Устройство для измерения коэффициента интегрального рассеяния по поверхности зеркал

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения коэффициента интегрального рассеяния лазерного излучения по поверхности зеркал, входящих в состав лазерных гироскопов.
Известны устройства, в которых производится оценка качества зеркал на основе измерения рассеянного излучения.
Одно из таких устройств [RU 2474796, CI, G01J 3/44, 10.02.2013] содержит оптически связанные лазер и расположенные последовательно вдоль главной оптической оси эллиптическое зеркало, объектив и спектрометр, а также сферическое зеркало с радиусом, равным удвоенному фокальному радиусу эллиптического зеркала, и фокусирующую линзу, причем сферическое зеркало выполнено с отверстием в центре и установлено на главной оптической оси так, что его центр кривизны совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, их зеркальные поверхности повернуты друг к другу, а его центр совпадает со вторым фокусом эллиптического зеркала, фокусирующая линза установлена снаружи эллиптического зеркала на оптической оси лазера, ортогональной главной оптической оси, и ее фокус совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, которое выполнено с двумя отверстиями, расположенными в точках пересечения поверхности зеркала с оптической осью лазера, при этом их диаметр совпадает с диаметром лазерного луча.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности.
Известны также устройства, обеспечивающие косвенные способы оценки качества зеркал лазерных гироскопов (ЛГ), которые позволяют производить измерение коэффициента интегрального рассеяния (КИР).
Например, известно устройство [Попов В.Д. Лекция 1. Рассеяние света и его контроль. - URL: http://pvd2.narod.ru/publ/lec/lectl.html], содержащее интегрирующую сферу (Ulbricht sphere), в отверстии которой установлено измеряемое зеркало, на поверхность которого по оптическому каналу, выполненному в виде последовательно установленных поляризатора, линзы, оптического модулятора и диафрагмы, обеспечивается попадание излучения зондирующего лазера, а также датчик рассеянного излучения, выполненный в виде фотоприемника, чувствительный элемент которого находится внутри интегрирующей сферы.
В этом устройстве напряжение на выходе фотоприемника оказывается пропорциональным части излучения, диффузно рассеянного при отражении луча зондирующего лазера от поверхности объекта измерения.
Недостатком технического решения является относительно низкие качество и точность измерений, обусловленные, в частности, отсутствием средств автоматизации измерений, обеспечивающим подачи излучения на выбранные участки зеркала. Результатами является одно усредненное по всей поверхности зеркала значение коэффициента интегрального рассеяния.
Кроме того, известно устройство для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности зеркала [Hyun-Ju Cbo, Jae-Cheul Lee, and Saiig-Hyun Lee Design and Development of an Ultralow Optical Loss Mirror Coating for Zerodur Substrate. Journal of the Optical Society of Korea Vol. 16, No. 1, March 2012. pp. 80-84], содержащее зондирующий лазер, оптический канал, выполненный в виде последовательно установленных диафрагмы, поляризатора, оптико-механического прерывателя, поворотного зеркала и входной диафрагмы, интегрирующую полусферу, в которой установлено измеряемое зеркало, закрепленное на управляемом моторизованном позиционере, синхронный детектор, фотоприемник рассеянного излучения, чувствительный элемент которого находится в основании полусферы, блок управления моторизованным позиционером и обработки данных, выполненный в виде компьютера, при этом зондирующее излучение поступает через входную диафрагму и входное отверстие полусферы на измеряемое зеркало под углом 45° к его поверхности, а выходное отверстие выполнено с возможностью вывода из интегрирующей полусферы отраженного от измеряемого зеркала излучения зондирующего лазера, а выход фотоприемника рассеянного излучения и электрический выход оптико-механического прерывателя соединены с сигнальным и опорным входами синхронного детектора, выход которого соединен со входом измерительных данных блока управления моторизованным позиционером и обработки данных, выход которого соединен со входом управления моторизованного позиционера.
Устройство обеспечивает оценку шероховатости на основе известных методик, связывающих коэффициент интегрального рассеяния с шероховатостью поверхностей, слабо рассеивающих свет [Ароновиц Ф. Лазерный гироскоп. В кн.: Применения лазеров / пер. с англ. под ред. В.П. Тычинского. / в книге «Применение лазеров». - М.; Мир, 1976. - С. 181-269; Dandan Liu, Huasong Liu, Yiqin Ji, Fuhao Jiang and Deing Analysis of the magnitude and distribution of low loss thin film. Chinese Optics Letters. 2010. April 30. Vol. 4 Supplement, pp. 105-107; Mazule L., Liukaityte S., Eckardt R.C, Melninkaitis A., Balachninaite O. and Siratkaitis V. A system for measuring surface roughness by total integrated scattering. J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011). pp. 1-9].
Недостатком этого устройство является относительно низкая точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности зеркал [RU 166499, U1, G01C 19/02, G01M 11/00, 27.11.2016], содержащее зондирующий лазер, на оптической оси которого установлены поляризатор, оптико-механический прерыватель, диафрагма, поворотное зеркало и входная диафрагма, интегратор рассеянного излучения, выполненный в виде интегрирующей полусферы, в которой установлено измеряемое зеркало, закрепленное на управляемом моторизованном позиционере, синхронный детектор, фотоприемник рассеянного излучения, чувствительный элемент которого находится в основании интегрирующей полусферы, блок управления моторизованным позиционером и обработки данных, фокусирующая линза, установленная на оптической оси зондирующего лазера между поворотным зеркалом и входной диафрагмой, светоделительная пластина, установленная между оптико-механическим прерывателем и диафрагмой, и фотоприемник отраженного излучения, при этом интегрирующая полусфера снабжена входным отверстием, выполненным с возможностью подачи излучения зондирующего лазера, отраженного от поворотного зеркала, через входную диафрагму на измеряемое зеркало под углом 45° к его поверхности, и выходным отверстием, выполненным с возможностью вывода из интегрирующей полусферы отраженного от измеряемого зеркала излучения зондирующего лазера, выход фотоприемника рассеянного излучения соединен с сигнальным входом синхронного детектора, выход которого соединен со входом измерительных данных блока управления моторизованным позиционером и обработки данных, выход которого соединен со входом управления моторизованного позиционера, излучение с отражающего выхода светоделительной пластины попадает на вход фотоприемника отраженного излучения, выход которого подключен к входу опорного сигнала синхронного детектора и к входу контроля мощности блока управления моторизованным позиционером и обработки данных с возможностью определения результатов измерений коэффициента интегрального рассеяния света на поверхности измеряемого зеркала с учетом текущего значения мощности зондирующего лазера, а зондирующий лазер выбран одномодовым и с малыми размерами резонатора.
Особенностью наиболее близкого технического решения является то, что между светоделительной пластиной и диафрагмой установлен оптический фильтр, обеспечивающий ослабление и/или регулировку уровня излучения задающего лазера, подаваемого на измеряемое зеркало во время калибровки, а интегрирующая полусфера снабжена веб-камерой, установленной с возможностью наведения и слежения за положением луча задающего лазера на поверхности измеряемого зеркала.
Недостатками наиболее близкого технического решения являются относительно низкие точность и качество измерений. В частности, в известном устройстве используется интегрирующая полусфера, что снижает точность и качество измерений по отношению, например, относительно использования более полных сфер. Кроме того, в этом устройстве не обеспечивается плавная юстировка фокусирующей линзы, что снижает точность выбора исследуемой области на поверхности образца, и не обеспечивается вращение образца в процессе измерений для обеспечения перемещения зоны воздействия луча при неизменном угле падения. В наиболее близком техническом решении не обеспечивается и поглощение отраженного от образца излучения, что снижает точность и качество измерений из-за возможного отрицательного влияния обратной засветки полусферы.
Задача, которая решается в полезной модели, заключается в разработке устройства, обладающего более высокой точностью и качеством измерений.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности и качества измерений.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор рассеянного излучения, в котором установлено измеряемое зеркало, закрепленное на управляемом позиционере, последовательно установленные на одной оптической оси и обеспечивающие падение оптического излучения на измеряемое зеркало под углом 45° одномодовый лазер, фазовращатель, первое поворотное зеркало, оптический фильтр, импульсный модулятор, второе поворотное зеркало, фокусирующую линзу и входную диафрагму, размещенную у входного отверстия интегратора рассеянного излучения, а также фотоприемник рассеянного излучения, чувствительный элемент которого находится на границе интегратора рассеянного излучения, выполненное с выходным отверстием, обеспечивающим выход отраженного под углом 45° от измеряемого зеркала оптического излучения одномодового лазера, и блок обработки данных, вход которого соединен с выходом фотоприемника рассеянного излучения, согласно полезной модели введены поглотитель отраженного излучения, выходная диафрагма, установленная у выходного отверстия интегратора рассеянного излучения и оптически связанного с поглотителем отраженного излучения, формирователь пучка излучения, установленный на оптической оси между вторым поворотным зеркалом и фокусирующей линзой, которая установлена на механическом блоке юстировки, выполненным с возможностью плавной юстировки в плоскости, перпендикулярной оптической оси, при этом интегратор рассеянного излучения выполнен в виде светомерной сферы, а управляемый позиционер выполнен в виде сканера вращения, обеспечивающего перемещение зоны воздействия излучения одномодового лазера на измеряемое зеркало при неизменном угле падения излучения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, формирователь пучка излучения, установленный на оптической оси между вторым поворотным зеркалом и фокусирующей линзой, выполнен в виде одинаковых первой и второй линз формирователя пучка излучения, установленных друг от друга на двойном фокусном расстоянии, а в области перетяжки пучка лазерного излучения установлена диафрагма формирователь пучка излучения, обеспечивающая ограничение гауссового пучка, создавая преграду рассеянному лазерному и фоновому излучению в направлении светомерной сферы.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения коэффициента интегрального рассеяния по поверхности зеркал совместно с измеряемым зеркалом.
На чертеже обозначены:
1 - одномодовый лазер;
2 - светомерная сфера;
3 - измеряемое зеркало (исследуемый образец);
4 - первое поворотное зеркало;
5 - второе поворотное зеркало;
6 - фазовращатель;
7 - оптический фильтр;
8 - импульсный модулятор;
9 - формирователь пучка;
10 - первая линза формирователя пучка излучения;
11 - вторая линза формирователя пучка излучения;
12 - диафрагма формирователя пучка излучения;
13 - входная диафрагма, установленная у входного отверстия светомерной сферы;
14 - выходная диафрагма, установленная у выходного отверстия светомерной сферы;
15 - фокусирующая линза;
16 - механический блок юстировки, выполненным с возможностью плавной юстировки фокусирующей линзы;
17 - сканер вращения, обеспечивающий перемещение зоны воздействия излучения одномодового лазера на измеряемое зеркало при неизменном угле падения излучения;
18 - поглотитель отраженного излучения;
19 - приемник рассеянного излучения;
20 - блок обработки данных.
Устройство измерения коэффициента интегрального рассеяния по поверхности зеркал совместно с измеряемым зеркалом, представленное на чертеже, содержит интегратор рассеянного излучения, выполненный в виде светомерной сферы 2, в котором установлено измеряемое зеркало 3, закрепленное на управляемом позиционере, выполненным в виде сканера вращения 17.
Кроме того, устройство содержит последовательно установленные на одной оптической оси и обеспечивающие падение оптического излучения на измеряемое зеркало под углом 45° одномодовый лазер 1, фазовращатель 6, первое поворотное зеркало 4, оптический фильтр 7, импульсный модулятор 8, второе поворотное зеркало 5, фокусирующую линзу 15 и входную диафрагму 13, размещенную у входного отверстия светомерной сферы 2.
Устройство содержит также фотоприемник 19 рассеянного излучения, чувствительный элемент которого находится на границе светомерной сферы 2, выполненной с выходным отверстием, обеспечивающим выход отраженного под углом 45° от измеряемого зеркала 3 оптического излучения одномодового лазера.
Помимо вышеуказанного устройство содержит блок 20 обработки данных, вход которого соединен с выходом фотоприемника 19 рассеянного излучения, а также поглотитель 18 отраженного излучения и выходную диафрагму 4, установленную у выходного отверстия светомерной сферы 2 и оптически связанную с поглотителем 18 отраженного излучения.
В устройстве имеется также формирователь 9 пучка излучения, установленный на оптической оси между вторым поворотным зеркалом 5 и фокусирующей линзой 15, которая установлена на механическом блоке юстировки 16, выполненным с возможностью плавной юстировки в плоскости, перпендикулярной оптической оси, причем формирователь 9 пучка излучения выполнен в виде одинаковых первой 10 и второй 11 линз формирователя пучка излучения, установленных друг от друга на двойном фокусном расстоянии, а в области перетяжки пучка лазерного излучения установлена диафрагма 12 формирователь пучка излучения, обеспечивающая ограничение гауссового пучка, создавая преграду рассеянному лазерному и фоновому излучению в направлении светомерной сферы.
Все элементы устройства являются стандартными элементами оптической техники и электроники и примеры их конструктивного выполнения представлены ниже при описании работы устройства.
Работает устройство для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности зеркал следующим образом.
Рассмотрим частный пример использования в устройстве элементов с конкретными характеристиками.
Одномодовый лазер 1 He-Ne мощностью 15 мВт и линейной поляризацией служит источником излучения с длиной волны 633 нм, которая направляется в светомерную сферу 2 с измеряемым зеркалом 3. По ходу следования лазерного луча установлены фазовращатель 6 (полуволновая пластина кристаллического кварца), оптический фильтр 7 (из набора нейтральных светофильтров с паспортизованными значениями коэффициентов пропускания), выполняющий роль ослабителя, и импульсный модулятор 8. Кроме того, на пути оптического луча установлении формирователь 9 пучка, содержащий конфокальные линзы 10 и 11 и в области перетяжки которых расположена диафрагма 12 диаметром 200 мкм, которая ограничивает гауссовый пучок, создавая преграду рассеянному лазерному и фоновому излучению в направлении к измеряемому зеркалу. Дополнительная защита от нежелательной засветки обеспечивается входной диафрагмой 13 и выходной диафрагмой 14 непосредственно на входе и выходе лазерного луча светомерной сферы 2.
Для фокусировки излучения на измеряемое зеркало служит фокусирующая линза 15. Диаметр лазерного пучка в зоне воздействия на измеряемое зеркало составляет 0,6 мм. Фокусирующая линза 15 закреплена на механическом устройстве 16, обеспечивающем ее плавную юстировку в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Тем самым достигается выбор исследуемой области на поверхности образа с точностью 0,05 мм.
Измеряемое зеркало 3, как исследуемый образец, устанавливается под углом 45° к лучу лазерного излучения. Держатель образца сопряжен с со сканером 17 вращения, обеспечивающим его вращение во время измерений. Поглотитель 18 представляет собой пластину из темного стекла, расположение которой по отношению к падающему лучу выбирается с учетом минимизации световых помех от отраженного ее поверхностью излучения. Используется пластина с высоким качеством полировки поверхности, поскольку при регистрации обратного рассеяния область воздействия лазерного пучка на поглотитель оказывается в зоне видимости приемника 19 рассеянного излучения.
Абсолютная величина обратного рассеяния лазерного излучения регистрируется приемником 19 рассеянного излучения, который может быть выполнен в виде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) Н10493-011 фирмы Hamamatsu. Блок 20 обработки данных может быть выполнен в виде микрокомпьютера, на котором установлена специальная программа по анализу и презентации экспериментальных данных.
Формирователь пучка 9 излучения, установленный на оптической оси между вторым поворотным зеркалом и фокусирующей линзой, создавая преграду рассеянному лазерному и фоновому излучению в направлении светомерной сферы, улучшает характеристики предложенного устройства относительно прототипа. Устройство оказывается практически нечувствительной к внешней засветке и допускает эксплуатацию в помещении при уровнях освещенности до 250 лк.
k
При калибровке под воздействием лазерного излучения с интенсивностью I при общем коэффициенте пропускания оптического фильтра 7 (ослабителя) τ регистрируется сигнал от контрольного образца с известным коэффициентом рассеяния k (доли от падающего излучения)
к
к
k
U=α⋅I⋅τ k.
Здесь коэффициент τ удобно выражать в ppm (1 ppm=10-6). Аналогично сигнал, регистрируемый при измерениях коэффициента рассеяния исследуемого образца величиной k, может быть представлен как
и
и
U=α⋅I⋅k.
к
и
В обоих случаях α и α - коэффициенты пропорциональности, величины которых определяются напряжениями, приложенными к модулю ФЭУ, и учитываются в компьютерной программе обработки результатов.
Соответственно, значение обратного рассеяния излучения (в единицах ppm) для исследуемого образца может быть найдено по формуле:
и
к
к
и
k
k=(U/U)⋅(α/α)⋅τ⋅k.
Широкий диапазон калибровок по уровню интенсивности лазерного излучения (9 порядков) обеспечивается разными установками оптического фильтра 7 (ослабителя), состоящего из 8 аттестованных светофильтров. Для уменьшения погрешности и повышения достоверности измерений в установке используется сопоставление массивов данных последовательностей сигналов, получаемых при разных коэффициентах усиления ФЭУ при плавном увеличении управляющего напряжения.
Таким образом, благодаря введению формирователя 9 пучка излучения, установленного на оптической оси между вторым поворотным зеркалом 5 и фокусирующей линзой 15, которая установлена на механическом блоке юстировки, выполненным с возможностью плавной юстировки в плоскости, перпендикулярной оптической оси, использованием светомерной сферы 2 и сканера 17 вращения, обеспечивающего перемещение зоны воздействия излучения одномодового лазера на измеряемое зеркало при неизменном угле падения излучения, поглотителя 18 отраженного излучения, выходной диафрагмы 14, установленной у выходного отверстия светомерной сферы 2 и оптически связанный с поглотителем отраженного излучения, повышается точность и качество измерений, что позволяет обеспечить достижение требуемого технического результата.