Пристрій для виміру абсолютних спектральних коефіцієнтів відбиття та направленого пропускання

Пристрій для виміру абсолютних спектральних коефіцієнтів відбиття і направленого пропускання, що містить розташовані по ходу променя джерело світла, монохроматор, робочий і рефе рентний канали, інтегрувальну сферу і приймач випромінювання, який відрізняється тим що на виході монохроматора встановлено двоплечовий світловод з колімуючими насадками і ондулятором, а на вході приймача випромінювання - триплечовий світловод з колімуючими і збираючою насадками і заслінками, одна з яких з поглинаючим і дифузно відбиваючим покриттями розташована в отворі виходу дзеркальної компоненти, а друга заслінка з поглинаючим покриттям розташована в отворі зразка інтегрувальної сфери Винахід відноситься до оптичного приладобудування і призначений для використання в наукових і прикладних цілях при високоточному вимірюванні фізичних параметрів напівпровідників, металів, діелектриків, інших речовин і конструкційних матеріалів по спектрах пропускання і відбиття і обчисленим по одержаним даним спектрах поглинання Відомий пристрій для виміру з високою точністю спектральних коефіцієнтів відбиття [1] Як і запропонований винахід, вказаний аналог має монохроматор з джерелом світла, фокусуючу оптику і приймач випромінювання Причиною, що перешкоджає одержанню технічного результату, є виконання фокусуючої оптики у вигляді системи дзеркал, що приводить до великих габаритів оптичного блоку і неможливості вимірювання на ньому спектральних коефіцієнтів пропускання Як прототип вибрано пристрій для виміру спектральних коефіцієнтів пропускання і відбиття, що має монохроматор з джерелом світла, фокусуючу оптику, модулююче дзеркало, три інтегрувальні сфери, одна з яких використовується для виміру пропускання, а дві інших - для виміру відбиття, і приймач випромінювання [2] Як і запропонований винахід, прототип має розташовані по ходу проміню джерело світла, робочий і референтний канали, інтегрувальну сферу і приймач випромінювання Причиною, що перешкоджає одержанню техні чного результату, є застосування окремих інтегрувальних сфер для кожного виду вимірювань (відбиття і пропускання) Неможливість виміру відбиття і пропускання з однієї установки зразка і ВІДПОВІДНО необхідність переміщення зразка від однієї сфери до іншої приводить до порушення умов освітленості зразка і не зберігає місцеположення його зондуємої області Так як більшість зразків по своїм фізичним властивостям неоднорідні, а мова йдеться про вимірювання коефіцієнтів відбиття і пропускання з високою точністю, то виникають значні похибки при вимірюванні цих коефіцієнтів Суттєвими недоліками прототипу є також довгий час переходу від одного типа вимірювання до іншого, великі габарити оптичного блока і його значна ціна Усе вище згадане обмежує область застосування прототипу В основу винаходу покладена задача створити такий пристрій для вимірювання абсолютних спектральних коефіцієнтів відбиття і направленого пропускання, в якому встановлення на виході монохроматора світловоду з двома плечима, колімуючими насадками і ондулятором, а на вході приймача - світловоду з трьома плечима з колімуючими і збираючою насадками і заслінками, надало б можливості, використовуючи лише одну інтегрувальну сферу, забезпечити одні і ті ж умови освітленості зразка І зберегти місцеположення його зондуємої області при вимірюванні відбиття і пропускання і за рахунок цього збільшити точність і достовірність результатів вимірювання і зменши (О ю 45692 ти габарити і собівартість пристрою З зразка, отвором 4 уведення променів робочого і референтного каналів, отвором 5 приймача, отвоСуть винаходу полягає в тому, що в пристрій, ром 6 виводу дзеркальної компоненти, приймач 7, що має розташовані по ходу проміня джерело світурель 8 з досліджуваними і стандартними зразтла, монохроматор, робочий і референтний канаками На виході монохроматора встановлено дволи, інтегрувальну сферу і приймач випромінюванплечовий світловод 9 з ондулятором 10 і колімуюня, на виході монохроматора встановлено чими насадками 11, 12 Перед приймачем двоплечовий світловод з колімуючими насадками і встановлено триплечовий світловод 13, з'єднаний ондулятором, а перед приймачем випромінювання з розташованими в отворі 3 зразка колімуючою встановлено триплечовий світловод з колімуючинасадкою 14, в отворі 6 виводу дзеркальної комми і збираючою насадками і заслінками, одна з поненти - колімуючою насадкою 15, в отворі 5 яких з поглинаючим і дифузно відбиваючим поприймача - збираючою насадкою 16 Колімуюча криттям розташована, в отворі виходу дзеркальної насадка 14 в отворі 3 зразка перекривається закомпоненти, а друга заслінка з поглинаючим послінкою 17, що має два положення, в одному з криттям розташована в отворі зразка інтегрувальяких падаюче випромінювання поглинається, а в ної сфери другому -пропускається Отвір 6 виводу дзеркальВинахід, що заявляється, відрізняється від ної компоненти перекривається заслінкою 18, що прототипу тим, що використовується лише одна має три положення, в одному з них падаюче виінтегрувальна сфера і на виході монохроматора промінювання поглинається, у другому -дифузно встановлено двоплечовий світловод з колімуючивідбивається, а в третьому- пропускається ми насадками і ондулятором, а на вході приймача - триплечовий світловод з колімуючими і збираюПристрій працює таким чином При вимірі спечою насадками і заслінками, одна з яких з погликтрального коефіцієнта повного відбиття заслінка наючим і дифузно відбиваючим покриттям розта17 в отворі 3 зразка знаходиться в положенні, що шована, в отворі виходу дзеркальної компоненти, забезпечує поглинання, а заслінка 18 в отворі 6 а друга заслінка з поглинаючим покриттям розтавиводу дзеркальної компоненти - у положенні, що шована в отворі зразка інтегрувальної сфери забезпечує дифузне відбиття падаючого випромінювання Робочий і референтний промені через Між сукупністю істотних ознак винаходу, що світловод 9 і отвір 8 уведення випромінювання заявляється, і технічним результатом, що досяганадходять в інтегрувальну сферу Колімуючі насається, є наступний причинно-наслідковий зв'язок дки 11, 12 на виході світловоду 9 забезпечують Уведення двоплечового світловоду з колімуюквазипаралельність робочого і референтного прочими насадками і ондулятором на виході мономенів, а ондулятор 10 - модуляцію робочого прохроматора забезпечує формування світлового меню в протифазі з референтним Робочий пропотоку робочого і референтного каналів і їх модумінь відбивається від зразка і потім багаторазово ляцію в протифазі, а уведення перед приймачем перевідбивається від внутрішньої поверхні інтегвипромінювання триплечового світловода з колірувальної сфери 2 Промінь референтного каналу муючими і збираючою насадками і заслінками, відбивається від внутрішньої поверхні інтегрувадозволяє забезпечити проходження на приймач льної сфери 2 і потім багаторазово перевідбивавипромінювання світлового потоку, дифузно відється Наявність збираючої насадки 16 в отворі 5 битого від зразка, дзеркально відбитого і їх суми, приймача забезпечує попадання на приймач відабо того, що пройшов через зразок, у залежності битих променів від значної частини внутрішньої від проводжуваного виміру На відміну від протоповерхні інтегрувальної сфери, крім променів, типу, де для переходу до нового виду виміру небезпосередньо відбитих від зразка СВІТЛОВІ прообхідно установити нову інтегрувальну сферу і, мені робочого каналу надходять на приймач 7 чеотже, уже неможливо забезпечити ідентичність рез збираючу насадку 16, розташовану в отворі 5 умов освітлення зразка і збереження місцеполоприймача інтегрувальної сфери, і через одне з ження його зондуємої області, у винаході, що заплечей триплечового світловоду 13 Сюди ж, але в являється, перехід до нового виду вимірів здійспротифазі, надходять і СВІТЛОВІ промені референтнюється простою зміною положення заслінок ного каналу Спектральний коефіцієнт повного Винахід, що заявляється, дозволяє знизити відбиття зразка визначається по співвідношенню вимоги до якості обробки поверхні досліджуваних сигналів робочого і референтного каналів по форзразків, що значно розширює їх коло і зменшує мулі, що дозволяє врахувати неоднорідність внутвитрати на підготовку експерименту Наявність рішньої поверхні інтегрувальної сфери 2, обумовтурелі з великою КІЛЬКІСТЮ досліджуваних зразків лену наявністю отворів, вплив заслінки 18, значно збільшує ефективність роботи, а компактвстановленої в отворі 6 виводу дзеркальної комність оптичного блока створює можливість застопоненти, а також відхилення поверхні зразка від сування пристрою в різноманітних специфічних сферичної і можливу неідентичність робочого і умовах, наприклад, в імітаторах факторів космічреферентного каналів в отворі 6 уведення променого простору, коли оптичний блок розташовуєтьнів цих каналів ся в вакуумній камері імітатора і виникає можливість автоматичного уведення і виводу оптичного блока (в межах вакуумної камери імітатора) із зони радіаційного випромінювання за допомогою простого надійного електроприводу На кресленні зображена схема пристрою, що заявляється Пристрій містить монохроматор 1 із джерелом світла, інтегрувальну сферу 2 з отвором де Sn - спектральний коефіцієнт повного відбиття досліджуваного зразка, Вр - сигнал робочого 45692 каналу, Ве - сигнал референтного каналу, А, В ПОСТІЙНІ, що визначаються при калібруванні пристрою Калібрування пристрою при вимірі спектрального коефіцієнта повного відбиття проводиться шляхом виконання ВІДПОВІДНИХ вимірів на двох стандартних зразках з відомим значенням коефіцієнта повного відбиття, причому для збільшення точності вимірів вибираються стандартні зразки з коефіцієнтом відбиття на краях діапазону вимірів При вимірі спектрального коефіцієнта дифузного відбиття заслінка 18 в отворі 6 виводу дзеркальної компоненти знаходиться в положенні, що забезпечує поглинання падаючого випромінювання, тобто дзеркальної компоненти відбитого від зразка зондувального проміню Спектральний коефіцієнт дифузного відбиття зразка визначається по співвідношенню сигналів робочого і референтного каналів по формулі, що дозволяє врахувати неоднорідність внутрішньої поверхні інтегрувальної сфери, обумовлену наявністю отворів, вплив заслінки 18, встановленої в отворі 6 виводу дзеркальної компоненти, а також відхилення поверхні зразка від сферичної і можливу неідентичність робочого і референтного каналів В_ А~В В. -к де к - коефіцієнт відбиття поглинаючої заслінки в порту виводу дзеркальної компоненти, котрий визначається при калібруванні пристрою по відомому коефіцієнту дзеркального відбиття стандартного зразка, причому для збільшення точності стандартний зразок вибирається з можливо більшим значенням коефіцієнта дзеркального відбиття При вимірі спектрального коефіцієнта дзеркального відбиття заслінка 18 в отворі 6 виводу дзеркальної компоненти знаходиться в положенні, що забезпечує пропущення падаючого випромінювання, тобто дзеркальної компоненти відбитого від зразка зондувального проміню Спектральний коефіцієнт дзеркального відбиття зразка визначається по співвідношенню сигналів робочого і референтного каналів по формулі, що дозволяє врахувати неоднорідність внутрішньої поверхні інтегрувальної сфери, обумовлену наявністю отворів, а також відхилення поверхні зразка від сферичної і можливу неідентичність робочого і референтного каналів •S. де S3 - спектральний коефіцієнт дзеркального відбиття досліджуваного зразка, Сз - коефіцієнт, котрий визначається при калібруванні і враховує можливу неідентичність робочого і референтного каналів на вході в інтегрувальну сферу і ту обставину, що на приймач попадає лише частина світлового потоку з поверхні сфери, котра знаходиться в полі зору збираючої насадки, Ве - сигнал приймача від робочого каналу при наявності вста новленого досліджуваного зразка і відкритій заслінці 9 в отворі 15 виводу дзеркальної компоненти, Ве - сигнал приймача від референтного каналу Для визначення коефіцієнта Сз в отвір 3 зразка встановлюється стандартний дзеркальний зразок з відомими коефіцієнтами дзеркального і дифузного відбиття Тоді і •к. де кзс, кдс - ВІДПОВІДНО паспортні значення коефіцієнтів дзеркального і дифузного відбиття стандартного дзеркального зразка, В^рс - сигнал приймача від робочого каналу, В ес - сигнал референтного каналу При вимірюванні спектрального коефіцієнта направленого пропускання заслінка 17 в отворі З зразка знаходиться в положенні, що забезпечує пропускання падаючого випромінювання, а заслінка 18 в отворі 6 виводу дзеркальної компоненти - у положенні, що забезпечує дифузне відбиття падаючого випромінювання На приймач 7 надходять СВІТЛОВІ промені від робочого і референтного каналів через збираючу насадку 16, розташовану в отворі 5 приймача, і далі через одне з плечей триплечового світловода 3 іншого боку на приймач через колімуючу насадку 14, розташовану в отворі З зразка інтегрувальної сфери, і друге плече триплечового світловода додатково надходять СВІТЛОВІ проміні ВІДПОВІДНИЙ додатковий сигнал на приймачі пропорційний спектральному коефіцієнту пропускання зразка Спектральний коефіцієнт направленого пропускання зразка визначається по формулі 1 де S np - спектральний коефіцієнт пропускання досліджуваного зразка, С пр - коефіцієнт, що визначається при калібровці і враховує можливу неідентичність робочого і референтного каналів на вході в інтегрувальну сферу і ті обставини, що на приймач попадає лише частина світлового потоку з поверхні сфери, що знаходиться в полі зору збираючої насадки, Ві р - сигнал приймача від робочого каналу при наявності встановленого досліджуваного зразка і відкритій заслонці 9 в отворі З зразка, Ве - сигнал приймача від референтного каналу, Sn - виміряний раніш коефіцієнт повного відбиття зразка Коефіцієнт С пр дорівнює відношенню сигналів робочого і референтного каналів для випадку, коли зондуючий промінь вільно проходить через отвір у турелі Джерела інформації 1 Авторське свідоцтво СРСР № 914943, кл O01J3/42, 1980 Пристрій для вимірювання спектральних коефіцієнтів відбивання , опубл 23 03 82, Бюлетень № 11 2 G A Zerlaut, Т Е Anderson Multipleintegrating sphere spectrophotometer for measuring absolute spectral reflectance and transmittance // Applied Optics, Vol 20, № 21, 1981 - P 3797 - 3804 45692 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71