Устройство для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована, преимущественно, для фотометрического контроля обратного рассеяния интерференционных зеркал 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, не позволяющие контролировать обратное рассеяние.
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. Это снижает точность и качество контроля.
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 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, оптоэлектронный блок в виде интегратора рассеянного излучения, выполненного 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, причем, 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.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что оно предназначено для измерения интегрального рассеяния, но не позволяет проводить измерения такой важной характеристики, как обратное рассеяние в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов. Это сужает арсенал технических средств, предназначенных для измерений обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов.
Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего измерение обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов, и обеспечивающего, на этой основе расширение арсенала технических средств, предназначенных для этих целей.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, предназначенных для измерений обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов, с одновременным повышением точности, достоверности и качества измерений.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее оптоэлектронный блок, в котором установлено измеряемое зеркало, закрепленное на моторизованном позиционере, выполненным с возможностью управления сигналом от блока обработки данных и управления моторизованным позиционером в виде сканера вращения, обеспечивающего перемещение зоны воздействия излучения одномодового лазера на измеряемое зеркало при неизменном угле падения излучения, установленные последовательно на одной оптической оси и обеспечивающие падение оптического излучения на измеряемое зеркало под углом 45° от одномодового лазера первое поворотное зеркало, оптический фильтр, второе поворотное зеркало, первую линзу, первую диафрагму, вторую линзу, третью линзу и вторую диафрагму, размещенную у входа подачи излучения одномодового лазера в оптоэлектронный блок, а также фотоприемник рассеянного излучения, поглотитель отраженного излучения, третью диафрагму, установленную на выходе отраженного излучения оптоэлектронного блока и оптически связанная с поглотителем отраженного излучения, согласно полезной модели, введены электромеханический прерыватель, установленный перед первым поворотным зеркалом и выполненный с возможностью подачи на его вход излучения одномодового лазера, последовательно установленные в оптоэлектронном блоке на одной оптической оси поворотное зеркало для обратного рассеяния, выполненное с центральным отверстием с возможностью подачи через него оптического излучения одномодового лазера от второй диафрагмы, и четвертую диафрагму, выполненную с возможностью подачи излучения одномодового лазера на измеряемое зеркало, светоделительная пластина, установленная за пятой диафрагмой на оптической оси отраженного излучения от поворотного зеркала на выходе оптоэлектронного блока, выполненная с возможностью одновременной подачи отраженного излучения в фотоприемник и цифровую видеокамеру блока обработки данных.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, оптоэлектронный блок содержит калибровочное зеркало, устанавливаемое при калибровке с помощью моторизованного позиционера между поворотным зеркалом для обратного рассеяния и четвертой диафрагмой с возможностью подачи через аттестованный фильтр калиброванной доли лазерного излучения для анализа в блок обработки данных и управления моторизованным позиционером.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов совместно с измеряемым зеркалом, одномодовым лазером и блоком обработки данных и управления моторизованным позиционером;
на фиг. 2 - поле зрения цифровой видеокамеры блока обработки данных до (а) и после (б) юстировки положения третей, четвертой и пятой диафрагм (окружностью выделена зона полезного сигнала обратного рассеяния от измеряемого зеркала 11);
на фиг. 3 - диаграмма обратного рассеяния лазерного излучения в интерференционных зеркалах TiO2/SiO2, регистрируемая при вращении измеряемого зеркала (исследуемого образца).
На фиг. 1 обозначены:
1 - одномодовый (например He-Ne) лазер, 2 - электро-механический прерыватель, 3 - первое поворотное зеркало, 4 - оптический фильтр (ослабитель оптического излучения), 5 - второе поворотное зеркало, 6 - первая линза, 7 - первая диафрагма, 8 - вторая линза, 9 - третья линза, 10 - поворотное зеркало для обратного рассеяния, 11 - измеряемое зеркало, 12 - моторизованный позиционер, 13 - цифровая видеокамера блока обработки данных, 14 - светоделительная пластина, 15 - фотоприемник рассеянного излучения блока обработки данных, 16 - пятая диафрагма, 17 - третья диафрагма, 18 - вторая диафрагма, 19 - четвертая диафрагма, 20 - поглотитель отраженного излучения, 21 - калибровочное зеркало, 22 - оптоэлектронный блок, 23 - микроконтроллер блока обработки данных и управления моторизованным позиционером, 24 - компьютер блока обработки данных и управления моторизованным позиционером.
Устройство для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов содержит оптоэлектронный блок 22, в котором установлено измеряемое зеркало 11, закрепленное на моторизованном позиционере 12, выполненным с возможностью управления сигналом от блока обработки данных и управления моторизованным позиционером, содержащем микроконтроллер 23 блока обработки данных и управления моторизованным позиционером и компьютер 24 блока обработки данных и управления моторизованным позиционером.
Кроме того, в устройстве для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов моторизованный позиционер выполнен в виде сканера вращения, обеспечивающего перемещение зоны воздействия излучения одномодового лазера на измеряемое зеркало при неизменном угле падения излучения.
Кроме того, в устройстве для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов третья линза закреплена на механической подставке, обеспечивающей ее плавную юстировку в плоскости, перпендикулярной оптической оси.
Устройство для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов содержит также установленные последовательно на одной оптической оси и обеспечивающие падение оптического излучения на измеряемое зеркало 11 под углом 45° от одномодового лазера первое поворотное зеркало 3, оптический фильтр 4, второе поворотное зеркало 5, первую линзу 6, первую диафрагму 7, вторую линзу 8, третью линзу 9 и вторую диафрагму 18, размещенную у входа подачи излучения одномодового лазера в оптоэлектронный блок 22.
Помимо указанного выше, устройство для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов содержит фотоприемник 15 рассеянного излучения, поглотитель 20 отраженного излучения, третью диафрагму 17, установленную на выходе отраженного излучения оптоэлектронного блока 22 и оптически связанная с поглотителем 20 отраженного излучения.
Устройство для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов содержит также электромеханический прерыватель 2, установленный перед первым поворотным зеркалом 3 и выполненный с возможностью подачи на его вход излучения одномодового лазера 1, и последовательно установленные в оптоэлектронном блоке 22 на одной оптической оси поворотное зеркало 10 для обратного рассеяния, выполненное с центральным отверстием для обеспечения возможности подачи через него оптического излучения одномодового лазера от второй диафрагмы 8, и четвертую диафрагму 19, выполненную с возможностью подачи излучения одномодового лазера на измеряемое зеркало 11.
Кроме того, устройство для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов имеет в своем составе последовательно установленные на одной оптической оси пятую диафрагма 16, установленную на выходе отраженного от поворотного зеркала 10 для обратного рассеяния, светоделительную пластину 14, выполненную с возможностью одновременной подачи отраженного излучения в фотоприемник 15 и цифровую видеокамеру 13 блока обработки данных.
Устройство для измерения обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов используется следующим образом.
Для определенности рассмотрим частный случай, когда устройство используется для исследований характеристик лазерных зеркал на подложках из плавленого кварца, оптического ситалла марки СО-115М или стеклокерамик Clearceram и Zerodur диаметром 30 мм и толщиной 4 мм.
Одномодовый He-Ne лазер 1 мощностью 15 мВт служит источником оптического излучения с длиной волны 633 нм, которое направляется в оптоэлектронный блок 22 с измеряемым зеркалом 11 (исследуемым образцом) посредством зеркал первого 3 и второго 5 поворотных зеркал. По ходу следования лазерного луча установлены электромеханический прерыватель 2 и оптический фильтр 4 (ослабитель оптического излучения).
Первая 6 и вторая 8 линзы, являющимися конфокальными, образуют формирователь пучка лазерного излучения. В области перетяжки расположена первая диафрагма 7 диаметром 200 мкм, которая ограничивает гауссовый пучок, создавая преграду рассеянному лазерному и фоновому излучению в направлении измеряемого зеркала 11. Дополнительная защита от нежелательной засветки обеспечивается второй 18 и четвертой 19 диафрагмами непосредственно на входе и выходе лазерного луча.
Для фокусировки излучения на измеряемое зеркало 11 (исследуемый образец) служит третья линза 9. Диаметр лазерного пучка в зоне воздействия на измеряемое зеркало 11 составляет 0,6 мм. Третья линза 9 закреплена на механической подставке, обеспечивающей ее плавную юстировку в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Тем самым достигается выбор исследуемой области на поверхности образа с точностью 0,05 мм.
На пути следования лазерного пучка расположено зеркало 10 с центральным отверстием с диаметром около 2 мм. Зеркало расположено под углом 45° таким образом, что отражает обратное рассеяние от исследуемого зеркала 11 через пятую диафрагму 16 на светоделительную пластину 14, выполненную с возможностью подачи отраженного излучения в цифровую видеокамеру 13 и фотоприемник 15 рассеянного излучения.
Измеряемое зеркало (исследуемый образец) 11 устанавливается под углом 45° к лучу лазерного излучения. Моторизованный позиционер 12 обеспечивает вращение измеряемого зеркала 11 во время измерений. Поглотитель 20 отраженного излучения 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. Качество юстировки устройства является важным фактором устранения помех посторонних источников света для обеспечения достоверности и точности измерений. Решение этой задачи обеспечивается настройкой положения пятой 16 и третьей 17 диафрагм и полупрозрачного зеркала 10. Индикатором достигнутого результата при этом служит картина, регистрируемая цифровой видеокамерой 13 (фиг. 2).
Абсолютная величина обратного рассеяния лазерного излучения регистрируется фотоприемником 15 рассеянного излучения, выполненного, например, в виде фотоэлектронного умножителя H10493-011 фирмы Hamamatsu, управление которым и обработка выходного сигнала которого производится микроконтроллером 23 блока обработки данных и управления моторизованным позиционером, сопряженным с компьютером 24 блока обработки данных и управления моторизованным позиционером.
-3
Геометрические параметры оптической схемы устройства обеспечивают регистрацию обратного рассеяния в телесном угле Δ=0,6⋅10 стерадиан. Устройство оказывается нечувствительной к внешней засветке и допускает эксплуатацию в помещении при уровнях освещенности до 250 лк.
Проведение измерений на установке предусмотрено в автоматическом режиме по специальной программе, от которой оператору поступают запросы по выбору формата анализа или типа презентации данных.
Первоначальной процедурой является калибровка метрологической установки, которая предусматривает регистрацию отклика измерительной системы при воздействии дозированного уровня лазерного излучения. Это реализуется с использованием калибровочного зеркала 21. Оно устанавливается по ходу оптического излучения таким образом, чтобы направить ослабленное оптическим фильтром (ослабителем оптического излучения) 4 оптическое излучение напрямую в фотоприемник 15.
к
к
-6
При калибровке под воздействием оптического излучения с интенсивностью I при общем коэффициенте пропускания ослабителя τ регистрируется сигнал U=α⋅I⋅τ, где τ удобно выражать в ppm (1=10).
и
и
Аналогично сигнал, регистрируемый при измерениях обратного рассеяния величиной k (доли от падающего излучения), может быть представлен как U=α⋅I⋅k.
к
и
В обоих случаях α и α - коэффициенты пропорциональности, величины которых определяются напряжениями, приложенными к фотоприемнику 15.
и
к
к
и
Соответственно, значение обратного рассеяния излучения (в единицах ppm) для исследуемого образца может быть найдено по формуле: k=(U/U)⋅(α/α)⋅τ.
Широкий диапазон калибровок по уровню интенсивности оптического излучения (до 9 порядков) обеспечивается разными установками оптического ослабителя, состоящего, в частности, из 8 светофильтров.
Использование предложенного устройства для контроля величины обратного рассеяния и выработки рекомендаций по оптимальной ориентации зеркала способствует повышению качества сборки кольцевых лазеров, достижению более высоких параметров приборов при сравнимых характеристиках используемых оптических элементов. Высокая степень автоматизации, компьютерное управления процессами измерений обеспечивают высокую производительность установки, делают удобным ее использование в условиях массового производства датчиков лазерных гироскопов.
Таким образом, предложенное устройство позволяет достичь требуемый технический результат, который заключается в расширении арсенала технических средств, предназначенных для измерений обратного рассеяния в интерференционных зеркалах датчиков лазерных гироскопов и повышении точности, достоверности и качества измерений.