RU2840105C1 - Reflectometer - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used to measure the reflection coefficient of mirror surfaces of optical elements. Reflectometer contains a radiation source, located along the radiation path a semitransparent mirror, rotary mirrors, two beam splitting plates, a mirror holder configured to rotate about two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer, four photodetectors, two of which are optically connected to external relative to mirror holder surfaces of beam splitting plates, and two others are with their internal surfaces, photodetectors optically coupled to the inner surfaces of the beam-splitting plates, made using photosensitive elements in the form of four quadrants, photodetectors are installed so that the angle between the line, along which the radiation energy is transferred to each of the photodetectors, and the plane of their entrance window is 80-85°.

EFFECT: high accuracy of measuring reflection coefficient.

1 cl, 3 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента отражения зеркальных поверхностей оптических элементов, например, лазерных зеркал.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure the reflection coefficient of mirror surfaces of optical elements, for example, laser mirrors.

Известен рефлектометр для измерения коэффициента отражения лазерных зеркал, содержащий источник излучения и установленные последовательно по ходу его излучения светоделитель, опорное зеркало, столик для размещения исследуемого зеркала, приемник излучения и регистрирующий прибор, между светоделителем и опорным зеркалом установлена введена линза, а опорное зеркало, обращенное рабочей поверхностью в противоположную от линзы сторону, выполнено с отверстием, совмещенным с точкой фокуса линзы в плоскости рабочей поверхности зеркала, при этом столик для размещения исследуемого зеркала снабжен механизмом поступательного перемещения вдоль оси линзы /1/.A reflectometer is known for measuring the reflection coefficient of laser mirrors, comprising a radiation source and a beam splitter, a reference mirror, a table for placing the mirror being studied, a radiation receiver and a recording device installed in series along the path of its radiation; a lens is inserted between the beam splitter and the reference mirror, and the reference mirror, with its working surface facing the side opposite to the lens, is made with an opening aligned with the focal point of the lens in the plane of the working surface of the mirror, while the table for placing the mirror being studied is equipped with a mechanism for translational movement along the axis of the lens /1/.

Данный рефлектометр не обеспечивает измерение коэффициента отражения при нормальном падении излучения на исследуемый объект, что соответствует условию эксплуатации лазерного зеркала в излучателе лазера. А кроме того, на точность измерения оказывают влияние характеристики оптических элементов рефлектометра (они не учитываются).This reflectometer does not provide measurement of the reflection coefficient at normal incidence of radiation on the object under study, which corresponds to the operating conditions of the laser mirror in the laser emitter. In addition, the accuracy of the measurement is affected by the characteristics of the optical elements of the reflectometer (they are not taken into account).

Наиболее близким по технической сущности является рефлектометр, содержащий источник излучения, расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала, выполненный с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других фотоприемных устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполнены с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов /2/.The closest in technical essence is a reflectometer containing a radiation source, a translucent mirror located along the radiation path, rotating mirrors, two beam-splitting plates, a mirror holder made with the possibility of rotation relative to two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer, four photodetectors, two of which are optically connected to the external surfaces of the beam-splitting plates with respect to the mirror holder, and two other photodetector devices, optically connected to the internal surfaces of the beam-splitting plates, are made using photosensitive elements in the form of four quadrants /2/.

В этом рефлектометре излучения поступают на фотоприемники по нормали к их входным окнам. При этом в промежутке между окном и фоточувствительной поверхностью фотоприемника в результате наложения падающего и отраженного от фоточувствительной поверхности излучений возникает интерференция, приводящая к изменениям выходного сигнала фотоприемника, что в свою очередь приводит к погрешностям в регистрации излучений, а следовательно и к погрешностям в измерении коэффициента отражения.In this reflectometer, radiation enters the photodetectors along the normal to their input windows. In this case, in the gap between the window and the photosensitive surface of the photodetector, as a result of the superposition of the incident and reflected from the photosensitive surface radiation, interference occurs, leading to changes in the output signal of the photodetector, which in turn leads to errors in the registration of radiation, and consequently to errors in the measurement of the reflection coefficient.

Задача, на решение которой направлено изобретение, связана с устранением интерференции в фотоприемниках, снижающих точность регистрации потоков излучений. Это достигается тем, что фотоприемные устройства в рефлектометре установлены так, чтобы угол между оптической осью (линией, вдоль которой переносится энергия излучения на каждый из фотоприемников) и плоскостью их входного окна составлял 80-85°.The problem to which the invention is directed is related to the elimination of interference in photodetectors, which reduces the accuracy of recording radiation flows. This is achieved by the fact that the photodetectors in the reflectometer are installed so that the angle between the optical axis (the line along which the radiation energy is transferred to each of the photodetectors) and the plane of their input window is 80-85°.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерения коэффициента отражения.The technical result of using the invention consists in increasing the accuracy of measuring the reflection coefficient.

Указанный технический результат достигается тем, что в рефлектометре, содержащем источник излучения, расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала, выполненный с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других фотоприемных устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполненные с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов, фотоприемные устройства установлены так, чтобы угол между оптической осью (линией, вдоль которой переносится энергия излучения на каждый из фотоприемников) и плоскостью их входного окна составлял 80-85°.The specified technical result is achieved in that in a reflectometer containing a radiation source, a translucent mirror located along the radiation path, rotating mirrors, two beam-splitting plates, a mirror holder made with the possibility of rotation relative to two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer, four photodetectors, two of which are optically connected to the external surfaces of the beam-splitting plates with respect to the mirror holder, and two other photodetector devices, optically connected to the internal surfaces of the beam-splitting plates, made using photosensitive elements in the form of four quadrants, the photodetector devices are installed so that the angle between the optical axis (the line along which the radiation energy is transferred to each of the photodetectors) and the plane of their input window is 80-85°.

На фиг. 1 представлена схема рефлектометра. На фиг. 2 изображена фоточувствительная поверхность фотоприемника, оптически связанного с внутренней поверхностью светоделительной пластины. На фиг. 3 изображена схема падения излучения на фотоприемник.Fig. 1 shows the reflectometer diagram. Fig. 2 shows the photosensitive surface of the photodetector, optically connected to the inner surface of the beam splitter plate. Fig. 3 shows the diagram of the radiation incidence on the photodetector.

Рефлектометр содержит: источник 1 излучения, полупрозрачное зеркало 2, съемные заглушки 3 и 4, поворотные зеркала 5-7 и две светоделительные пластины 8 и 9. С фотоприемниками (ФП) 10-13.The reflectometer contains:radiation source 1, translucent mirror 2,removable plugs 3 and 4, rotating mirrors 5-7 and two beam-splitting plates 8 and 9. With photodetectors (PD) 10-13.

Между пластинами 8 и 9 расположен держатель 14 зеркала, в котором устанавливается исследуемый оптический элемент - зеркало 15.Betweenplates 8 and 9 there is amirror holder 14, in which the optical element being studied is installed - mirror 15.

ФП 10 и 12 оптически связаны с внешними поверхностями пластин 8 и 9 (по отношению к держателю 14 зеркала), а ФП 11 и 13 - с внутренними поверхностями пластин 8 и 9. Фоточувствительные поверхности ФП 11 и 13 выполнены в виде четырех элементов (квадрантов) (фиг. 2). На фиг. 2: А, В, С, D - фоточувствительные элементы фотоприемника (11, 13); а - сторона фоточувствительного элемента, m - ширина зоны нечувствительности между фоточувствительными элементами; X, Y - оси условной системы координат. ФП 11 и 13 целесообразно выполнить по схеме прецизионного ФП /3/. Фотоприемные устройства установлены так (фиг. 3), чтобы угол ϕ между линией, вдоль которой переносится энергия излучения на каждый из фотоприемников (оптической осью), и плоскостью их входного окна составлял 80-85°. Следует отметить, что значение ϕ в этом диапазоне является оптимальным. При значениях ср больше 85° начинает появляться интерференция, а при ϕ меньше 80° ухудшается точность регистрации положения пучков излучения фотоприемными устройствами 11 и 13 в плоскости наклона вектора излучения.FPs 10 and 12 are optically connected to the outer surfaces ofplates 8 and 9 (with respect to mirror holder 14), andFPs 11 and 13 are connected to the inner surfaces ofplates 8 and 9. The photosensitive surfaces ofFPs 11 and 13 are made in the form of four elements (quadrants) (Fig. 2). In Fig. 2: A, B, C, D are the photosensitive elements of the photodetector (11, 13); a is the side of the photosensitive element, m is the width of the dead zone between the photosensitive elements; X, Y are the axes of the conventional coordinate system. It is advisable to designFPs 11 and 13 according to the precision FP scheme /3/. The photodetector devices are installed so (Fig. 3) that the angle ϕ between the line along which the radiation energy is transferred to each of the photodetectors (optical axis) and the plane of their input window is 80-85°. It should be noted that the value of ϕ in this range is optimal. At values of ϕ greater than 85°, interference begins to appear, and at ϕ less than 80°, the accuracy of recording the position of the radiation beams byphotodetector devices 11 and 13 in the plane of the radiation vector tilt deteriorates.

Держатель 14 зеркала выполнен с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра.Mirror holder 14 is designed with the possibility of rotation relative to two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer.

Рефлектометр работает следующим образом.The reflectometer works as follows.

Определение искомого коэффициента отражения зеркала 15 сводится к четырем измерениям.Determining the desired reflection coefficient of mirror 15 comes down to four measurements.

При первом измерении заглушкой 4 перекрывают световой поток, поступающий на зеркало 6, заглушку 3 убирают. Убрано также зеркало 15.Часть светового потока Ф₁₁, падающего на пластину 8, отражается на ФП 10, а вторая часть этого потока проходит пластину 8, отражается от пластины 9 и попадает на ФП 13, выходной сигнал U₁₃ которого пропорционален сумме сигналов фоточувствительных элементов А, В, С, D (фиг. 2). Выходные сигналы U₁₀₁ и U₁₃₁ на ФП10 и 13 соответственно оказываются равнымиDuring the first measurement, the light flux entering themirror 6 is blocked by theplug 4, and theplug 3 is removed. Mirror 15 is also removed. Part of the light flux Ф₁₁ falling onplate 8 is reflected onФП 10, and the second part of this flux passes throughplate 8, is reflected fromplate 9 and entersФП 13, the output signal U₁₃ of which is proportional to the sum of the signals of photosensitive elements A, B, C, D (Fig. 2). The output signals U₁₀₁ and U₁₃₁ on ФП10 and 13, respectively, are equal to

где R₈₁ - коэффициент отражения от внешней поверхности пластины 8;where R₈₁ is the reflection coefficient from the outer surface ofplate 8;

R₈ - коэффициент пропускания пластины 8;R₈ - transmittance coefficient ofplate 8;

R₉₂ -коэффициент отражения от внутренней поверхности пластины 9;R₉₂ - reflection coefficient from the inner surface ofplate 9;

G₁₀ - чувствительность ФП 10;G₁₀ - sensitivity ofFP 10;

G₁₃ - чувствительность ФП 13 (суммарная чувствительность элементов А, В, С, D ФП 13 с учетом зон нечувствительности).G₁₃ - sensitivity of FP 13 (total sensitivity of elements A, B, C, D ofFP 13 taking into account insensitivity zones).

Результат первого измеренияResult of the first measurement

При втором измерении устанавливают зеркало 15 зеркальной поверхностью к пластине 8. Держатель 14 зеркала поворачивают вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, таким образом, чтобы световой пучок, отраженный от зеркала 15 и затем отраженный от внутренней поверхности пластины 8, попадал в центр «креста» (фиг. 2) ФП 11, что достигается при разности сигналов элементов А и С, В и D равной «О». Выходные сигналы ФП 10 и 11 (равный сумме сигналов элементов А, В, С, D) при этом равныDuring the second measurement, mirror 15 is installed with its mirror surface towardplate 8.Mirror holder 14 is rotated around two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer, so that the light beam reflected from mirror 15 and then reflected from the inner surface ofplate 8 hits the center of the “cross” (Fig. 2) ofFP 11, which is achieved when the difference in signals from elements A and C, B and D is equal to “0”. The output signals ofFP 10 and 11 (equal to the sum of the signals from elements A, B, C, D) are then equal to

где Ф₁₂ - текущее значение светового потока, падающего на пластину 8 во время второго измерения;where Ф₁₂ is the current value of the luminous flux falling onplate 8 during the second measurement;

R_x - искомый коэффициент отражения зеркала 15;R_x - the desired reflection coefficient of the mirror 15;

G₁₁ - чувствительность ФП 11.G₁₁ - sensitivity ofFP 11.

Результат второго измеренияResult of the second measurement

Перед третьим измерением устанавливают заглушку 3 и снимают заглушку 4. Убирают зеркало 15. Часть светового потока Ф_21, падающего на пластину 9, отражается на ФП 12, а вторая часть этого потока проходит пластину 9, отражается от пластины 8 и попадает на ФП 11, выходной сигнал U₁₁₂ которого пропорционален сумме сигналов фоточувствительных элементов А, В, С, D (фиг. 2). Выходные сигналы U₁₂₁ и U₁₁₂ на ФП12 и 11 соответственно оказываются равнымиBefore the third measurement,plug 3 is installed andplug 4 is removed. Mirror 15 is removed. Part of the light flux Ф₂₁ falling onplate 9 is reflected onФП 12, and the second part of thisflux passes plate 9, is reflected fromplate 8 and falls onФП 11, the output signal U₁₁₂ of which is proportional to the sum of the signals of photosensitive elements A, B, C, D (Fig. 2). The output signals U₁₂₁ and U₁₁₂ on ФП12 and 11, respectively, are equal to

где R₉₁ - коэффициент отражения от внешней поверхности пластины 9;where R₉₁ is the reflection coefficient from the outer surface ofplate 9;

K₉ - коэффициент пропускания пластины 9;K₉ - transmittance coefficient ofplate 9;

G₁₂ - чувствительность ФП 12;G₁₂ - sensitivity ofFP 12;

Результат третьего измеренияResult of the third dimension

При четвертом измерении устанавливают зеркало 15 зеркальной поверхностью к пластине 9. Держатель 14 зеркала поворачивают вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, таким образом, чтобы световой пучок, отраженный от зеркала 15 и затем отраженны 1 от внутренней поверхности пластины 9, попадал в центр «креста» (фиг. 2) ФП 13, что достигается при разности сигналов элементов А и С, В и D равной «0». Выходные сигналы ФП 12 и 13 (равный сумме сигналов элементов А, В, С, D) при этом равныDuring the fourth measurement, mirror 15 is installed with its mirror surface towardplate 9.Mirror holder 14 is rotated around two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer, so that the light beam reflected from mirror 15 and then reflected 1 from the inner surface ofplate 9, hits the center of the "cross" (Fig. 2) ofFP 13, which is achieved when the difference in signals of elements A and C, B and D is equal to "0". The output signals ofFP 12 and 13 (equal to the sum of the signals of elements A, B, C, D) are equal to

где Ф₂₂ - текущее значение светового потока, падающего на пластину 9 во время четверто го измерения.where Ф₂₂ is the current value of the luminous flux falling onplate 9 during the fourth measurement.

Результат четвертого измеренияResult of the fourth dimension

Решая систему из выражений (1), (2), (4), (5), (7), (8), (10), (11) относительно R_x и переходя к значениям Х_1, Х₂, Х₃ и Х₄, получаем искомый коэффициент отраженияSolving the system of expressions (1), (2), (4), (5), (7), (8), (10), (11) with respect to R_x and moving on to the values of X_1, X₂ , X₃ and X₄ , we obtain the desired reflection coefficient

Полученный результат для коэффициента отражения зеркала 15 не зависит ни от величины светового потока, ни от характеристик оптических элементов, что обеспечивает высокую точность измерения.The result obtained for the reflection coefficient of mirror 15 does not depend on either the magnitude of the luminous flux or the characteristics of the optical elements, which ensures high measurement accuracy.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. SU 1143181, G01N 21/55, 1994.1. SU 1143181, G01N 21/55, 1994.

2. RU 2822502 C1.G01N 21/55, 2024 (прототип).2. RU 2822502 C1.G01N 21/55, 2024 (prototype).

3. Чернов Е.И. Прецизионное позиционно-чувствительное фотоприемное устройство для информационно-измерительных систем и средств диагностики медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023, т. 26, N9. С. 38-43.3. Chernov E.I. Precision position-sensitive photodetector for information-measuring systems and diagnostic tools for medical purposes // Biomedical Radioelectronics. 2023, v. 26, N9. pp. 38-43.

Claims (1)

Translated fromRussian

Рефлектометр, содержащий источник излучения, расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала, выполненный с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра, четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других фотоприемных устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполнены с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов, отличающийся тем, что фотоприемные устройства установлены так, чтобы угол между оптической осью и плоскостью их входного окна составлял 80-85°.A reflectometer comprising a radiation source, a translucent mirror located along the radiation path, rotating mirrors, two beam-splitting plates, a mirror holder made with the possibility of rotation relative to two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer, four photodetectors, two of which are optically connected to the external surfaces of the beam-splitting plates with respect to the mirror holder, and two other photodetector devices, optically connected to the internal surfaces of the beam-splitting plates, are made using photosensitive elements in the form of four quadrants, characterized in that the photodetector devices are installed so that the angle between the optical axis and the plane of their input window is 80-85°.

Images