 4,6 и 5,7различны.Амплитуду электрического сигналана нагрузке фотоприемника 12 приэтом можио записать так3 -3 Чт(М -Р,),5 Кгде Р - коэффициент отражения материала секторов 5, 7;52 - чувствительность Фотоприемника 12;К - коэффициент усиления схемы.Считая 51= Я и К 1 -- К 2,из приведенных значений электрического сигналана фотоприемнике 12 найдем Р:(подов 25 0 деляются и вменения различных измеряеи Иф 4 огда электрических зеркал, используемых. в ОКГ, обычно равен 99,85-99,99,.то справедливо следующее выражение1 (х"- 1-.2 х5Если в качестве излучателя 1 использовать лазер, то величина д)/П будет определяться в основном пульсациями мощности излучения этого лазера. Например, величина пульсаций мощности излучения лазера ЛГ-1 не превышает 5, а его мощность излучения - не менее 8 Мвт. Следовательно о вклад погрешности втор го такого же порядка, ка решности первого слагаем 2 д 2+ 2 2Ф, 1Принимая Я 1= Я, сл д 21= д РНайдем, что дЯ = 2,2 Ь 10 (Я, -2)Используя стекла с различными показателями преломления, можно изменять д Я . Так, например, пРи %1- М = - 0,01 дЯ = 2,26 10 . При нормаль-, ном падении излучения на отражающий элемент коэффициенты отражения в соответствии с Формулами Френеля опре 1 П о формуле: Я ВВ качестве светоделителя 2 используют обычное стекло, для которого Ч = 0,04, а Т и 0,96, при этом выбираютЯ = 0,05 (стекло Ф 1), а Я = 0,04 (стекло ФК 1), ТогдаЦ ,)РтЧ 1 Л)ВК =8 0,04 0,9 Ь 0,05 (1-8) 5 К мет 1;15 Э,ЧТ(%1-Й 510 фВ 004 0,9 Ь 0,015 К мвт 1, - =1,5 10 (А-Ч 1"-2,58 10 1-%1(.лм; а для 3 х:0,99851)С 3ВКИз рассмотренного видно, что изменяя 71-3, можно сделать величину/5 К равной 10 - 10 7 лм,Известно, что пороговый потокроговая освещенность для фотодиосоставляет 10 ф - 10 лм.Таким образом, иэ расчета видно,что световые сигйалы, соответствующие измеряемым коэффициентам отражения (Ях = 0,9985-0,9 Й 9), могут бытьсравнительно легко зарегистрированыпредложенным устройством,техническая эффективность изобретения по сравнению с прототипом сосоит в следующем:повьыена точность измерения до0,01%;обеспечена воэможность икоэффициента отражения приуглах падения излучения намый объект;уйрощена оптическая схема устрой,99 с 0,012% я Яхф 0,9999 а,ооо 8 й. 60 х ины световы ствуют амплиалов Ц 1 и П 2 ,- й ф 0,01 Найдем величкоторые соответктрических сигичто Эо = 8 ллет а 1 потоков тудаЫ элесчитая,65при и= у де =0,14 дп.Если дР = 2,2 Ь 10 +,ТОд П "-2 10 ЗТаким образом, показатели преломления 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 выраже-дЧ "х ние дляЯдг =7 750-У ДЪЯ Форйула 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 автоколлимационныхсистем 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, при1312 Соста ловская Тех е,Астало итова КоРректо акто за о аз 2 ПодписноеСССР комитета и открытий а ская на Филиал ППП Патент, г, Ужгород, ул. тная,7 66чем модулятор снабжен съемной шторкой,позволяющей перекрывать два секторас одинаковым коэффициентом отражения.Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1. Заявка Франции 9 2263509,кл.01 К 21/48, 07,11,75. 9/38 Тираж 108ЦНИИПИ Государственногопо делам изобретений113035 Москва МР 82. Патент СЮА Р 3761179,кл. 356-120, 25.09,733.Ор Ос 1 а1974, Р 4,рис. 2934, Авторское свидетельствоР 401914, И кл, С 01 М 21/48,12.10.1973.