СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ ИЛИ ПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF DETERMINING THE REFLECTION OR TRANSMISSION COEFFICIENTS OF OPTICAL PARTS

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптическом приборостроении при контроле качества оптического стекла. Цель изобретения - повышение точности определения коэффициентов отражения и пропускания оптических деталей, характеризующих сходные по своей природе оптические свойства деталей, предполагающие отсутствие оптического возбуждения материала, из которого выполнена деталь, при воздействии на нее излучения оптического диапазона, что позволяет использовать общую схему измерений и объединить определение этих коэффициентов в рамках одного изобретения.
1
2
3
Известен способ определения коэффициентов пропускания оптического объекта, реализованный в устройстве, содержащем источник излучения: оптическую систему, включающую зеркала, линзы, диафрагмы; модулятор; ослабители; приемник излучения; контролируемый объект (Авторское свидетельство №559134, МКИ G01L 1/10, опубликовано 25.05.1977 г., Бюллетень №19). В соответствии со способом приемником излучения регистрируют лоток излучения U, прошедший через контролируемый объект; регистрируют поток излучения U, прошедший через контролируемый объект и первый ослабитель; регистрируют поток излучения U, прошедший через второй ослабитель. Коэффициент пропускания контролируемого образца рассчитывают по формуле:
,
об
1
2
1
2
3
где τ - коэффициент пропускания контролируемого образца; τ - коэффициент пропускания первого ослабителя; τ - коэффициент пропускания второго ослабителя; U - поток излучения, прошедший через контролируемый объект: U - поток излучения, прошедший через контролируемый объект и первый ослабитель; U - поток излучения, прошедший через второй ослабитель.
Недостатки данного способа измерений состоят в том, что при измерении потока излучения (энергии или мощности) не обеспечивается стабильность передаточной функции регистрирующего прибора, в том числе размер измеряемого пучка и его прицельное положение, а это увеличивает погрешность проводимых измерений. Кроме того, не учитывается погрешность, связанная с нестабильностью потока излучения на входе в измерительную схему на всех этапах измерений.
пад
отр
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа является способ измерения коэффициентов отражения деталей, реализованный в устройстве, содержащем источник света (оптический квантовый генератор), уголковый отражатель, образованный парой зеркал, контролируемую деталь и фотоприемник (Авторское свидетельство №411356, МКИ G01N 21/25, опубликовано 15.01.1974 г., Бюллетень №2). В соответствии со способом фотоприемником регистрируют поток излучения I, падающего на зеркала уголкового отражателя в отсутствии контролируемой детали, а затем, при размещении на пути излучения контролируемой детали и изменении положения уголкового отражателя, поток излучения I, претерпевшего двукратное отражение от контролируемой детали с полированной (зеркальной) поверхностью. Коэффициент отражения полированной (зеркальной) поверхности контролируемой детали рассчитывают по формуле:
,
пад
отр
где R - коэффициент отражения полированной (зеркальной) поверхности контролируемой детали; I - поток излучения, падающего на поверхность контролируемой детали; I - поток излучения после двукратного отражения от поверхности контролируемой детали.
Основным недостатком, присущим рассматриваемому способу, является невысокая точность измерений. В частности, не учитывается нестабильность потока излучения на всех этапах измерений и не контролируется стабильность передаточной функции регистрирующего прибора. Кроме того, некорректность в результат измерений вносит тот факт, что измерения выполняют при разных углах падения излучения на контролируемую деталь при первом и втором отражении от нее.
Техническая проблема состоит в том, что существует ряд задач, предъявляющих особые требования к знанию изменения энергии направленного излучения при его распространении с учетом расположенных на пути его распространения оптических деталей.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерений коэффициентов отражения и пропускания оптических деталей.
1
2
1
2
et
1
2
et
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа измерения коэффициентов отражения или пропускания оптических деталей, состоящего из последовательности этапов измерений, где на одном из этапов осуществляют измерения с постановкой контролируемой детали в измерительной схеме, на другом - без нее, в предложенном способе при определении коэффициентов отражения или пропускания оптических деталей обеспечивают: задание и сохранение величины угла падения излучения на контролируемую деталь; измерение мощности излучения Р в первом канале регистрации, осуществляющем измерение мощности излучения, поступающего в схему измерения от источника излучения; измерение мощности излучения Р во втором канале регистрации с учетом потерь из-за двукратного прохождения контролируемой детали; регистрацию Р и Р одновременно и на протяжении интервала времени, достаточного для усреднения случайной составляющей погрешности измерения; равенство мощностей излучения в первом канале регистрации на всех этапах измерений; равенство мощностей излучения во втором канале регистрации на всех этапах измерений за счет применения на этапе без контролируемой детали оптического эталонного элемента с регулируемым коэффициентом пропускания T, управление величиной мощности излучения во втором канале регистрации осуществляется с использованием угловой ориентации этого эталона; сохранение на всех этапах измерений передаточной функции приборов, регистрирующих мощность излучений в первом и втором каналах, за счет сохранения расстояний от источника излучения до приборов и ориентации излучений на приемных площадках приборов; устранение паразитных излучений, минимизацию собственных шумов регистрирующих приборов; для определения коэффициентов отражения или пропускания оптических деталей используют соотношение: , где S - коэффициент отражения или пропускания контролируемой детали;  и  - величины изменения измеряемой мощности излучения на этапах с постановкой контролируемой детали и без нее, соответственно;  и  - значения мощности излучения на этапе с постановкой контролируемой детали в первом и втором каналах регистрации, соответственно; Р и Р - значения мощности излучения на этапе без контролируемой детали в первом и втором каналах регистрации, соответственно; T - коэффициент пропускания эталонного элемента.
При этом в способе определения коэффициентов отражения или пропускания оптических деталей в качестве оптического эталонного элемента с регулируемым пропусканием может быть выбран элемент, изготовленный из кварца.
Относительная погрешность измерения коэффициента отражения контролируемой детали в прототипе заявляемого способа составляет (без учета погрешности, связанной с контролем установки угла падения излучения на контролируемую деталь и мощности излучения, поступающего в схему измерения от источника излучения) величину, равную инструментальной погрешности измерения измерителя мощности. При характерной величине инструментальной погрешности измерения измерителя мощности 3% имеем: δR≅0,03.
Предложенный подход, обеспечивающий повышение точности определения коэффициентов отражения оптических деталей, основан на идее замены измерения мощности в обоих каналах регистрации на измерение другого параметра с меньшей погрешностью, по сравнению с погрешностью измерения мощности.
Технический подход, позволивший решить эту проблему, связан с введением во второй канал регистрации измерительной схемы на втором этапе измерений оптического эталонного элемента с регулируемым коэффициентом пропускания.
В заявляемом способе относительная погрешность измерения коэффициента отражения или пропускания контролируемой детали определяется выражением:
1
2
et
s
r
где ,  - относительные погрешности измерения мощности излучения в первом и втором каналах регистрации на этапе измерений с постановкой контролируемой детали (первый этап); δP, δР - относительные погрешности измерения мощности излучения в первом и втором каналах регистрации на этапе, измерений без контролируемой детали (второй этап); δT - относительная погрешность измерения коэффициента пропускания эталонного элемента. С учетом выделения систематической δP и случайной δP составляющих погрешностей измерения и выполнения равенств  при  и  при  и, полагая погрешности измерений в обоих каналах и на всех этапах измерения равными, получаем:
r
s
12
et
δS=2⋅|δP|+|δP⋅dP|+|δT|,
где .
При условии усреднения мощностей измеряемых сигналов по выборке из большого количества измерений, одновременном измерении в обоих каналах, погрешность измерения случайного типа стремится к нулю. Выравнивание величин мощностей измеряемых сигналов в каналах измерения на обоих этапах приводит к равенству систематической составляющей погрешности измерения каждого из сигналов и исключению систематической составляющей из полной погрешности измерения коэффициента отражения или пропускания в силу применяемой двухэтапной методики измерения. Полная погрешность измерения коэффициента отражения или пропускания контролируемой детали определяется, с точностью до указанных погрешностей, третьим фактором - погрешностью измерения коэффициента пропускания эталонного элемента:
et
δS≅δT
То есть, погрешность измерения, связанная с измерением мощностей регистрируемых сигналов, заменяется погрешностью измерения коэффициента пропускания эталонного элемента. Так, для кварцевого эталонного элемента с учетом пренебрежимо малого поглощения излучения в нем выражение для относительной погрешности измерения пропускания этого элемента можно записать следующим образом:
,
et
где  - коэффициент отражения от одной грани кварцевого эталонного элемента для p-поляризованного излучения и  - коэффициент отражения от одной грани кварцевого эталонного элемента для s-поляризованного излучения; α и β - углы падения и преломления излучения в кварцевом эталонном элементе соответственно; ΔR - абсолютная погрешность измерения коэффициента отражения от одной грани кварцевого эталонного элемента.
et
-4
При абсолютной погрешности измерения угла падения излучения на кварцевый эталонный элемент ≈0,05° относительная погрешность измерения пропускания этого элемента составляет δT~10 для поляризации p-типа и углов падения от 0° до 45°.
Таким образом, по сравнению с прототипом, погрешность измерения коэффициента отражения или пропускания оптических деталей уменьшена примерно на два порядка, что связано с меньшей погрешностью измерения коэффициента пропускания эталонного элемента с регулируемым пропусканием (коэффициентом пропускания).
Обеспечение контроля выставления угла падения излучения на контролируемую деталь и на эталонный элемент с регулируемым пропусканием уменьшает погрешность определения коэффициента отражения или пропускания детали, которая в отсутствие контроля является усредненной, по разным углам падения, величиной.
При условии одновременной регистрации измеряемых сигналов в обоих каналах регистрации по выборке из большого количества измерений, а также устранении паразитных излучений, минимизации собственных шумов регистрирующих приборов случайная составляющая погрешности измерения стремится к нулю.
Равенство мощностей излучения в первом канале регистрации на всех этапах измерений и мощностей излучения во втором канале регистрации на всех этапах измерений, обусловленное применением оптического эталонного элемента с регулируемым пропусканием, обеспечивает равенство систематической составляющей погрешности измерения и исключение ее из полной погрешности измерения коэффициента отражения или пропускания в силу применяемой двухэтапной методики измерения.
Сохранение на всех этапах измерений передаточной функции приборов, регистрирующих мощность излучений в первом и втором каналах, за счет сохранения расстояний от источника излучения до приборов и ориентации излучений на приемных площадках приборов также повышает точность измерений.
0
0
Таким образом, процедура определения коэффициентов отражения или пропускания деталей состоит из двух этапов измерений. На первом этапе определяют величину изменения мощности излучения, поступающего в схему измерения от источника излучения, после двукратного отражения от контролируемой детали (в случае определения коэффициента отражения контролируемой детали) или двукратного прохождения через контролируемую деталь (в случае определения коэффициента пропускания контролируемой детали), которая равна произведению коэффициента отражения контролируемой детали в степени 2 и коэффициента отражения вспомогательного зеркала R (в случае определения коэффициента отражения контролируемой детали) или коэффициента пропускания контролируемой детали в степени 2 и коэффициента отражения вспомогательного зеркала R (в случае определения коэффициента пропускания контролируемой детали):
0
На втором этапе контролируемую деталь удаляют из схемы и устанавливают эталонный элемент с регулируемым коэффициентом пропускания. Определяют величину изменения мощности излучения, поступающего в схему измерения от источника излучения, после двукратного прохождения через эталонный элемент, которая равна произведению коэффициента пропускания эталонного элемента в степени 2 и коэффициента отражения вспомогательного зеркала R:
Решая систему уравнений (1)-(2), получаем следующее выражение для коэффициента отражения или коэффициента пропускания контролируемой детали:
1
2
et
где S - коэффициент отражения или пропускания контролируемой детали;  и  - величины изменения измеряемой мощности излучения на этапах с постановкой контролируемой детали и без нее соответственно;  и  - значения мощности излучения на этапе с постановкой контролируемой детали в первом и втором каналах регистрации соответственно; Р и Р - значения мощности излучения на этапе без контролируемой детали в первом и втором каналах регистрации соответственно; T - коэффициент пропускания эталонного элемента.
При этом в случае измерения коэффициента пропускания контролируемую деталь ориентируют под углом Брюстера по отношению к падающему на контролируемую деталь излучению, что обеспечивает отсутствие Френелевских потерь при прохождении линейно поляризованного в плоскости падения излучения через контролируемую деталь - потери определяются только поглощением в объеме материала.
Равенство мощностей измеряемых сигналов в обоих каналах регистрации излучения при сохранении передаточной функции регистрирующих приборов на всех этапах измерений позволяет заменить измерение мощности излучения на измерение коэффициента пропускания эталонного элемента:
et
где S - коэффициент отражения или пропускания контролируемой детали; T - коэффициент пропускания эталонного элемента.
Следовательно, точность определения коэффициентов отражения и пропускания оптических деталей определяется точностью измерения коэффициента пропускания эталонного элемента. Точность измерения величины пропускания такого элемента определяется точностью измерения угла падения излучения на этот элемент. С применением средств современного геодезического контроля, точности выставления углов падения излучения (0,05÷0,1)° легко реализуются.
Таким образом, за счет реализации заявленной совокупности признаков, достигнут технический результат - повышение точности измерения коэффициентов отражения и пропускания оптических деталей.
При этом в качестве оптического эталонного элемента с регулируемым пропусканием может быть выбран элемент, изготовленный из кварца. Поглощение в таком случае пренебрежимо мало и потери в мощности излучения для кварцевого эталонного элемента за два прохода определяются Френелевским отражением на двух гранях:
et
et
2
T=(1-R),
et
где T - коэффициент пропускания кварцевого эталонного элемента;  - коэффициент отражения от одной грани кварцевого эталонного элемента для р-поляризованного излучения и  - коэффициент отражения от одной грани кварцевого эталонного элемента для s-поляризованного излучения; α и β - углы падения и преломления излучения в кварцевом эталонном элементе соответственно.
То есть, при такой технической реализации обеспечено выравнивание мощностей измеряемых сигналов, что приводит к равенству систематической составляющей погрешности измерения на всех этапах измерений в обоих каналах регистрации и ее методическому исключению в силу применения двухэтапной процедуры измерения, а также усреднению случайной составляющей погрешности измерения (при условии одновременной регистрации измеряемых сигналов в обоих каналах регистрации по выборке из большого количества измерений, а также устранении паразитных излучений, минимизации собственных шумов регистрирующих приборов) и, следовательно, к повышению точности измерений.
На фиг. приведена схема реализации способа определения коэффициентов отражения и пропускания оптических деталей, где а - схема с контролируемой деталью, б - схема без контролируемой детали.
Позициями на фиг. обозначены: 1 - контролируемая деталь; 2 - клин, необходимый для отвода части излучения на измерители мощности излучения; 3 и 4 - измерители мощности излучения; 5 - ПЗС камера, необходимая для контроля прохождения излучения по одному и тому же оптическому пути при переходе от первого этапа измерений ко второму; 6 - вспомогательное зеркало; 7 - эталонный элемент с регулируемым коэффициентом пропускания.
1
2
Излучение от источника, в частности лазера, заводится на контролируемую деталь 1. Проводится процедура выставления угла падения излучения на контролируемую деталь 1. Далее производится установка вспомогательного зеркала 6 (возможны две позиции вспомогательного зеркала 6: позиция I для определения коэффициента отражения и позиция II для определения коэффициента пропускания) под углом близким к нормали к падающему излучению. Затем в схему вносится клин 2 (фиг.), отводящий часть излучения на измерители мощности излучения 3 и 4, которые регистрируют значения мощности излучения Р в первом канале регистрации и мощности излучения Р во втором канале регистрации одновременно.
На камере ПЗС 5 (фиг. а) запоминается прицельное положение (центр масс) пришедшего на нее пучка излучения. При переходе к следующему этапу измерений (фиг. б) контролируемая деталь удаляется из схемы, устанавливается оптический эталонный элемент с регулируемым пропусканием 7 так, чтобы излучение дважды проходило с повторением оптического пути через него, а вспомогательное зеркало 6 в случае измерения коэффициента отражения перемещается из позиции I в позицию II, в случае измерения коэффициента пропускания остается в позиции II, при этом прицеливание пучка в данное положение на камере ПЗС 5 гарантирует повторение оптического пути излучения.
0
0
На первом этапе (фиг. а) определяют падение мощности излучения, поступающего в схему измерения от источника излучения, после двукратного отражения от контролируемой детали (в случае измерения коэффициента отражения контролируемой детали) или двукратного прохождения через контролируемую деталь (в случае измерения коэффициента пропускания контролируемой детали). Величина изменения мощности, которая равна произведению коэффициента отражения контролируемой детали в степени 2 и коэффициента отражения вспомогательного зеркала R (в случае измерения коэффициента отражения контролируемой детали) или коэффициента пропускания контролируемой детали в степени 2 и коэффициента отражения вспомогательного зеркала R (в случае измерения коэффициента пропускания контролируемой детали:
0
2
ƒ'=R⋅S
0
На втором этапе контролируемую деталь удаляют из схемы и устанавливают элемент с эталонным пропусканием (фиг. б). Определяют величину изменения мощности излучения, поступающего в схему измерения от источника излучения, после двукратного прохождения через эталонный элемент, которая равна произведению коэффициента пропускания эталонного элемента в степени 2 и коэффициента отражения вспомогательного зеркала R:
0
et
2
ƒ=R⋅T
Решая систему уравнений (1)-(2), получаем следующее выражение для коэффициента отражения или пропускания контролируемой детали:
Равенство мощностей измеряемых сигналов в обоих каналах регистрации излучения при сохранении передаточной функции регистрирующих приборов на всех этапах измерений позволяет заменить измерение мощности излучения на измерение коэффициента пропускания эталонного элемента:
et
S=T,
et
где S - коэффициент отражения или пропускания контролируемой детали; T - коэффициент пропускания эталонного элемента.
Согласно вышеизложенному подходу, были проведены эксперименты по определению коэффициента отражения диэлектрического зеркала. Диаметр контролируемого зеркала составлял 50 мм, угол падения излучения на контролируемое зеркало составлял 45°. В качестве эталонного элемента был выбран образец синтетического кварца производства CV1 Melles Griot, изготовленный из материала Suprasil 1, диаметром 75 мм, толщиной 12,9 мм. Абсолютная погрешность измерения угла установки кварцевого элемента с регулируемым пропусканием составляла не более 0,1°. Для такой погрешности измерения угла установки эталонного элемента относительная погрешность определения коэффициента отражения должна составлять не более 0,02% для поляризации p-типа и углов падения от 0° до 45°. Значение коэффициента отражения контролируемого зеркала определялось в серии из пяти независимых экспериментов с соблюдением полного регламента по настройке схемы и проведению измерений, т.е. 5 раз. По результатам измерений определялось среднее значение коэффициента отражения. Результаты измерений коэффициента отражения контролируемого зеркала в отдельных экспериментах отличаются от среднего значения на величину, меньшую расчетной погрешности измерения.
Таким образом, благодаря реализации заявленного подхода удалось добиться повышения точности измерений примерно на два порядка по сравнению с прототипом.