УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИНТЕГРАЛЬНОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА ПО ПОВЕРХНОСТИ ЗЕРКАЛ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности зеркал, входящих в состав лазерного гироскопа.
Обратное рассеяние света на зеркалах является одним из основных источников погрешностей лазерного гироскопа. Для обнаружения крупных дефектов поверхности могут применяться оптические микроскопы. Если же отношение размера неоднородностей к длине волны σ/λ<<1, то требуется использование специальных методов. В настоящее время существует несколько прямых методов измерения величины шероховатости подложек и зеркал. К ним в первую очередь относятся атомно-силовая микроскопия (atomic force microscopy) и фазо-сдвиговая интерферометрия (phase shift interferometry).
Эти методы реализуются при помощи сложной и дорогостоящей аппаратуры, характеризующейся зачастую различными размерами исследуемой поверхности и разрешающей способностью, что порождает проблему совместимости результатов измерений.
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 известного 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.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности измеряемого 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. l, 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 наиболее близкого технического решения является относительно низкие точность и качество измерений. Согласно описанию, диаметр пятна луча лазера превышает 1 мм, что снижает разрешающую способность измерения распределения КИР. Не предусмотрена возможность регулировки уровня оптического излучения, подаваемого в полусферу во время калибровки, что может привести к нарушению работы фотоприемника рассеянного излучения. Также отсутствует учет текущей мощности зондирующего лазера во время измерений, что требует обеспечения или очень высокой стабильности его работы в процессе измерения КИР по поверхности измеряемого зеркала или непрерывного контроля в ручном режиме мощности излучения зондирующего лазера и внесения поправок в результаты измерений с учетом текущих изменений мощности.
Кроме того, в устройстве-прототипе не предусмотрен визуальный контроль (наблюдение) за ходом измерений и, соответственно, оперативная возможность наведения луча лазера в центр или иную область измеряемого зеркала для более детального или повторного исследования.
Задача, которая решается в предложенном устройстве, направлена на повышение точности и качества измерений.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности и качества измерений.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее зондирующий лазер, на оптической оси которого установлены поляризатор, оптико-механический прерыватель, диафрагма, поворотное зеркало и входная диафрагма, интегрирующую полусферу, 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, 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, а 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, согласно полезной модели, введены 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, причем 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.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, между светоделительной платиной и диафрагмой установлен оптический фильтр, обеспечивающий ослабление и/или регулировку уровня излучения задающего лазера, подаваемого в полусферу во время калибровки.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что интегрирующая полусфера снабжена веб-камерой, установленной с возможностью наведения и слежения за положением луча задающего лазера на поверхности измеряемого зеркала.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности зеркал совместно с измеряемым зеркалом.
На чертеже обозначены:
1 - интегрирующая полусфера;
2 - измеряемое зеркало;
3 - зондирующий лазер;
4 - фотоприемник рассеянного излучения;
5 - синхронный детектор;
6 - блок управления моторизованным позиционером и обработки данных;
7 - моторизованный позиционер;
8 - поляризатор;
9 - оптико-механический прерыватель;
10 - диафрагма;
11 - поворотное зеркало;
12 - фокусирующая линза;
13 - входная диафрагма;
14 - светоделительная платина;
15 - фотоприемник отраженного излучения;
16 - оптический фильтр;
17 - веб-камера;
18 - входное отверстие интегрирующей полусферы;
19 - выходное отверстие интегрирующей полусферы.
Устройства для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности зеркал совместно с измеряемым зеркалом, представленное на чертеже, содержит зондирующий лазер 3, на оптической оси которого последовательно установлены поляризатор 8, оптико-механический прерыватель 9, светоделительная пластина 14, оптический фильтр 16, диафрагма 10, поворотное зеркало 11, фокусирующая линза 12 и входная диафрагма 13.
Кроме того, устройство содержит интегрирующую полусферу 1, в которой установлено измеряемое зеркало 2, закрепленное на управляемом моторизованном позиционере 7, синхронный детектор 5, фотоприемник 15 рассеянного излучения, чувствительный элемент которого находится в основании интегрирующей полусферы 1, блок 6 управления моторизованным позиционером и обработки данных, а также фотоприемник 4 отраженного излучения зондирующего лазера, выполненный с возможностью подачи на его чувствительный элемент излучения зондирующего лазера 3 с отражающего выхода светоделительной пластины 14.
В предложенном устройстве интегрирующая полусфера 1 снабжена входным отверстием 18, выполненным с возможностью подачи излучения зондирующего лазера 3, отраженного от поворотного зеркала 11, через фокусирующую линзу 12 и входную диафрагму 3 на измеряемое зеркало 2 под углом 45° к его поверхности, и выходным отверстием, выполненным с возможностью вывода из интегрирующей полусферы 1 отраженного от измеряемого зеркала 2 излучения зондирующего лазера 3.
Выбор в качестве зондирующего одномодового He-Ne лазера с малыми размерами резонатора (например, L=30 см) и установка линзы, фокусирующей пучок излучения на поверхности зеркала, обеспечивают уменьшение диаметра пучка в 4-10 раз и повышение разрешающей способности устройства при измерении распределения КИР.
Дополнительно к отмеченному выше, выходы фотоприемника 4 рассеянного излучения и фотоприемника 15 отраженного излучения зондирующего лазера 3 соединены с соответственно с сигнальным и опорным входами синхронного детектора 5, выход которого соединен со входом измерительных данных блока 6 управления моторизованным позиционером и обработки данных, выход которого соединен со входом управления моторизованного позиционера 7.
Помимо этого, выход фотоприемника 15 рассеянного излучения соединен со входом задания мощности зондирующего лазера блока 6 управления моторизованным позиционером и обработки данных, выполненного с возможностью определения результатов измерений коэффициента интегрального рассеяния света на поверхности измеряемого зеркала 2 с учетом текущего значения мощности зондирующего лазера 3.
Кроме того, в предложенном устройстве оптический фильтр 16, установленный между светоделительной платиной 14 и диафрагмой 10 выполнен с возможностью ослабления или регулировки уровня излучения задающего лазера 3, подаваемого в полусферу 1 во время калибровки, интегрирующая полусфера 1 снабжена веб-камерой 17, установленной с возможностью наведения и слежения за положением луча задающего лазера 3 на поверхности измеряемого зеркала 2, а на оптической оси задающего лазера 3 между поляризатором 8 и светоделительной платиной 14 установлен оптико-механический прерыватель 9.
Все элементы устройства являются стандартными элементами оптической техники и электроники. Функции блока 6 описаны ниже при работе устройства и достаточны для его конструктивного проектирования и управления. Синхронный детектор 5 и фотоприемник 15 отраженного излучения могут быть снабжены на своих выходах аналого-цифровыми преобразователями при выполнении блока 6 с учетом возможности обработки цифровых сигналов. Поляризатор 8 может быть выполнен с возможностью формирования S-, Р- и круговой поляризации излучения зондирующего лазера 3. Блока 6 управления моторизованным позиционером и обработки данных может быть выполнен на основе персонального компьютера, оснащенного стандартными интерфейсами. Для него разрабатывается соответствующее программно-алгоритмическое обеспечение.
Работает устройство для измерения распределения коэффициента интегрального рассеяния света по поверхности зеркал следующим образом.
Обратное рассеяние света на зеркалах является одним из основных источников погрешностей лазерного гироскопа (ЛГ) на основе кольцевого He-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм. В частности, оно вызывает явление захвата частот, которое является основным недостатком ЛГ. Источниками рассеяния света становятся частицы грязи и пыли, царапины и сколы, а также шероховатость поверхности зеркал и подложек. Среднеквадратичная шероховатость поверхности лучших подложек и лазерных зеркал на сегодняшний день составляет менее l, а величина коэффициента интегрального рассеяния (КИР) не превышает 1 ppm.
Для обнаружения крупных дефектов поверхности могут применяться оптические микроскопы. Если же отношение размера неоднородностей к длине волны σ/λ<<1, то требуется использование специальных методов и устройств, например, предложенного устройства.
2
Существенной особенностью зеркала ЛГ является наличие на его поверхности отдельных субмикронного размера точечных дефектов, плотность которых может достигать нескольких штук на мм. В связи с тем, что диаметр лазерного пучка, как правило, превышает 1 мм, измерения интегрального рассеяния света дают усредненное значение КИР и не позволяют более детально анализировать топологию исследуемого зеркала. Для улучшения разрешения оказывается необходимым уменьшение диаметра лазерного луча и введение операции сканирования по поверхности. Результатом измерения здесь становится распределение КИР по поверхности всего зеркала, либо его центральной части, наиболее актуальной при использовании в составе ЛГ.
Центральным элементом установки для контроля неоднородностей рассеяния света на поверхности зеркал является интегрирующая полусфера 1 радиусом 108 мм, в центре которой помещается измеряемое зеркало 2. Измеряемое зеркало 2 устанавливается на двухкоординатном моторизованном позиционере 7, управляемом компьютером 6. Угол падения пучка одномодового зондирующего лазера 3 на поверхность зеркала составляет 45°, он имеет малые размеры резонатора и выходную мощность около 1 мВт. Излучение от зондирующего лазера 3 проходит оптико-механический прерыватель 10, поляризатор 11, построенный на основе призмы Глана, оптический фильтр 16. Благодаря поляризатору 11 измерения КИР могут проводиться для S- и Р-поляризации. Коэффициент ослабления оптического фильтра 16 при измерениях устанавливается малым (например, F=1), поскольку зеркала являются объектами, слабо рассеивающими свет.
Светоделительная пластина 14 обеспечивает попадание части амплитудно-модулированного излучения на вход фотоприемника 15 отраженного излучения зондирующего лазера, предназначенного для контроля мощности зондирующего лазера 3. При этом выходное напряжение фотоприемника 15 отраженного излучения зондирующего лазера используется в качестве опорного сигнала для синхронного детектора 5. Другая основная часть излучения, проходящая через светоделительную пластину 14, через оптический фильтр 16 и диафрагму 10, отражается от поворотного зеркала 11 и поступает через линзу 12 и входную диафрагму 13 в интегрирующую полусферу 1 через входное отверстие 18 и фокусируется на поверхности измеряемого зеркала 2. Благодаря выбору указанных выше характеристик зондирующего лазера 3 и использованию линзы 12 и входной диафрагмы 13 диаметр пучка на поверхности зеркала уменьшается до величины d=0,20-0,25 мм, что улучшает разрешающую способность устройства при измерении распределения коэффициента КИР и повышает точность и качество измерений.
Направленное излучение, отраженное от измеряемое зеркала 2, выходит из интегрирующей полусферы 1 через выходное отверстие 19 интегрирующей полусферы и поглощается. При калибровке на моторизованный позиционер 7 вместо зеркала устанавливается светорассеивающий эталон с известным коэффициентом интегрального рассеяния и с аналогичными измеряемому зеркалу 2 формой и габаритными размерами. Светорассеивающие эталоны являются объектами, сильно рассеивающими свет (например, S=0,8), что приводит к необходимости значительного увеличения коэффициента ослабления оптического фильтра 16.
s
p
s
p
Выходное напряжение фотоприемника 4 рассеянного излучения U поступает в синхронный детектор 5, в котором выходное напряжение фотоприемника 15 отраженного излучения U используется в качестве опорного сигнала, обеспечивает выделение полезного сигнала в составе шумов высокого уровня. Сигнал U является основным сигналом устройства, по которому судят об интенсивности интегрального рассеяния света на поверхности измеряемого зеркала лазерного гироскопа. Выходное напряжение U фотоприемника 15 также позволяет учитывать текущую мощность зондирующего лазера 3 при проведении обработки данных в компьютере 6, что повышает точность измерений.
Положение центра рабочей зоны зондирующего лазера 3 относительно лазерного пучка контролируется при помощи веб-камеры 17, установленной на интегрирующей полусфере 1. При таком способе контроля неопределенность положения центра зеркала не превышает 0,1-0,2 мм.
Во время измерений двухкоординатный моторизованный позиционер 7 автоматически перемещает измеряемое зеркало 2 относительно луча зондирующего лазера 3 по определенному закону и с определенным шагом. В каждой точке измерения определяется значение КИР. Законов перемещения в контролируемой зоне может быть предусмотрено несколько. Шаг перемещения моторизованный позиционера 7 берется меньшим или равным диаметру d пятна луча, например,d=0,25 мм.
i
i
В процессе измерений каждой точке измерения ставятся в соответствие координаты (x,y) двухкоординатнго моторизованного позиционера 7 и значение КИР, выраженные в ррт.Эти данные собираются в массивы чисел и сохраняются, при необходимости, в компьютере 6.
PD
SB
PB
B
Перед работой устройства должна быть произведена операция калибровки. Сначала выбирается требуемая поляризация излучения, устанавливается коэффициент ослабления F оптического фильтра 16, не приводящий к перегрузке фотоприемника 4 рассеянного излучения (например, F=100), и светорассеивающий эталон на двухкоординатном моторизованном позиционере 7. При калибровке производятся измерения соответствующих значений сигналов рассеяния и мощности U зондирующего лазера. Затем объект измерения убирается, и определяются уровни фона U и мощности U. Скорректированный по мощности зондирующего лазера 3 уровень фона U, используемый при вычислении результатов измерений, определяется по формуле:
Перед измерениями коэффициент ослабления оптического фильтра 16 устанавливается равным единице. Во время измерения двухкоординатный моторизованный позиционер 7 перемещается автоматически. За положением лазерного луча на поверхности измеряемого зеркала 2 можно наблюдать с помощью веб-камеры 17.
В каждой точке измерения собираются значения сигнала рассеяния  и мощности . КИР вычисляется по формуле
i
D
где i - номер точки измерения, S - измеряемое значение КИР, S - КИР светорассеивающего эталона, F - коэффициент ослабления оптического фильтра во время калибровки,  - скорректированное напряжение сигнала рассеяния от измеряемого зеркала.
Коррекция сигнала рассеяния по мощности зондирующего лазера производится по соотношению:
i
i
i
В процессе измерения формируется двумерный массив данных, представляющий собой распределение КИР по поверхности измеряемого зеркала. Каждую строку массива образуют номер измерения i, координаты хи y моторизованного позиционера и значение S.
По данному массиву определяется среднее значение КИР S основной массы точек и дополнительно оценивается шероховатость σ зеркала:
где λ=632,8 нм - длина волны, α=45° - угол падения луча лазера.
Заключительной операцией в алгоритме становится автоматическое формирование протокола измерений заданного формата и запись учетной и измерительной информации в базу данных для хранения и последующего анализа.
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств, в частности, фокусирующей линзы, установленной на оптической оси зондирующего лазера между поворотным зеркалом и входной диафрагмой, выбор в качестве зондирующего одномодового He-Ne лазера с малым размером резонатора, что приводит к точной фокусировке луча лазера на измеряемом зеркале с меньшим диаметром луча пятна излучения, по крайней мере, в четыре раза по отношению к известному устройству, а также тем, что выход фотоприемника отраженного излучения соединен со входом контроля мощности зондирующего лазера блока управления моторизованным позиционером и обработки данных, и выполнением последнего с возможностью определения результатов измерений коэффициента интегрального рассеяния света на поверхности измеряемого зеркала с автоматическим учетом текущего значения мощности зондирующего лазера, повышается точность и качество измерений, поскольку меньший диаметр излучения позволяет более точно сканировать поверхность измеряемого зеркала и повысить разрешающую способность измерения распределения КИР по поверхности зеркала.
Дополнительное повышение качества и точности измерений достигается тем, что, между светоделительной платиной и диафрагмой установлен оптический фильтр, обеспечивающий ослабление или регулировку уровня излучения задающего лазера, подаваемого на измеряемое зеркало во время калибровки, а также тем, что, интегрирующая полусфера снабжена веб-камерой, установленной с возможностью наведения и слежения за положением луча задающего лазера на поверхности измеряемого зеркала, и тем, что, на оптической оси задающего лазера между поляризатором и светоделительной платиной установлен оптико-механический прерыватель, позволяющий задавать оптимальную модуляцию излучения задающего лазера для работы синхронного детектора с целью снижения влияния шумов на результаты измерений.