ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ВЕЩЕСТВА Советский патент 1994 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к технической физике, в частности к измерению дисперсии оптически прозрачных веществ в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, и может быть использовано при исследовании оптико-физических свойств оптически прозрачных веществ.

Целью изобретения является повышение точности измерения дисперсии и уменьшение времени измерения.

На фиг. 1 приведена обобщенная схема оптической части предлагаемого устройства для случая трех лазеров (М= 3); на фиг. 2 - светоделительные параллелепипеды и диск, входящие в состав оптической части предлагаемого устройства, вид сзади (со стороны интерферометра); на фиг. 3 - один из возможных вариантов схемы интерферометра (схема Рэлея); на фиг. 4 - обобщенная структурная схема электронной части предлагаемого устройства (М= 3); на фиг. 5 - структурная схема блока измерения дробной части интерференционной полосы; на фиг. 6 - структурная схема блока регистрации целых интерференционных полос; на фиг. 7 - осциллограммы, иллюстрирующие работу электронной части предлагаемого устройства.

На фиг. 1 и 2 приведены два вида обобщенной схемы оптической части предлагаемого устройства для случая использования трех (М= 3) лазеров 1, 2 и 3, излучающих на различных частотах видимой (или ближней инфракрасной) области спектра. Кроме того, оптическая часть устройства содержит непрозрачный диск 4, установленный на валу двигателя 5, три светоделительных параллелепипеда 6, 7 и 8, три фоторегистрирующих элемента 9, 10 и 1, интерферометр 12, на выходе которого установлены два фотопреобразователя 13 и 14. Оптические оси лазеров 1, 2 и 3 параллельны оптической оси устройства, совпадающей с оптической осью интерферометра 12. Углы между плоскостями, проходящими через оптические оси лазеров 1, 2 и 3 и оптическую ось устройства, составляют 120^о. Ось вала двигателя 5 совпадает с оптической осью устройства. Диск 4 установлен на валу двигателя 5 с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства. В диске 4 выполнен секторный вырез, угол α секторного выреза для случая М лазеров определяется по соотношению
α= - , где r_i - расстояние между оптической осью устройства и оптической осью i-го лазера;
d_i - эффективный размер луча i-го лазера;
η - (2-3) коэффициент запаса.

(Для случая М= 3 при диаметрах лазерных пучков, не превышающих 1-2 мм, можно выбирать угол секторного выреза равным 120^о, т. е. α = 360^о/M). Светоделительные параллелепипеды 6, 7 и 8 установлены под углом 120^одруг по отношению к другу, при этом боковые ребра светоделительных параллепипедов 6, 7 и 8 перпендикулярны оптической оси устройства. Две меньшие грани светоделительных параллелепипедов 6, 7 и 8 имеют полупрозрачные покрытия и ориентированы таким образом, что через первую меньшую грань каждого светоделительного параллелепипеда 6, 7 и 8, обращенную к интерферометру 12, проходит оптическая ось соответствующего лазера 1, 2 и 3, составляющая с этой гранью угол 45^о, через вторую меньшую грань каждого светоделительного параллелепипеда 6, 7 и 8, обращенную к диску 4, проходит оптическая ось устройства, составляющая с этой гранью угол 45^о. Три фоторегистрирующих элемента 9, 10 и 11 установлены на оптических осях лазеров 1, 2 и 3 между светоделительными параллелепипедами 6, 7 и 8 и интерферометром 12.

На фиг. 3 показан один канал оптической схемы интерферометра 12 Рэлея. Однако в качестве интерферометра 12 может быть использован любой двухлучевой интерферометр. Схема одного канала интерферометра 12 состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси отрицательной линзы 15, оптического уголкового элемента 16, положительной линзы 17, диафрагмы 18 с двумя узкими щелями, положительной линзы 19, цилиндрической линзы 20 и фотопреобразователя 13. Между положительной линзой 17 и диафрагмой 18 установлены контрольная и измерительная кюветы 21 и 22, оси которых параллельны оптической оси устройства. Контрольная кювета 21 вакуумируется, а в измерительную кювету 22 вводится исследуемое вещество. Оптический уголковый элемент 16 состоит из двух прозрачных плоскопараллельных пластин равной толщины и устанавливается симметрично оптической оси устройства таким образом, чтобы его ребро было параллельно оси цилиндрической линзы 20. Размер зрачка d_ффотопреобразователя 13 (14) выбирается из условия
d.ф

Второй канал интерферометра 12 полностью аналогичен первому, но вместо измерительной кюветы 22 используется вакуумированная контрольная кювета.

Обобщенная структурная схема электронной части предлагаемого устройства помимо трех фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11 и двух фотопреобразователей 13 и 14 содержит блок 23 измерения дробной части интерференционной полосы, блок 24 регистрации целых интерференционных полос, схему ИЛИ 25, генератор 26 пилообразного напряжения, преобразователь 27 поворота, блок 28 формирования запрета, коммутатор 29, три регистра 30, 31 и 32 памяти и блок 33 вычисления. Кроме того, каждый фоторегистрирующий элемент 9 (10, 11) состоит из последовательно включенных фотопреобразователей 34 (35, 36) и формирователей импульсов 37 (38, 39). Выходы фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11 соединены с тремя управляющими входами блока 24 регистрации целых интерференционных полос, с тремя управляющими входами коммутатора 29, а также с тремя входами схемы ИЛИ 25, выход которой соединен с управляющим входом генератора 26 пилообразного напряжения, выход которого соединен с входом преобразователя 27 поворота, жестко скрепленного с оптическим уголковым элементом 16 интерферометра 12. Два информационных входа блока 23 измерения дробной части интерференционной полосы подключены к выходам фотопреобразователей 13 и 14, управляющий вход блока 23 подключен к выходу блока 28 формирования запрета, вход которого подключен к выходу схемы ИЛИ 25, а выход блока 23 соединен с первым входом коммутатора 29 и входом блока 24 регистрации целых интерференционных полос, выход которого соединен с вторым входом коммутатора 29, три выхода которого соединены с входами трех соответствующих регистров памяти 30, 31 и 32, выходы которых соединены с тремя соответствующими входами блока 33 вычисления.

Блок 23 измерения дробной части интерференционной полосы состоит из двух фильтров 40 и 41, двух усилителей 42 и 43, двух схем 44 и 45 сравнения, двух схем 46, 47 выделения переднего фронта импульса, двух схем 48 и 49 выделения заднего фронта импульса, генератора 50 импульсов, трех измерителей 51, 52 и 53 интервала, схемы 54 суммирования и схемы 55 деления. Вход фильтра 40 подключен к выходу фотопреобразователя 13, а выход соединен с входом усилителя 42, выход которого соединен с первым входом схемы 44 сравнения, выход которой соединен с входами схем 46 и 48. Вход фильтра 41 подключен к выходу фотопреобразователя 14, а выход соединен с входом усилителя 43, выход которого соединен с первым входом схемы 45 сравнения, выход которой соединен с входами схем 47 и 49. На вторые входы схемы 44 и 45 сравнения подается постоянное напряжение U_o. Три входа измерителя 51 интервалов подключены к выходам схем 46 и 47 и к выходу генератора 50 импульсов, а выход измерителя 51 соединен с первым входом схемы 54 суммирования. Три входа измерителя 53 интервалов подключены к выходам схем 48 и 49 и к выходу генератора 50 импульсов, а выход измерителя 53 соединен с вторым входом схемы 54 суммирования, выход которой соединен с первым входом схемы 55 деления. Два входа измерителя 52 интервалов подключены к выходу схемы 47 и выходу генератора 50 импульсов, а выход измерителя 52 соединен с вторым входом схемы 55 деления, выход которой соединен с первым входом коммутатора 29 и входом блока 24. Кроме того, управляющие входы измерителей 51, 52 и 53 подключены к выходу блока 28 формирования запрета.

Блок 24 регистрации целых интерференционных полос состоит из первого коммутатора 56, трех регистров 57, 58 и 59 памяти, второго коммутатора 60 и схемы 61 сравнения кодов. Первый вход схемы 61 сравнения кодов и вход коммутатора 56 подключены к выходу блока 23 измерения дробной части интерференционной полосы. Три выхода коммутатора 56 соединены с соответствующими входами трех регистров 57, 58 и 59 памяти, выходы которых соединены с тремя соответствующими входами коммутатора 60, выход которого соединен с вторым входом схемы 61 сравнения кодов, выход которой соединен с вторым входом коммутатора 29. Кроме того, три управляющих входа коммутатора 56 и три управляющих входа коммутатора 60 подключены к соответствующим выходам трех фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11.

При увеличении параметра М (например, при М= 4) потребуется ввести в устройство дополнительно один лазер и изменить взаимное положение лазеров, изменить угол секторного выреза диска 4 со 120^о на 90^о, ввести в устройство дополнительно один светоделительный параллелепипед и изменить ориентацию параллелепипедов, ввести в устройство дополнительно один фоторегистрирующий элемент, расширить число управляющих входов коммутаторов 29 и 56 с трех до четырех, ввести дополнительно два регистра памяти (один в блок 24), а также увеличить число информационных входов блока 33 вычисления с трех до четырех. Аналогичным образом можно осуществлять перестройку предлагаемого устройства для случая М > 4.

Устройство работает следующим образом.

Пучки света от лазеров 1, 2 и 3 поступают в плоскость вращения диска 4. Радиус диска 4 R_д выбирается из условия
R_д>{ r_i} . Секторный вырез в диске 4 выполнен таким образом, чтобы в любом положении диска 4 сквозь него мог проходить не более, чем один световой пучок (световой пучок от лазера 1 на фиг. 1). В процессе вращения диска 4, жестко скрепленного с валом двигателя 5, на периферийные грани светоделительных параллелепипедов 6, 7 и 8, имеющие полупрозрачные покрытия, поочередно поступают световые пучки от соответствующих лазеров 1, 2 и 3, которые, отражаясь от обеих граней с полупрозрачными покрытиями, передаются на вход интерферометра 12 (при этом оси световых пучков совпадают с оптической осью устройства). При равномерном вращении диска 4 за время полного его поворота время Т присутствия на входе интерферометра 12 каждого светового пучка составит ≅ Т/3. Продолжительность присутствия на входе интерферометра 12 каждого пучка света контролируется с помощью фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11, на выходах которых формируются логические импульсы, по длительности соответствующие времени присутствия на входе интерферометра 12 того или иного светового пучка (фиг. 7а, б, в). Логические импульсы с выходов фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11 поступают на три входа схемы ИЛИ 25, на выходе которой формируется логическая импульсная последовательность, составляющие импульсы которой во временном отношении соответствуют импульсам на выходах фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11 (см. фиг. 7г). Логическая импульсная последовательность поступает на управляющий вход генератора 26 пилообразного напряжения, который при поступлении каждого очередного импульса генерирует сигнал пилообразного напряжения, поступающий на вход преобразователя 27 поворота (см. фиг. 7д). При поступлении сигнала пилообразного напряжения угол ориентации оптического уголкового элемента 16, жестко скрепленного с преобразователем 27 поворота, изменяется по линейному закону, в результате чего осуществляется модуляция оптической разности хода в плечах интерферометра 12.

Световые пучки, поступающие на вход интерферометра 12, расширяются с помощью телескопической системы, состоящей из линз 15 и 17, проходят через измерительную и контрольную кюветы 21 и 22 и дифрагируют на щелях диафрагмы 18. Дифрагировавшие световые пучки собираются линзой 19 в ее фокальной плоскости с образованием двух интерференционных картин (по одной в каждом канале), которые увеличиваются с помощью цилиндрической линзы 20 и регистрируются с помощью фотопреобразователей 13 и 14. Взаимный сдвиг упомянутых интерференционных картин несет информацию об относительных изменениях показателя преломления в кюветах 21 и 22. В процессе осуществления интерференционной модуляции оптической разности хода в плечах интерферометра 12 в световом потоке, поступающем на вход каждого фотопреобразователя 13 и 14, присутствуют постоянная и переменная составляющие. При этом для каждого светового пучка (для лазеров 1, 2 и 3) величины этих составляющих в общем случае будут различными. Электрические сигналы на выходах фотопреобразователей будут повторять вид световых сигналов на их входах (см. фиг. 7ж, з). При линейном характере модуляции относительный фазовый сдвиг между переменными составляющими электрических сигналов будет пропорционален относительному пространственному сдвигу интерференционных картин. Постоянные составляющие в электрических сигналах на трех различных периодах модуляции, соответствующих различным световым пучкам, могут быть приняты приблизительно одинаковые (при этом постоянная составляющая для обоих электрических сигналов на выходах фотопреобразователей 13 и 14 равна U_-). Амплитуда модуляции оптической разности хода А в плечах интерферометра 12 должна выбираться из условия
A= [2.5; 3.0 { λ_i} .

Электрические сигналы с выходов фотопреобразователей 13 и 14 поступают на входы соответствующих фильтров 40 и 41, использующихся для исключения постоянной составляющей U_-. Далее сигналы усиливаются усилителями 42 и 43 и подаются на входы соответствующих схем 44 и 45 сравнения. На вторые входы упомянутых схем 44 и 45 сравнения подаются постоянные напряжения U_о, не превышающие по величине минимальной амплитуды переменных составляющих электрических сигналов. В моменты достижения сигналами на первых входах схем 44 и 45 сравнения уровней U_она выходах этих схем формируются передние (при возрастании электрических сигналов) в задние (при уменьшении электрических сигналов) фронты логических импульсов. Эти моменты времени фиксируются соответственно схемами 46 и 47 выделения переднего фронта импульсов (см. фиг. 7и, л) и схемами 48 и 49 выделения заднего фронта импульса (см. фиг. 7к, м), которые формируют в эти моменты времени короткие импульсы, поступающие на входы измерителей 51, 52 и 53 интервалов. Управление работой измерителей 51, 52 и 53 интервала осуществляется с помощью блока 28 формирования запрета. При этом работа измерителей 51, 52 и 53 запрещается на некоторое время Т_зап, начиная с момента появления каждого очередного импульса на выходе схемы ИЛИ 25. Последнее осуществляют с целью исключить влияние переходных процессов, имеющих место на выходах фильтров 40 и 41 при исключении постоянных составляющих, на результат измерения. Величина времени запрета на практике может выбираться из условия
T sup , где V - скорость принудительного перемещения интерференционной картины в плоскости зрачка фотопреобразователя.

Т_зап следует выбирать равным половине наибольшего периода электрического сигнала (см. фиг. 7е). По окончании времени запрета на каждом периоде модуляции (в данном случае за один поворот диска 4 реализуются три периода модуляции) измерители 51, 52 и 53 осуществляют измерение трех временных интервалов. Измеритель 51 осуществляет измерение временного интервала между первым импульсом (после снятия запрета), поступающим с выхода схемы 46, и первым импульсом, поступающим с выхода схемы 47 (см. фиг. 7н). Измеритель 52 осуществляет измерение временного интервала между первым и вторым импульсами (после снятия запрета), поступающими с выхода схемы 47 (см. фиг. 7п). Измеритель 53 осуществляет измерение временного интервала между первым импульсом (после снятия запрета), поступающим с выхода схемы 48, и первым импульсом, поступающим с выхода схемы 49 (см. фиг. 7о). Измерение упомянутых временных интервалов осуществляется путем заполнения их импульсами высокочастотного генератора 50 и подсчета числа этих импульсов. Далее на каждом периоде модуляции осуществляется суммирование значений интервалов (в цифровом виде), измеренных измерителями 51 и 53. Эта операция осуществляется с помощью схемы 54 суммирования. На заключительном этапе на каждом периоде модуляции величины дробной части интерференционной полосы δ_i определяются путем деления полученных результатов суммирования на соответствующие значения временных интервалов, измеренных измерителем 52. Эта операция осуществляется с помощью схемы 55 деления. Соотношение для определения величины дробной части интерференционной полосы имеет вид
δ_i= 1 ≅i≅M= 3 , где t_1i - величина временного интервала, измеренного измерителем 51 на i-ом периоде модуляции;
t_2i - величина временного интервала, измеренного измерителем 52 на i-ом периоде модуляции;
T_i - величина временного интервала, измеренного измерителем 52 на i-ом периоде модуляции.

Измеренное на каждом периоде модуляции значение δ_i передается в параллельном коде на первый вход коммутатора 28 и на вход блока 24 регистрации целых интерференционных полос. На каждом периоде модуляции коммутаторы 29, 56 и 60 (трехразрядный параллельный код, образованный импульсами с выходов фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11 и поступающий на управляющие входы упомянутых коммутаторов) устанавливаются в одно из четырех возможных состояний (четвертое состояние отвечает моментам отсутствия импульсов на выходах фоторегистрирующих элементов 9, 10 и 11 (см. фиг. 7г). Так, например, в первом состоянии (на интервале формирования импульса на выходе фоторегистрирующего элемента 9) коммутаторы 56 и 60 обеспечивают подключение регистра 57 памяти. Во втором и третьем состояниях подключаются соответственно регистры памяти 58 и 59. Регистрация целых интерференционных полос осуществляется по методу "трех зон", в котором осуществляют периодическое сравнение текущих значений δ_ij и значений δ_ij-1, полученных на предыдущем (j-1)-ом периоде поворота диска 4. Значения δ_ij-1, зафиксированные на предыдущем периоде поворота диска 4, хранятся в трех регистрах 57, 58 и 59 памяти и поочередно (каждое на своем периоде модуляции) подаются на вход схемы 61, сравнения кодов. На другой вход этой схемы подаются текущие значения δ_ij. По результатам логического анализа схема 61 сравнения кодов формирует команду на изменение содержимого регистра целых в одном из соответствующих регистров памяти 30, 31 и 32. Таким образом, за один полный оборот диска 4 обновляется информация во всех трех регистрах 30, 31 и 32 памяти. По окончании процесса измерения в регистрах 30, 31 и 32 памяти фиксируются результирующие значения порядков интерференции N_i (целая и дробная часть интерференционной полосы), причем накопление информации во всех трех, регистрах 30, 31 и 32 осуществляется параллельно. Затем полученные значения N_i выводятся в блок 33 вычисления, где на первом этапе осуществляется определение значений показателей преломления для трех длин волн. Расчет показателя преломления n_i осуществляется по формуле
n_i= +1 , где d_k - длина измерительной (контрольной) кюветы 22 интерферометра 12.

На следующем этапе в блоке 33 вычисления определяются коэффициенты А_о, А₁, А₂, входящие в уравнение дисперсии
n_i = A_o + A₁ λ_i^-2 + A₂ λ_i^-4 + . . .

Расчет коэффициентов А_о, А₁, А₂ осуществляется для случая М= 3 путем решения системы из трех уравнений вида

Определение коэффициентов в уравнении дисперсии существенно облегчает анализ оптических свойств вещества в области длин волн λ₁, λ₂, λ₃. (56) Авторское свидетельство СССР N 741121, кл. G 01 N 21/45, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 1111077, кл. G 01 N 21/45, 1983.

1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ВЕЩЕСТВА, содержащее интерферометр с оптическим уголковым элементом, оптическая ось интерферометра является оптической осью устройства, M лазеров, оптические оси которых параллельны оптической оси устройства, а выход интерферометра электрически связан с последовательно соединенными блоком измерения дробной части интерференционной полосы, блоком регистрации целых интерференционных полос, коммутатором, один из управляющих входов которого соединен с выходом блока измерения дробной части интерференционной полосы, M регистрами памяти, выходы которых соединены с блоком вычисления, а также генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен с преобразователем поворота, кинематически связанным с оптическим уголковым элементом интерферометра, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и уменьшения времени измерения, в устройство дополнительно введены последовательно расположенные вдоль его оптической оси между M лазерами и интерферометром непрозрачный диск с секторным вырезом, M светоделительных параллелепипедов, на две меньшие грани каждого из которых нанесены полупрозрачные покрытия, и M фоторегистрирующих элементов, состоящих каждый из включенных последовательно фотопреобразователя и формирователя импульсов, а также схема ИЛИ и блок формирования запрета, при этом диск установлен симметрично относительно оптической оси устройства с возможностью вращения в плоскости, ей перпендикулярной, каждый светоделительный параллелепипед установлен таким образом, что через его меньшую грань, обращенную к интерферометру, проходит оптическая ось одного лазера, образующая с этой гранью угол 45^o, через вторую меньшую грань, обращенную к диску, проходит оптическая ось устройства, также образующая с этой гранью угол 45^o, а его боковые ребра перпендикулярны оптической оси устройства, выходы M фоторегистрирующих элементов соединены с M управляющими входами блока регистрации целых интерференционных полос, с M управляющими входами коммутатора, а также с M входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с управляющим входом генератора пилообразного напряжения и входом блока формирования запрета, выход которого соединен с управляющим входом блока измерения дробной части интерференционной полосы. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что M лазеров установлены таким образом, что плоскости, проведенные через их оптические оси и оптическую ось устройства, образуют друг с другом одинаковые углы, а угол α секторного выреза диска определяют по соотношению
α= - ,
где r_i - расстояние между оптической осью устройства и оптической осью i-го лазера;
d_i - эффективный размер луча i-го лазера;
η - коэффициент запаса, 2 << η << 3 .