ЖИДКОСТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ Российский патент 1998 года по МПК G01C9/20 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам для проверки точных уровней, а также для особо точных измерений положения поверхности, например для измерения положения объекта относительно горизонта.

Известны жидкостные оптические автоколлимационные уровни, содержащие кювету с жидкостью в качестве чувствительного элемента и определяющие положение объекта относительно горизонта [1].

Известен жидкостный оптический уровень интерференционного типа, содержащий кювету с жидкостью и прозрачную пластину, размещенную наклонно к поверхности жидкости и образующую с этой поверхностью интерференционную систему [2] . Мерой угла наклона контролируемой поверхности к горизонту в таком устройстве является число интерференционных полос, наблюдаемых в отраженном или прошедшем свете на единице длины воздушного клина, образованного поверхностью жидкости и нижней поверхностью пластины. Основным недостатком известного устройства является сравнительно невысокая точность измерений, составляющая порядка одной угловой минуты.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для измерения угла наклона объекта с помощью которого можно контролировать горизонтальность расположения объекта в данном направлении. Устройство содержит кювету, частично заполненную прозрачной жидкостью, два источника света, раздельно оптически связанных с двумя фотоприемниками, выходы которых электрически соединены со входами дифференциальной схемы, прячем оба фотоприемника и оба источника света установлены в дне кюветы и наклонены к поверхности жидкости под углом, близким к углу полного внутреннего отражения (ПВО), при этом фотоприемники расположены по разные стороны от оси симметрии кюветы, в одной вертикальной плоскости с источниками света, на равном расстоянии от них [3]. Основным недостатком известного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная сравнительно слабой зависимостью величины коэффициента отражения излучения на границе "жидкость - окружающая среда" от угла падения при значениях этого угла близких к углу ПВО.

Сущность изобретения заключается в том, что в жидкостный оптический уровень, содержащий кювету, частично заполненную прозрачной жидкостью, источник света, два фотоприемника, выходы которых электрически соединены о входами дифференциальной схемы, дополнительно введены расположенные по ходу излучения коллиматор, поляризатор, размещенные внутри кюветы, выполненной плоскодонной, два плоских одинаково ориентированных перпендикулярно плоскости падения излучения зеркала, одно из которых полупрозрачно и предназначено для разделения излучения на два пучка. На пути пучка, прошедшего через полупрозрачное зеркало и отраженного от второго зеркала, размещен поглотитель излучения с регулируемым коэффициентом пропускания. На дне кюветы укреплена однородная планарная оптическая волноведущая структура, снабженная жидким слоем связи, сформированным на ее верхней поверхности, при этом толщина слоя связи меньше глубины проникновения поля поверхностной волны в вещество слоя, но отлична от своего оптимального значения при котором эффективность возбуждения поверхностной волны в данной волноведущей структуре максимальна. Источник света снабжен монохроматором, одна из боковых стенок кюветы выполнена с прозрачным окном, обеспечивающим поступление излучения источника, а жидкость, наполняющая кювету, выбрана оптически более плотной, имеющей меньший удельный вес по сравнению с жидкостью слоя связи, и несмешиваемой с последней.

В результате введения в жидкостный оптический уровень перечисленных дополнительных элементов и модификации содержащихся в нем источника света и кюветы, точность устройства повышается не менее чем на 3 порядка. Указанный результат достигается за счет более сильной зависимости коэффициента отражения от угла наклона кюветы при возбуждении излучением поверхностной волны, чем при угле падения близком к углу полного внутреннего отражения.

На фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого устройства. На пути монохроматического излучения, выходящего из источника 1, последовательно размещены коллиматор 2, поляризатор 3, плоскодонная кювета 4, снабженная прозрачным окном 5 и заполненная прозрачной жидкостью 6. В кювете 4 размещены полупрозрачное зеркало 7, непрозрачное зеркало 8, поглотитель излучения 9 с регулируемым коэффициентом пропускания, однородная волноведущая структура 10 с нанесенным на ее поверхность жидким слоем связи 11, ограниченным подвижным (в горизонтальной плоскости) барьером 12, герметично прилегающим к поверхности волноведущей структуры 10, два фотоприемника 13, электрически соединенных со входами дифференциальной схемы 14.

Устройство работает следующим образом. Монохроматическое излучение источника 1 проходит через коллиматор 2, превращается в плоскую электромагнитную волну из которой поляризатор 3 выделяет p-составляющую. С выхода поляризатора 3 сколлимированное плоскополяризованное излучение через окно 5 поступает внутрь кюветы 4, заполненной прозрачной жидкостью 6, где оно падает на полупрозрачное зеркало 7, разделяющее излучение на два пучка. Пучок, прошедший через зеркало 7, падает на зеркало 8 и, отразившись от него, проходит через поглотитель излучения 9, обеспечивающий равенство интенсивностей излучения в обоих пучках, и как и пучок, отраженный зеркалом 7, направляется на слой связи 11, сформированный на поверхности волноведущей структуры 10 и ограниченный в горизонтальной плоскости герметичным подвижным барьером 12, позволяющим регулировать толщину слоя связи. Пучки, отраженные зеркалами 7 и 8, распространяются в жидкости 6 параллельно друг другу и падают на слой связи 11 под углом возбуждения поверхностной волны в волноведущей структуре 10. При отражении от верхней поверхности слоя 11 плоские волны обоих пучков претерпевают полное внутреннее отражение и, вследствие того, что толщина слоя 11 меньше глубины проникновения поля поверхностной волны в материал слоя, возбуждают поверхностные волны на освещенных участках структуры 10, расположенных в плоскости падения излучения, содержащей контролируемое направление. Отраженные границей раздела "жидкость 6 - слой связи 11" пучки излучения поступают на входы соответствующих фотоприемников 13. Разность фотоЭДС, порожденных световыми пучками в фотоприемниках 13, регистрируется дифференциальной схемой 14.

При горизонтальном расположении дна кюветы 4, толщина слоя 11 по всей области поверхности планарной структуры 10, ограниченной барьером 12, одинакова, и пучки с одинаковой эффективностью возбуждают поверхностные волны на обоих освещенных участках структуры 10. Поэтому коэффициенты отражения излучения от обоих участков в этом случае одинаковы и разность фотоЭДС равна нулю.

При наклоне дна кюветы 4 в контролируемом направлении, принадлежащем плоскости падения излучения, толщина слоя 11 изменяется по линейному закону, оставаясь неизменной на оси симметрии участка, ограниченного барьером 12. Различие толщины слоя связи 11 над освещенными участками структуры 10 обуславливает различие эффективности возбуждения поверхностных волн обоими пучками излучения, что приводит к различию интенсивностей излучения пучков, поступающих на входы фотоприемников 13. В результате, разность фотоЭДС на входах дифференциальной схемы 14 становится отличной от нуля, указывая таким образом на наличие уклона в контролируемом направлении дна кюветы 4, расположенной на поверхности объекта.

Отметим, что точность измерений заявляемым устройством пропорциональна размеру его базы, равной расстоянию между освещенными участками волноведущей структуры 10 вдоль контролируемого направления.

Для возможности одновременного контроля горизонтальности расположения поверхности объекта в двух взаимно перпендикулярных направлениях надо: 1) снабдить кювету вторым окном 5, расположенным в плоскости, перпендикулярной контролируемой поверхности и второму контролируемому направлению; 2) снабдить устройство вторым комплектом составляющих его элементов, за исключением кюветы 4, заполняющей ее жидкости 6, волноведущей структуры 10, слоя связи 11 и барьера 12.

Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере конкретной волноведущей структуры, состоящей из алюминиевого непрозрачного образца, характеризуемого показателем преломления n₁=1,2 и показателем поглощения k₁=7,0, выполненного в виде механически прочного бруска, на поверхности которого могут существовать поверхностные плазмоны (ПП), называемые в ИК диапазоне поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ) [4]. В качестве материала слоя связи толщиной h выберем воду, характеризуемую показателем преломления n₂= 1,33, а в качестве прозрачной жидкости, заполняющей кювету, - бензол с показателем преломления n₃=1,5 и несмешиваемый с водой. В качестве источника выберем He-Ne лазер, генерирующий излучение с длиной волны λ = 0,6328 мкм. На фиг. 2 приведена расчетная зависимость величины коэффициента отражения по мощности R_p p-поляризованного излучения на границе раздела "бензол - водный слой связи" от толщины слоя связи h при фиксированном угле падения ϕ = 63^o55'. Из приведенной зависимости следует, что оптимальное значение толщины слоя связи h_опт (при котором эффективность возбуждения ПП(ПЭВ) равна 100%, чему соответствует значение R_p=0) равно 0,50 мкм. Выберем, например, h=0,2 мкм, соответствующее максимальному значению производной ∂R_p/∂h и неоптимальному возбуждению ПП(ПЭВ) в данной волноведущей структуре. Кроме того, положим точность измерения интенсивности излучения равной 1%, а базу устройства (расстояние между освещенными участками волноведущей структуры) равной 10 см (как в устройстве-прототипе), причем разместим образец симметрично относительно оси симметрии кюветы. Тогда наклон поверхности образца на 1" в направлении перпендикулярном оси симметрии кюветы, принадлежащем плоскости падения излучения, приведет к изменению толщины слоя связи h, на расстоянии 5 см (равному расстоянию от оси симметрии кюветы до одного из освещенных участков) на 0,25 мкм. Такое изменение толщины слоя связи приведет к изменению интенсивности отраженного излучения примерно в 15 раз (чему соответствует изменение величины R_p с 0,47 до 0,03). Такой же наклон кюветы в устройстве-прототипе приводит к изменению интенсивности отраженного излучения лишь на 0,25%.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР, N 322615, кл. G 01 C 9/20, 1970.

2. Кайнер Г. Б. Жидкостный оптический уровень - Авторское свидетельство СССР, N 634100 кл. G 01 C 9/20, Бюл. N 43 от 25.11.78.

3. Хлобыстов А. В. Устройство для измерения угла наклона объекта - Авторское свидетельство СССР, N 1194125 кл. G 01 C 9/20, Бюл. N 33 от 07.09.86 (прототип).

4. Никитин А. К., Тищенко А. А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения. Зарубежная радиоэлектроника, 1983, N 3, с. 38-56.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам для проверки точных уровней, а также для особо точных измерений положения поверхности, например для измерения положения объекта относительно горизонта. Жидкостный оптический уровень содержит кювету, частично заполненную прозрачной жидкостью, источник света, два фотоприемника, выходы которых электрически соединены со входами дифференциальной схемы. По ходу излучения расположены коллиматор, поляризатор, размещенные внутри кюветы, выполненной плоскодонной, два плоских одинаково ориентированных перпендикулярно плоскости падения излучения зеркала, одно из которых полупрозрачно и предназначено для разделения излучения на два пучка. На пути пучка, прошедшего через полупрозрачное зеркало и отраженного от второго зеркала, размещен поглотитель излучения с регулируемым коэффициентом пропускания. На дне кюветы укреплена однородная планарная оптическая волноведущая структура, снабженная жидким слоем связи, сформированным на ее верхней поверхности, при этом толщина слоя связи меньше глубины проникновения поля поверхностной волны в вещество слоя, но отлична от своего оптимального значения, при котором эффективность возбуждения поверхностной волны в данной волноведущей структуре максимальна. Источник света снабжен монохроматором, одна из боковых стенок кюветы выполнена с прозрачным окном, обеспечивающим поступление излучения источника, а жидкость, наполняющая кювету, выбрана оптически более плотной, имеющей меньший удельный вес, по сравнению с жидкостью слоя связи, и несмешиваемой с последней. 2 ил.

Жидкостный оптический уровень, содержащий кювету, частично заполненную прозрачной жидкостью, источник света, два фотоприемника, выходы которых электрически соединены с входами дифференциальной схемы, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит расположенные по ходу излучения коллиматор, поляризатор, размещенные внутри кюветы, выполненной плоскодонной, два плоских одинаково ориентированных перпендикулярно плоскости падения излучения зеркала, одно из которых полупрозрачно, поглотитель излучения с регулируемым коэффициентом пропускания, однородную планарную оптическую волноведущую структуру, укрепленную на дне кюветы и снабженную жидким слоем связи, сформированным на верхней поверхности структуры, при этом толщина слоя связи меньше глубины проникновения поля поверхностной волны в вещество слоя, но отлична от своего оптимального значения, при котором эффективность возбуждения поверхностной волны в данной волноведущей структуре максимальна, при этом источник света снабжен монохроматором, одна из боковых стенок кюветы выполнена с прозрачным окном, обеспечивающим поступление излучения источника, а жидкость, наполняющая кювету, выбрана оптически более плотной, имеющей меньший удельный вес по сравнению с жидкостью слоя связи и несмешиваемой с последней.