Способ определения пропускания когерентного излучения оптическими средами и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01N21/88 G01N21/59 

Изобретение относится к области фотометрических измерений, а именно к способам определения пропускания оптических сред, и может быть использовано в приборостроении.

Цель изобретения - повышение точности определения пропускания образцов оптических сред в когерентном излучении, расширение возможностей способа путем определения наличия в образце неоднороднос- тей, контроль всего объема образца.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - пространственно-частотный спектр, снятый по предлагаемому способу, при измерении пропускания образца без неоднородностей; на фиг. 3 - то же, для образца, содержащего локальные неоднородности 1-3 мм; на фиг. 4 - то же, для образца, содержащего неоднородности по ГОСТу.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения, коллиматор 2, формирующий плоский фронт когерентного излучения, устройство 3 крепления образца оптической среды, образец оптической среды 4, Фурье-преобразующую линзу 5, диафрагму-фильтр 6 пространственных частот, датчик 7 фотометра. Способ осуществляют с применением устройства следующим образом. Коллиматор 2 формирует плоский фронт

когерентного излучения источника 1. Об- разец 4 оптической среды фиксируется с помощью устройства 3 крепления образца оптической среды, в котором предусмотрена возможность вращения образца вокруг оси, проходящей через центр сечения когерент- ного пучка и являющейся оптической осью всего устройства в целом. Фурье-преобразующая линза 5 формирует пространственно-частотный спектр излу- чения, прощедщего через образец оптичес- кой среды 4. В фокальной плоскости Фурье- линзы 5 располагается диафрагма-фильтр 6 пространственных частот, в которой выпол- нены отверстия для выделения требуемых областей пространственно-частотного спектра излучения, прошедшего через образец оптической среды 4.

Датчик 7 фотометра осуществляет измерение энергии, выделенной диафрагмой- фильтром 6, областей пространственно-частотного спектра излучения, прошедшего через образец оптической среды 4 и исходной энергии плоского когерентного пучка без образца. Размеры Фурье-спектра и его масштаб связаны с параметрами образца соотношениями

ZjTx Г

1Л -- w -

где х,у - координаты пространственно-частотного спектра;

А- длина волны когерентного излучения;

1406453

f - фокус Фурье-преобразующей линзы;

5

5

0

- пространственные частоты излучения, прошедшего через образец оптической среды.

Наличие пространственных неоднородностей в образце 4 определяется по энергии выделенной диафрагмой б части высокочастотных составляющих пространственно-частотного спектра излучения, прошедшего через

0 образец оптической среды 4. Отсутствие энергии в данной области спектра указывает на отсутствие фазовых неоднородностей в образце оптической среды 4. Контроль всего объема образца осуществляется путем его вращения вокруг оптической оси устройства. Принципиальным отличием способа является формирование пространственно- частотного спектра излучения, прощедшего через образец оптической среды, что позволяет не только измерять энергию прошедше0 го через образец излучения, но и контролировать наличие в нем фазовых неоднородностей, которые увеличивают размеры спектра пространственных частот и приводят к появлению более высокочастотных составляющих в нем. При выделении части пространственно-частотного спектра, содержащей высокочастотные составляющие, соответствующие наличию фазовых неоднородностей в образце оптической среды, определяют наличие неоднородностей.

Q Кроме того, способ позволяет измерять пропускание образцов оптических сред различных геометрических размеров. При этом размеры образца определяются возможностью формирования параллельного пучка когерентного излучения с сечением, требу5 емым для освеп ения всего образца, и размерами Фурье-преобразующей линзы.

Поскольку Фурье-спектр обладает центральной симметрией и образующие его компоненты соответствуют фазовым набегам излучения в контролируемой среде (причем знак набега фазы не определен), то при фиксированном положении образца датчик контролирует набег фазы в определенном сечении последнего. Следовательно, для контроля всего объема образца по всем его се5 чениям необходимы центрально-симметричный датчик (кольцо) или вращение образца в плоскости, параллельной плоскости формирования спектра, вокруг оси, перпендикулярной плоскости спектра и проходящей через его центр симметрии.

0

Пример. Проводятся измерения пропускания образцов оптических сред с диаметром до 120 мм (пластины ПИ--120) на базе оборудования оптической скамьи ОСК-2. Измеряется пропускание пластины ПИ-120

5 по известной методике. Далее измеряются пропускание этой же пластины на спектрофотометре СФ-18, а затем - по предлагаемому способу. Далее на пластину (1/16

площади поверхности) наносится мелкодисперсное локальное покрытие с коэффициентом пропускания, близким к единице, и коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления исходного материала, соответствующее требованиям ОСТ3.4924-81 п.2. Вновь проводятся измерения пропускания по трем предыдущим методикам. Результаты измерений отражены в таблице.

Пространственно-частотные спектры снятые по предлагаемому способу используются для измерения пропускания образца без неоднородностей (фиг.2); образца, содержащего локальные неоднородности 1-3 мм (фиг. 3); образца, содержащего неоднородности, соответствующие п. 2 ОСТ 3.4924-81. На указанных графиках Е - напряжение на, датчике фотометра с рабочим диаметром 10 мкм; 2.- отклонение положения датчика фотометра от оптической оси устройства. Пунктирной линией обозначены пространственно-частотные спектры излучения, прощедшего через устройство без образца оптической среды.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют автоматизировать процесс отбора образцов для измерения пропускания оптических сред, измерять параметры образцов различных геометрических размеров, повысить точность и надежность измерений в когерентном излучении. Устройство, реализующее предлагаемый способ, позволяет уменьшить время подготовки образцов оптической среды к измерениям в 3 раза; точность измерений повыща- ется на порядок (до 0,005%). При этом обеспечивается повыщение производительности труда при измерении пропускания оптических сред в когерентном излучении в 2-3 раза, осуществляется надежный контроль оптической однородности среды.

Формула изобретения

. Способ определения пропускания когерентного излучения оптическими средами, заключающийся в том, что формируют плоский когерентный монохроматический пучок электромагнитного излучения, измеряют энергию этого пучка, направляют пучок излучения на образец и вычисляют величину пропускания образца оптической среды, отличающийся тем, что, с целью повыщения

0

точности определения пропускания крупногабаритных образцов, проводят Фурье-преобразование излучения, прошедшего через образец, выделяют из полученного Фурье- спектра пространственные частоты, соответствующие геометрическим размерам части образца, через которую проходит пучок излучения, и измеряют энергию выделенной области спектра, а пропускание вычисляют как отнощение энергии выделенной области спектра к исходной энергии.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расщирения возможностей способа путем определения наличия в образце неоднородностей, после Фурье-преобразования

5 излучения, прошедшего через образец, дополнительно выделяют часть Фурье-спектра, не содержащую спектральных состав.тяю- щих, соответствующих пропусканию части образца, через которую проходит пучок излучения, и судят о наличии неоднороднос0 тей по положительной величине энергии, соответствующей дополнительно выделеииой части Фурье спектра.

3.Способ по ЦП. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью обеспечения контроля все5 го объема образца оптической среды, его вращают вокруг оси, проходящей через центр сечения когерентного пучка.

4.Устройство для определения пропускания когерентного излучения оптическими

,. средами, содержащее последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник когерентного излучения, коллиматор, формирующий плоский когерентный пучок электромагнитного излучения, устройство крепления образца оптической

с среды, Фурье-преобразующую линзу, датчик фотометра, расположенный в фокальной плоскости линзы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения пропускания крупногабаритных образцов, расширения возможностей путем определе0 ния в образце неоднородностей и обеспечения контроля всего образца, оно дополнительно снабжено диафрагмами-фильтрами пространственных частот, пропускающей и теневой, расположенными в фокальной плосс кости Фурье-линзы перед датчиком и снабженными механизмом их попеременного ввода на оптическую ось, оптическая ось коллиматора, вершина Фурье-линзы, ее фокус и центр датчика фотометра лежат на одной прямой, причем устройство крепления об0 разца выполнено с возможностью вращения его вокруг данной прямой.

По ОСТ 3,4924-81 на базе ОСК-2

По ОСТ 3.4924-81 на спектрофотометре СФ-18

По предлагаемому способу на базе ОСК-2

0,930,930,930,93

0,927-0,9240,927

0,9264 0,9262 0,9262 0,8346

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптическом приборостроении при контроле качества оптического стекла. Цель изобретения - повышение точности определения пропускания образцов в когерентном излучении и расширение возможностей способа за счет определения наличия в образце неод- нородностей, а также контроль всего объема образца. При формировании плоского когерентного пучка, измерении его энергии и определении пропускания оптической среды (как отношения энергии пучка, прошедшего через среду к первоначальной) форми- мируют пространственно-частотный спектр излучения, прошедшего через образец оптической среды, и выделяют частоты, соответствующие пропусканию образца данных геометрических размеров. Размеры Фурьеспектра и его масштаб связаны с параметрами образца определенными соотноп ения- ми. После последовательно расположенных источников когерентного излучения, коллиматора, формирующего плоский когерентный пучок, устройства крепления образца оптической среды и Фурье-преобразующей линзы в фокальной плоскости линзы дополнительно установлена диафрагма, осуществляющая пространственную фильтрацию сигналов в плоскости Фурье-преобразования, которой является фокальная плоскость линзы. Отверстия в диафрагме-фильтре на определенной пространственной частоте выделяют требуемую область пространственно-частотного спектра, соответствующую либо пропусканию образца данных геометрических размеров (т.е. низкочастотную составляющую), либо наличию фазовых неод- нородностей в образце (т.е. высокочастотные составляющие). Для определения пропускания оптических сред в когерентном излучении применяется монохроматическое когерентное излучение, соответствующее рабочей длине волны, что позволяет использовать методы пространственной фильтрации и Фурье-спектрометрии при обработке, а это повышает точность определения пропускания образцов оптических сред и позволяет контролировать наличие фазовых неодно- родностей в них. Кроме того, использование монохроматического источника при измерении оптических параметров среды исключает ошибки измерения, связанные с взаимодействием среды и излучений на нерабочих длинах волн, обусловленные тем, что применяемые фильтры имеют конечный спектральный диапазон пропускания. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил. S (Л 05 4 01 00

та

10 -го -го -10 о 1Q 20 я чо ft,.

«/г -W -20 -10 о 10 го JO «г ffHxfl

р« f(Р«. J

Фиг.1