Устройство для измерения показателя преломления прозрачных сред и его флуктуаций Советский патент 1983 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к построению оптических схем приборов, предназначенных для исследований оптиче ких характеристик прозрачных сред, в частности для. измерения по1 азателя преломления и его флуктуации в водах Мирового океана и внутренних водоемов с целью расширения ряда научных и народнохозяйственных задач. Известен погружаемый измеритель неоднородностей показателя преломле ния морской воды, содержащий источник, света, коллимирукядий объектив, входной и выходной иллюминаторы и фотоприемный блок, построенный по принципу теневого 1, Однако эта схема обладает малой чувствительностью. Наиболее близким к изобретению является устройство измерения показателя преломления прозрачных сред .и его флуктуации, содержащее размещенные в герметичном корпусе с иллю минаторами источник излучения и рас положенные вдоль оптической оси уст ройства по ходу излучения коллимато фокусирующий объектив, диафрагму и фотоприемник, соединенный через бло обработки с регистратором 2. Однако это устройство вследствие того, что имеет только один канал, вынесенный в исследуемую среду, показатель ослабления которой может изменяться одновременно с флуктуаци ми показателя преломления среды, чувствительно к обоим параметрам од новременно, и выделить шумовой сигнал от влияния флуктуации показател ослабления среды не представляется возможным, а это, в свою очередь, приводит к дополнительным погрешнос тям. Целью изобретения является повьяя ние точности измерения. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения показателя преломления прозрачных сред и его флуктуации, содержащее размещенные э герметичном корпусе с иллюминаторами источник излучения и расположенные вдоль оптической оси устройства по ходу излучения коллиматор фокусирующий объектив, диафрагму и фотоприемник, соединенный через блок обработки с регистратором, дополнительно введены светоделителькая коммутируквдая призма с отражающими катетными гранями телескопическая система, состоящая по крайней мере из двух линз, компенсирующая система состоящая по крайней мере из двух плоскопараллельных пластин, и две по воротные прямоугольные призмы, при этом светоделительная коммутирующая призма установлена в корпусе между иллюминаторами на оптической оси устройства между коллиматором и фокусирующим объективом с возможностью вращения на оси, проходящей через точку пересечения оптической оси устройства с прямой, соединяющей верщины прямых углов поворотных прямоугольных призм, установленных вне корпуса на одинаковых расстояниях от иллюминаторов, линзы телескопической системы установлены вне корпуса по ходу излучения между первым иллюминатором и первой поворотной прямоугольной призмой, а плоско-параллельные пластины компенсирующей системы расположены вне корпуса по ходу излучения между вторым иллюминатором и второй поворотной прямоугольной призмой, причем гипотенузные грани поворотных прямоугольных призм и плоскости иллюминаторов параллельны друг другу и оптической оси устройства, при этом источник излучения, коллиматор, телескопическая система с соответствующими поворотной прямоугольной призмой и иллюминатором, коммутирующая светоделительная призма, фокусирующий объектив и фотоприемник образуют измерительный канал, а источник излучения, коллиматор, компенсирующая система с соответствующей поворотной прямоугольной призмой и иллюминатором, комму тирующая светоделительная призма, фокусирующий объектив и фотоприемник образуют опорный канал, На чертеже сз{ематичвски представлено предлагаемое устройство. Устройство содержит герметичный корпус 1 с установленными в нем источником света 2, коллиматором, состоящим из конденсатора 3 полевой диафрагмы 4 и коллиматорного объектива 5, в фокусе которого она находится. Имеется также светоделительная коммутирующая призма 6, представляющая собой прямоугольную призму с нанесенными на ее катетные грани зеркальными отражающими покрытиями. установленную на оптической оси прибора с возможностью вращения вокруг оси перпендикулярной плоскости чертежа и проходящей через середину биссектрисы прямого угла призмы. Измерительный канал устройства включает иллюминатор 7 и вынесенную в среду телескопическую систему, состоящую из линз 8,9, введенную между иллюминатором и выносной поворотной прямоугольной призмой 10 измерительного канала. В опорный канал между иллюминатором 11 и вынесенной в среду поворотной прямоугольной призмой 12 установлена компенсирующая система, состоящая из двух плоскопараллельных пластин 13, 14 из того же материала, что и линзы 8,9 телескопической системы, В приемной части корпуса 1 размеыен фокусируюц ий объектив 15 с диафрагмой 16, находящейся в его фокаль ной плоскости. За диафрагмой 16 уста новлен фотоприемник 17, электрически связанный через блок обработки 18 с регистратором 19. Устройство работает следукядим образом. Излучение от источника 2 проектируется конденсатором 3 на полевую диафрагму 4 коллиматорного объектива 5, направляющего параллельный све товой поток на светоделительную коммутирующую призму, которая вращается вокруг оси перпендикулярной плоскости чертежа и проходящей через середи ну биссектрисы прямого угла и оптическую ось прибора, а ее зеркальные грани поочередно отводят излучение через иллюминаторы 7,11 в измеритель ный и опорный каналы прибора. Пройдя через исследуемую среду в опорном канале и отразившись от поворотной прямоугольной ПрИЗМи 12, поток ВОЗ-. вращается в прибор через иллюминатор 11, причем компенсирующие пластины 13, 14 не вносят искажений в геометрию пучка при любых показателях преломления среды ПСР . При прохождении потока через исследуемую среду в измерительном канале телескопическая система из линз 8,9 вносит изменения в геометрию светового потока измерительного канала, который, отразившись от его поворотной прямоугольной призмы 10, возвращается через иллюми натор 7 в приемную часть прибора. Да лее излучение каналов направляется зеркальными гранями вращающейся светоделительной коммутирующей призмой 6 на входной храчок фокусирующего объектива 15, строящего на диафрагме 16, сопряженной оптически с диафрагмой коллиматора 4 ее изображение В случае, когда , соблюдается соотношение где d4 , d(, - диаметры диафрагм; f, , f,5 - фокусные расстояния кол лиматорного и фокусирую щего объективов. Фотоприемник 17 преобразует световой сигнал в пропорциональный ему электрический. Величина потока, пришедшего на фотоприемник в опорном канале равнао -о-(17«Г-е % где Ф - поток, вышедший в среду о - коэффициент пропускания оптических элементов в опорном канале; коэффициент, учитывающий потери потока на поверхностях компенсирующих пластин; множитель, характеризующий ослабление потока в среде, с показателем ослабления ср на расстояние 2 1. Прохождение потока через среду в измерительном канале происходит следующим образом. в случае, когда показатель преломления среды равен п и фокусы линзы 8 и линзы 9, образующих телескопическую систему находятся в одной плоскости, геометрия потока, прошедшего элементы измерительного канала, не меняется и изображение полевой диафрагмы 4 коллиматора, построенное Фокусирующим объективом 15, не виньетируется диафрагмой 16 фотоприемника 17. Тогда поток, пришедший на фотоприемник 17 в измерительном канале равенu-P- ui -M-r P «S где EU - коэффициент пропускания оптических элементов измерительного канала (Ртс) коэффициент, учитывающий потери потока на поверх ностях линз телескопичес-Е -IS ° системы; - множитель, характеризующий ослабление потока в среде на расстоянии 2 . Учитывая, что материалы элементов опорного и измерительного каналов подобраны так, что . ( разность U Ф(5-Ф,0. При показателях преломления среды, отличных от По, в телескопической системе происходит расфокусировка, изменяющая геометрию потока, и часть изображения полевой диафрагмы 4 коллиматора виньетируется диафрагмой 15, Поток, пришедший на фотоприемник 17, в этом случае равен ..с « - ь, где Ко - коэффициент виньетирования, зависящий только от , и разность Ро-Р Н -М л, Ьф.е.(1-р)Ге-еср5е

Причем величина и пропорциональна отклонению

.Использование предлагаемого устройства при измерениях показателя преломления прозрачных сред и его

флуктуации позволяет повысить точность измерений вследствие того, что двухканальная схема не чувствительна к изменениям показателя ослабления исследуемой среды, так как оптическая длина хода луча в обоих каналах одинакова.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ СРЕД И ЕГО ФЛУКТУАЦИИ, содержащее размещенные в герметичном корпусе с иллюминаторами источник излучения и расположенные вдоль оптической оси устройства по ходу излучения коллиматор, фокусирующий объектив, диафрагма и фотоприемник, соединенный через блок обработки с регистратором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство дополнительно введены светоделительная коммутирующая призма с отражающими катетными гранями, телескопическая система, состоящая по крайней мере из двух линз, компенсирующая система, состоящая по крайней мере из двух плоскопараллельных пластин, и две поворотные прямоугольные призмы, при этом светоделительная коммутирующая призма установлена в корпусе между иллюминаторами на оптической оси устройства между коллиматором и фокусирующим объективом с возможностью вращения на оси, проходящей через точку пересечения оптической оси устройства с прямой, соединяющей верщины прямых углов поворотных прямоугольных призм, установленных вне корпуса на одинаковых расстояниях от иллюминаторов, линзы телескопической системы установлены вне корпуса по ходу излучения между первым иллюминатором и первой поворотной прямоугольной призмой, а плоско-параллельные пластины компенсирующей системы, расположены вне корпуса по ходу излучения между вторым иллюминатором и второй поворотной прямо(Л угольной призмы, причем гипотенузные грани поворотных прямоугольных призм и плоскости иллюминаторов параллельны друг другу и оптической оси устройства, при этом источник излучения, коллиматор, телескопическая система с соответствующими поворотной прямоугольной призмой и иллюминатором, коммутирующая светоделительная гризма, фокусирующий объектив и фотопри:л емник образуют измерительный канал, а источник излучения, коллиматор, компенсирующая система с соответствующей noBopOTHOf; прямоугольной приз- 4 СО мой и иллюминатором, коммутирующая ,светоделительная призма, фокусирующий объектив и фотоприемник образуют опорный канал.

W

11