книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

риалу типа «Изопанхром», возможно путем применения избира­ тельных поглотителей, приводящих относительное распределение чувствительности фотоприемника к фотоматериалу, что также неизбежно приведет к снижению общей чувствительности прием­ ника. Зная расчетные значения интегральных коэффициентов отражения, вычисленные для эксплуатационных условий (см.

Рис. 96. Графики зависимости интегрального коэффициента отражения от тол­ щины просветляющей пленки Ä,mtn:

рис. 96), можно правильно задать область просветления прибора и, выполняя лабораторный контроль качества нанесения просвет­ ляющего покрытия, оценить величину ринт для заданных кон­ кретных условий.

Интегральный коэффициент отражения просветленной опти­ ческой детали можно определить двумя методами: путем измере­ ния количества отраженного света от одной из поверхностей де­ тали и путем измерения коэффициента пропускания просветлен­ ной оптической деталью.

Измерения света отраженного просветленной преломляющей поверхностью, позволяют определить качество просветления одной из поверхностей детали, однако при этом возникают трудности,

170

связанные с исключением отраженного света другой поверхно­ стью, а также с обеспечением нормального падения света на кон­ тролируемую поверхность, что несколько искажает результаты. При малых углах падения (менее 20°) влияние угла падения незначительно и может быть учтено аналитически [16, 38].

При измерениях количества света, прошедшего через про­ светленную деталь, не удается определить отражение от одной поверхности, особенно при выполне­ нии просветляющего слоя на поверх­ ностях с разной оптической толщиной; для исключения поглощения света в стекле измерения должны выполняться относительно непросветленной детали.

При измерениях в проходящем свете требуется повышенная точность изме­ ряющих устройств, так как потери света определяются как малая разность двух измеренных величин.

Как правило, для оценки качества просветления отдельных деталей спо­ соб измерения в проходящем свете не применяют или применяют лишь тогда, когда измерения отраженного света со­ вершенно невыполнимы.

Для определения интегральных коэффициентов отражения широко при­ меняется рефлексометр, в котором в качестве приемника радиации исполь­ зуется селеновый фотоэлемент и в ка­ честве источника света — лампа нака­ ливания. Достоинства селенового фото­ элемента как надежного приемника в фотометрических измерениях отмеча­ лись выше.

Схема рефлексометра представлена на рис. 97. Нить лампы накаливания 1 (размеры тела накала 1,5x0,8 мм) объективом 2 изображается с двукратным увеличением на диафрагму 3 таким образом, чтобы отверстие диафрагмы в 1 мм целиком заполня­ лось светом. Объектив 4 изображает отверстие диафрагмы 3 на поверхности испытуемой детали 5, которая установлена вплотную к посадочной плоскости конической диафрагмы 6. Свет, отражен­ ный от контролируемой поверхности, собирается линзой 7 на светочувствительной поверхности селенового фотоэлемента 8, замкнутого на чувствительный гальванометр 9. Угол падения света на контролируемую поверхность равен 15°. Рефлексометр дает возможность измерять коэффициент отражения света от плоских и сферических поверхностей путем сравнения с непросветленным эталоном из химически устойчивого стекла (например К8), коэф-

171

фициент отражения которого следует предварительно рассчитать по формуле (48).

Как было показано выше, измеренный коэффициент отражения является условным во всех случаях, когда область минимального отражения просветляющей пленки не совпадает с максимумом подынтегральной функции IXSX [см. формулу (51)1, так как в этих случаях измеренный коэффициент отражения представляет собой интегральный коэффициент отражения в области существо­

интегральный коэффициент отражения, измеренный на рефлексометре, является надежным показателем качества про­ светления, так как пленкам с минимальным отражением в определенных областях спектра соответствуют значения коэф­ фициента отражения света в видимой области спектра, что и обусловливает возможность лабораторного контроля на рефлексометре.

Контроль интегрального коэффициента отражения на рефлексометре в сочетании с обязательным визуальным контролем цвета просветляющей пленки в отраженном свете по сравнению с эта­ лонным образцом позволяет в случае двухслойного просветления уверенно различать детали, выполненные с просветлением для длин волн, отличающихся на 10— 15 нм в пределах видимого спектра. Для контроля оптических деталей, просветленных трех­ слойным покрытием, интегральный коэффициент отражения яв­ ляется характеристикой, однозначно определяющей качество просветления детали. При этом интегральный коэффициент отра­ жения должен быть определен в области спектра, для которой просветлена деталь. Контроль однослойного просветления путем измерения интегрального коэффициента отражения можно про­ изводить только в том случае, если к оптической детали с одно­ слойной просветляющей пленкой не предъявлены требования обеспечения минимального отражения в определенной области спектра. Это обусловлено тем, что изменения интегрального отражения поверхности оптического стекла просветленной одно­ слойной пленкой невелики и порой соизмеримы с точностью изме­ рений на рефлексометре. Так, расчетный коэффициент отражения поверхности оптического стекла марки TKJ4 (nD = 1,613), про­ светленного фтористым магнием с минимумом отражения для ^min = 500 нм, составляет ринт = 1,0 % и для такого же покры­ тия поверхности стекла той же марки, но имеющего минимальное отражение для Ят1п = 580 нм, составляет ринт = 0,8%. Точность измерений на рефлексометре составляет ±0,1% . Таким образом, по интегральному коэффициенту отражения можно уверенно различить детали, выполненные с разницей в положении мини­ мума отражения по спектру не менее 100 нм. Для марок оптиче­ ского стекла с показателем преломления nD <$ 1,60 практически невозможно различить по интегральному коэффициенту отраже-

172

ния детали, выполненные с отклонением в положении минимума отражения по спектру меньше 200 нм.

Контроль толщины однослойной просветляющей пленки путем визуального наблюдения ее цвета в отраженном свете также весьма затруднителен из-за слабой избирательности отражения по спектру (это относится к пленкам толщиной V4Xmln). Для опре­ деления положения минимума отражения однослойной просвет­ ляющей пленки можно рекомендовать метод измерения абсолют­ ного отражения от просветлен­ ной поверхности для двух раз­ несенных по спектру длин волн

[25].

Как следует из расчетных кривых, отражение однослой­ ной просветляющей пленки от поверхности стекла рс на синем (например, X — 400 нм) и рк красном (X = 740 нм) конце спектра неодинаково для пле­ нок различной толщины. Зная расчетные значения коэффици­ ентов отражения рс и рк для ряда марок оптического стекла, можно определить значение

Рс/рк = f (^min) ДЛЯ данного вида однослойного просветления. Ре­

зультаты проделанных расчетов удобно представить в виде но­ мограмм. Принцип построения

номограмм пояснен на рис. 98, где показаны графики изме­ нения коэффициента отражения р = / (X) поверхности опти­ ческого стекла марки ТК14 (nD = 1,613) с просветляющей одно­ слойной пленкой MgF2, выполненной с оптической толщиной, обеспечивающей минимальное отражение для дискретных значе­ ний длин волн от 400 до 700 нм. По этим графикам вычислена и построена зависимость рс/рк = / (Xmln) просветляющей пленки MgF2, нанесенной на стекле с показателем преломления по =

=1,613 (рис. 99).

Аналогично можно выполнить построение графических зави­

симостей для марок стекла с другими показателями преломления с любым шагом Дн0 с просветляющей пленкой, нанесенной фи­ зическим способом (рис. 99, а), и просветляющей пленкой, нанесенной химическим способом (рис. 99, б). Дополнительные графики, позволяют построить промежуточные кривые, если показатель преломления детали не соответствует значениям, обозначенным на номограмме, а экстраполяция к ближайшей марке стекла нежелательна. Номограммы рассчитываются для каждого вида однослойного просветления. Определение коэффи-

173

циентов отражения просветленной поверхности для двух длин волн выбранного спектрального интервала выполняется на рефлексометре, схема которого аналогична схеме, представленной на рис. 98. Отличие заключается в том, что вместо селенового фото­ элемента в приборе в качестве приемника применен фотоумножи­ тель ФЭУ-27, снабженный турелью с интерференционными узко­ полосными светофильтрами, вырезающими красную и синюю (шириной 8— 10 нм) области спектра.

на соответствие длины волны в минимуме отражения просветля­ ющего покрытия требованиям чертежа осуществляется по методу сине-красного отношения путем последовательного измерения отражения от поверхности контролируемой детали для Хс, на­ пример Хс = 400 нм, и Як, например Хк = 740 нм, относительно эталона из стекла К8, показатель преломления которого известен и абсолютное значение коэффициента отражения вычислено для Хс и Хк по формуле Френеля.

По измеренным значениям рс и рк следует найти рс/рк и, поль­ зуясь номограммой, изображенной на' рис. 99 и вычисленной для данного вида просветления, отложить на оси ординат полу­ ченное по результатам измерений значение рс/рк, далее по кривой, соответствующей показателю преломления контролируемой детали, найти по оси абсцисс значение длины волны в минимуме отраже­ ния просветляющего покрытия. Общий вид рефлексометра пока­ зан на рис. 100.

Конструкция и оптическая схема рефлексометра таковы, что позволяют измерять отражения от подавляющего большинства поверхностей оптических деталей. Исключение составляют двояко­ вогнутые линзы и плоскопараллельные пластины с толщиной по

174

оси менее 2 мм: измерение их невозможно вследствие наложения отраженного блика от второй поверхности, а также вогнутые по­ верхности большой крутизны, близкие к полусфере: они не позво­ ляют произвести измерения по краю светового диаметра детали.

Погрешность измерения на рефлексометре но методу сине­ красного отношения определяется формулой полного дифферен­ циала функции рс/рк:

Р и с . 100. Р еф л ек т о м ет р д л я к о н т р о л я о д н о сл о й н ы х п р о св ет л я ю щ и х п окр ы ти й

Погрешность в определении значения рэт пренебрежимо мала, так как показатель преломления эталона можно определить с точ­ ностью до 1 • ІО' 5 и коэффициент отражения вычислен по формуле Френеля;

N3T — отсчет по шкале гальванометра при калибровке прибора по эталону;

Рк> Рс — коэффициенты отражения от просветленной поверх­ ности, измерены для длин волн соответственно на красном и на синем конце диапазона спектра;

175

Nк и 1Ѵс — отсчеты по шкале гальванометра при измерении соответственно рк и рс;

ANc, АNK, АN3T — ошибки при снятии отсчетов по шкале отсчетного устройства.

Если в качестве отсчетного устройства использовать зеркаль­ ный магнитоэлектрический гальванометр типа М-95 класса 1 со световым указателем отсчета, ошибка снятия отсчета по шкале не превысит 0,5 деления. Погрешность измерения функции рс/рк по формуле (52) составит примерно 3% измеренной величины. Однако существуют погрешности, не учитываемые формулой полного дифференциала, к ним относятся неравномерность чув­ ствительности катода фотоумножителя, нестабилизированные (в пределах 1%) колебания источника питания и т. п. С учетом этих ошибок суммарная погрешность измерения функции рс/рк составит примерно 5%.

Точность определения значения длины волны в минимуме отражения по результатам измерений рс/рк зависит от показателя преломления стекла, на поверхность которого нанесено просвет­ ляющее покрытие. Как можно видеть из рис. 99, крутизна рас­ четных номограмм существенно различна, поэтому погрешность в определении функции рс/рк в 5% от измеренной величины при­ ведет в определении Ят1п просветляющего покрытия, нанесенного на поверхности оптического стекла с nD < 1,6, к ошибке в 8— 10 нм, а для покрытий, нанесенных на поверхности стекла с nD > > 1 ,6 , к ошибке в 5—7 нм.

Угол падения светового пучка на испытуемую поверхность в рефлексометре составляет 15° с нормалью к поверхности. Это обстоятельство также является источником постоянной погреш­ ности, величину которой следует учитывать. Известно [16, 77], что с увеличением угла между нормалью к поверхности и направ­ лением светового пучка эффективная оптическая толщина про­ светляющего покрытия уменьшается пропорционально косинусу угла преломления света в просветляющей пленке и минимум отражения смещается в направлении коротковолновой области спектра. Аналитическое выражение, связывающее изменение эф­ фективной оптической толщины просветляющего покрытия с углом между нормалью к поверхности и направлением падающего свето­ вого пучка, вытекает из закона преломления света на границе двух сред и имеет вид

sin2 і

где lt — эффективная оптическая толщина просветляющего по­ крытия при падении светового потока на просветленную поверхность под углом і к нормали;

1і — эффективная оптическая толщина просветляющего по­ крытия при падении светового потока по нормали к по­ верхности;

176

п 2— показатель преломления просветляющей пленки;

і— угол между нормалью к поверхности и направлением падающего светового потока.

На рис. 101 представлена зависимость /,•//_!_ = / (г) для про­ светляющих покрытий с различными показателями преломления.

Способ контроля просветляющих однослойных покрытий ме­ тодом сине-красного отношения пригоден для контроля качества просветления линз в условиях крупносерийного производства.

3. Измерение спектрального отражения просветленных оптических деталей

Как уже отмечалось, спектральная кривая отражения яв­ ляется исчерпывающей характеристикой просветляющего покры­ тия. Однако измерение спектрального отражения от просветлен­ ных деталей разнообразной конструкции в условиях массового производства практически невозможно. В практике оптико-меха­ нических заводов принят контроль цвета просветляющих покры­ тий в отраженном свете по сравнению с эталоном. Для контроля правильности нанесения двухслойных просветляющих покрытий сравнение цвета пленки с эталонным образцом в сочетании с изме­ рением интегрального коэффициента отражения обеспечивает уверенную разбраковку деталей, отличающихся длиной волны

в минимуме отражения на ± (10 -^15) нм (в пределах видимого спектра). В подавляющем большинстве случаев эталоны изготов­ ляют в форме оптического клина с углом 10— 15° и диаметром 30— 50 мм из стекла марки К8.

Существуют универсальные эталоны [21 ], выполненные в форме прямоугольной пластины, на поверхность которой нанесена клиновидная пленка просветляющего покрытия. Вершина клина параллельна малой стороне пластины. Толщину слоев клина и диапазон толщин выбирают из условия заданного для контроля диапазона просветления: эталоны имеют всю гамму цветовых от­ тенков, соответствующих заданному спектральному интервалу. Оттенки цвета на поверхности эталонной пластины градуированы в коэффициентах отражения и длинах волн в минимуме отражения.

Универсальные эталоны применяют в основном для контроля просветления деталей с однослойной пленкой, нанесенной ваку­ умным способом. Применение эталонов цвета не исключает необ­ ходимости спектральных измерений коэффициентов отражения. Паспортизация эталонов невозможна без таких измерений.

Простейший способ измерения спектрального отражения осу­ ществляется с помощью монохроматоров. На рис. 102 изображена схема измерения спектрального отражения от эталонов просвет­ ления на монохроматоре УМ-2. Клиновидный образец 2 устанав­ ливают за выходной щелью монохроматора 1 так, чтобы угол па­ дения светового пучка на поверхность образца не превышал 15° с нормалью к поверхности. Измерения выполняют относительно непросветленного эталона 3, изготовленного из стекла с извест­ ным показателем преломления. Регистрация отраженного образ­ цом (или эталоном) светового потока выполняется фотоэлементом 4, подключенным к магнитоэлектрическому гальванометру 5. Способ трудоемок и малопроизводителен. Спектральный диапазон изме­ рений ограничен областью 0,4— 1,0 мкм.

Для измерения спектральных коэффициентов отражения раз­ личных покрытий, в том числе и просветляющих, в области спек­ тра 0,25—1,10 мкм широко применяется зеркальная насадка в спек­ трофотометру СФ-4 [68]. Оптическая схема насадки представлена на рис. 103. На пути монохроматического пучка лучей, выходя­ щих из выходной щели 1 монохроматора, расположено отража­ ющее зеркало 4, направляющеепучок света попеременно на эта­ лон 2 и испытуемый образец 3. Поток излучения, отраженный от поверхности эталона или испытуемого образца, регистрируется приемником 5. Сферическое зеркало 4 частично собирает расходя­ щийся пучок лучей, выходящих из монохроматора так, что свето­ вое пятно полностью попадает в центр светочувствительного слоя фотоприемника. В качестве эталона для измерения малых значе­ ний коэффициента отражения используют клиновидные пластины из стекла марки К8 или плавленого кварца при измерении высо­ ких отражений — алюминиевое зеркало. Насадка позволяет изме­ рять коэффициенты отражения от плоских отражающих поверх-

178

ностей образцов диаметром 25—90 мм, она применяется в основ­ ном для отбора и паспортизации эталонов просветления.

Вариантом насадки ФМ-40 является схема, представленная на рис. 104.

Призма 2, имеющая угол при вершине 100° и алюминирован­ ные грани, отклоняет пучок лучей, выходящих из щели монохро­ матора на поверхность образца *. Свет, отраженный образцом и гранью призмы, регистрируется приемником 3 спектрофотометра

свободно прошедшего на приемник. Потери на отражение от граней призмы компенсируются ослабителем 5, вводимым в световой по­ ток при выведенной призме, линза 1 частично собирает расходя­ щийся пучок лучей, компенсируя расходимость, вносимую раз­ личием в длине пути света, при измерении отражения от образца 4 и регистрации полного светового потока, падающего из монохро­ матора. Способ оказывается более универсальным по сравнению со способом, использующим насадку ФМ-40, так как можно испы­ тывать образцы практически любых размеров. Однако этот способ имеет источники дополнительных погрешностей, вызван­ ных необходимостью применения компенсатора потерь на отра­ жение на гранях призмы и поглощение в линзе 1.

Контроль спектрального отражения сферических просветлен­ ных поверхностей осуществляется на монохроматоре, снабженном насадкой, схема которой показана на рис. 105. Изображение вы­ ходной щели 1 монохроматора (можно использовать монохроматор от спектрофотометра СФ-4 или монохроматор ЗМР-З) создается на поверхности испытуемой детали 4 с помощью двух скрещенных цилиндрических линз 2 и 3 и отражающей грани призмы 7. Угол падения крайних лучей светового пучка на поверхность контро­ лируемой детали не должен превышать 15° с нормалью к поверх-