RU2822502C1

RU2822502C1 - Reflectometer

Info

Publication number: RU2822502C1
Application number: RU2023126086A
Authority: RU
Inventors: Евгений Иванович Чернов
Filing date: 2023-10-11
Publication date: 2024-07-08

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention can be used to measure the reflection coefficient of mirror surfaces of optical elements, for example, laser mirrors. Reflectometer comprising a radiation source, 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 the other two are with their inner surfaces, the photodetectors optically connected to the inner surfaces of the beam-splitting plates are made using photosensitive elements in the form of four quadrants.

EFFECT: high accuracy of measuring reflection coefficient.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента отражения зеркальных поверхностей оптических элементов, например, лазерных зеркал.The invention relates to measurement technology and can be used to measure the reflectance 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 reflectivity of laser mirrors, containing a radiation source and a beam splitter, a reference mirror, a table for placing the mirror under study, a radiation receiver and a recording device installed sequentially along the direction of its radiation, a lens is installed between the beam splitter and the reference mirror, and the reference mirror is facing the working surface in the direction opposite to the lens, made with a hole 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 under study 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 reflectivity 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 measurement accuracy is influenced 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 (лазер), расположенные по ходу излучения полупрозрачное зеркало, поворотные зеркала, две светоделительные пластины, держатель зеркала и четыре фотоприемника, два из которых оптически связаны с внешними по отношению к держателю зеркала поверхностями светоделительных пластин, а два других - с их внутренними поверхностями. Рефлектометр содержит также два позиционно-чувствительных фотоприемника, каждый из которых оптически связан с внешней поверхностью соответствующей светоделительной пластины. Держатель зеркала выполнен с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра/2/.The closest in technical essence is a reflectometer containing a radiation source (laser), a translucent mirror located along the radiation path, rotating mirrors, two beam splitting plates, a mirror holder and four photodetectors, two of which are optically connected to the surfaces of the beam splitting plates external to the mirror holder , and the other two - with their internal surfaces. The reflectometer also contains two position-sensitive photodetectors, each of which is optically connected to the outer surface of the corresponding beam splitter plate. The mirror holder is designed to rotate relative to two mutually perpendicular axes lying in a plane perpendicular to the optical axis of the reflectometer /2/.

Этот рефлектометр обеспечивает высокую точность измерения коэффициента отражения при нормальном падении излучения на исследуемое зеркало при условии обеспечения высокоточной юстировки исследуемого зеркала, что обеспечивается возможностью вращения его держателя до момента достижения «нулевых» значений выходных сигналов одного из позиционно-чувствительных фотоприемников. Однако, так как положение светового пучка на чувствительной поверхности фотоприемника, регистрирующего излучение, отраженное от исследуемого зеркала, определяется с помощью позиционно-чувствительного фотоприемника, закрепленного на некотором расстоянии от фотоприемника, то появляются погрешности из-за неточности установки позиционно-чувствительного фотоприемника. Со временем они возрастают, что приводит к необходимости периодической трудоемкой корректировки его положения. Кроме того, рефлектометр содержит дополнительные элементы (позиционно-чувствительные фотоприемники), которые усложняют конструкцию.This reflectometer provides high accuracy in measuring the reflection coefficient under normal radiation incidence on the mirror under study, provided that high-precision alignment of the mirror under study is ensured, which is ensured by the possibility of rotating its holder until the “zero” values of the output signals of one of the position-sensitive photodetectors are reached. However, since the position of the light beam on the sensitive surface of the photodetector, which records radiation reflected from the mirror under study, is determined using a position-sensitive photodetector mounted at a certain distance from the photodetector, errors appear due to inaccurate installation of the position-sensitive photodetector. Over time, they increase, which leads to the need for periodic labor-intensive adjustments to its position. In addition, the reflectometer contains additional elements (position-sensitive photodetectors), which complicate the design.

Задача, на решение которой направлено изобретение, связана с обеспечением фотоприемниками, оптически связанными с внутренними по отношению к держателю зеркала поверхностями делительных пластин, одновременной регистрации светового потока пучка излучения и его положения на их фоточувствительных поверхностях, что устраняет погрешности из-за неточности юстировки исследуемого зеркала в его держателе и исключения из эксплуатации рефлектометра дополнительных трудоемких операций. Это достигается тем, что фоточувствительные поверхности фотоприемников выполнены в виде четырех квадрантов.The problem to be solved by the invention is related to the provision of photodetectors optically coupled to the internal surfaces of the mirror holder with respect to the mirror holder, simultaneous registration of the luminous flux of the radiation beam and its position on their photosensitive surfaces, which eliminates errors due to inaccurate alignment of the mirror under study in its holder and eliminating additional labor-intensive operations from operating the reflectometer. This is achieved by the fact that the photosensitive surfaces of the photodetectors are made in the form of four quadrants.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерения коэффициента отражения.The technical result from the use of the invention is to increase the accuracy of reflectance measurement.

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 - с их внутренними поверхностями, фотоприемные устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполнены с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов.This technical result is achieved by the fact 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 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 the external surfaces of the beam splitting plates relative to the mirror holder, and the other two - to their internal surfaces; the photodetectors, optically connected to the internal surfaces of the beam splitting plates, are made using photosensitive elements in the form of four quadrants.

На фиг. 1 представлена схема рефлектометра. На фиг. 2 изображена фоточувствительная поверхность фотоприемника, оптически связанного с внутренней поверхностью светоделительной пластины.In fig. Figure 1 shows a diagram of the reflectometer. In fig. Figure 2 shows the photosensitive surface of the photodetector, optically coupled to the inner surface of the beam splitter plate.

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: a radiation source 1, a 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.Between the plates 8 and 9 there is a mirror holder 14, in which the optical element under study - mirror 15 - is installed.

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/.FPs 10 and 12 are optically connected to the outer surfaces of plates 8 and 9 (relative to the mirror holder 14), and FPs 11 and 13 are connected to the internal surfaces of plates 8 and 9. The photosensitive surfaces of FPs 11 and 13 are made in the form of four elements (quadrants) (Fig. 2). In fig. 2: A, B, C, D - 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 - axes of the conventional coordinate system. It is advisable to perform FPs 11 and 13 according to the precision FP scheme/3/.

Держатель 14 зеркала выполнен с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси рефлектометра.The mirror holder 14 is designed to rotate about 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 reflectance 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, plug 4 blocks the light flux entering mirror 6, plug 3 is removed. Mirror 15 is also removed. Part of the light flux Ф ₁₁ incident on plate 8 is reflected on FP 10, and the second part of this flux passes through plate 8, is reflected from plate 9 and hits FP 13, the output signal U ₁₃ of which is proportional to the sum of the signals of the photosensitive elements A, B, C, D (Fig. 2). The output signals U ₁₀₁ and U ₁₃₁ at FP10 and 13, respectively, turn out to be equal

где R₈₁ - коэффициент отражения от внешней поверхности пластины 8;where R ₈₁ is the reflection coefficient from the outer surface of the plate 8;

K₈ - коэффициент пропускания пластины 8;K ₈ - plate transmittance 8;

R₉₂ - коэффициент отражения от внутренней поверхности пластины 9;R ₉₂ - reflection coefficient from the inner surface of the plate 9;

G₁₀ - чувствительность ФП 10;G ₁₀ - FP sensitivity 10;

G₁₃ - чувствительность ФП 13 (суммарная чувствительность элементов А, В, С, D ФП 13 с учетом зон нечувствительности).G ₁₃ - sensitivity of FP 13 (total sensitivity of elements A, B, C, D of FP 13, taking into account dead 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 «0». 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 facing plate 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 of plate 8 , fell into the center of the “cross” (Fig. 2) of FP 11, which is achieved when the difference between the signals of elements A and C, B and D is equal to “0”. The output signals of FP 10 and 11 (equal to the sum of the signals of elements A, B, C, D) are equal

где Ф₁₂ - текущее значение светового потока, падающего на пластину 8 во время второго измерения;where Ф ₁₂ is the current value of the light flux incident on plate 8 during the second measurement;

R_x- искомый коэффициент отражения зеркала 15;R _x - the required reflection coefficient of the mirror 15;

G₁₁ - чувствительность ФП 11.G ₁₁ - sensitivity of FP 11.

Результат второго измеренияResult of the second measurement

Перед третьем измерением устанавливают заглушку 3 и снимают заглушку 4. Убирают зеркало 15. Часть светового потока Ф₂₁, 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 and plug 4 is removed. Mirror 15 is removed. Part of the light flux Ф ₂₁ incident on plate 9 is reflected on FP 12, and the second part of this flux passes through plate 9, is reflected from plate 8 and hits FP 11, the output signal U ₁₁₂ of which is proportional to the sum of the signals of photosensitive elements A, B, C, D (Fig. 2). The output signals U ₁₂₁ and U ₁₁₂ at FP12 and 11, respectively, turn out to be equal

где R₉₁ - коэффициент отражения от внешней поверхности пластины 9;where R ₉₁ is the reflection coefficient from the outer surface of the plate 9;

K₉ - коэффициент пропускания пластины 9;K ₉ - plate transmittance 9;

G₁₂ - чувствительность ФП 12;G ₁₂ - sensitivity of FP 12;

Результат третьего измеренияResult of the third measurement

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 to plate 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 of the plate 9, fell into the center of the “cross” (Fig. 2) of FP 13, which is achieved when the difference between the signals of elements A and C, B and D is equal to “0”. The output signals of FP 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 четвертого измерения.where Ф ₂₂ is the current value of the light flux incident on plate 9 during the fourth measurement.

Результат четвертого измеренияResult of the fourth measurement

Решая систему из выражений (1), (2), (4), (5), (7), (8), (10), (11) относительно R_x и переходя к значениям X₁, Х₂, Х₃ и Х₄, получаем искомый коэффициент отраженияSolving the system from expressions (1), (2), (4), (5), (7), (8), (10), (11) for R _x and moving to the values X ₁ , X ₂ , X ₃ and X ₄ , we obtain the required 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 obtained result for the reflectance 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.

Кроме того, выполнение чувствительных поверхностей фотоприемников в виде четырех квадрантов, позволяет исключить из рефлектометра два позиционно-чувствительных фотоприемника, что упрощает конструкцию рефлектометра, удешевляет его и исключает дополнительные операции при его эксплуатации.In addition, making the sensitive surfaces of photodetectors in the form of four quadrants makes it possible to exclude two position-sensitive photodetectors from the reflectometer, which simplifies the design of the reflectometer, reduces its cost and eliminates additional operations during its operation.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

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

2. SU 1509688, G01N 21/55, 1989 (прототип).2. SU 1509688, G01N 21/55, 1989 (prototype).

3. Чернов ЕИ. 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 EI. Precision position-sensitive photodetector device for information-measuring systems and diagnostic tools for medical purposes // Biomedical radioelectronics. 2023. t, 26, N9. pp. 38-43.

Claims

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 - с их внутренними поверхностями, отличающийся тем, что фотоприемные устройства, оптически связанные с внутренними поверхностями светоделительных пластин, выполнены с использованием фоточувствительных элементов в виде четырех квадрантов.A reflectometer containing a radiation source, a translucent mirror located along the radiation path, rotating 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 with the surfaces of the beam splitting plates external to the mirror holder, and the other two - with their internal surfaces, characterized in that the photodetector devices optically connected to the internal surfaces of the beam splitting plates are made using photosensitive elements in the form of four quadrants.