Способ измерения длины периодичности траекторий лучей в граданах Советский патент 1988 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к технике интерференционных оптических измерений и может быть использовано при измерениях оптических характеристик сред с градиентом показателя преломления ,

Цель изобретения - повьшение точности и производительности из ерений

На фиГс1 показано преобразование плоского волнового фронта градиентны ми образцами диливдрической формы ( П-падающий плоский волновой фронт, Z - направление распространения излучения, ось образца, Lp - половина длины периодичности траектории лучей

LO, - поло P Z

в идеальном градане, Lp вины длин периодичности траекторий лучей в образцах, Э - точки внеосе- вьпс экстремз ов волнового фронта, геометрические места точек экстремумов волнового фронта, места параллельного оси выхода лучей из образца); на фиг о 2 - направление движения интерференционных полос в окрестностях экстремумов волнового фронта при задержке опорного волнового фронта до положе 1ия F по сравнению с исходным F; на фиг.З - распределение показателя прело1Ушения . в пластине толдц-шой 2d ( значе}ше показателя преломления на оси хшастины п,- значение показателя преломления на краю образца); на фиг.4 - ход лучей в пластине с распределенным показателем преломления (Х, - высота входа. луча в пластину толщиной 2d,Z - направление распространения излучения, X, - высота входа луча с меньшей длиной периодичности траектории); на фиг.З - положение внеосе- вого экстремума на волновом фронте, выходящем из пластины на высоте rfa фиг с 6 - зависимости длины периодичности траекторий лучей от высоты входа для цилиндрических образцов из стекла ОФЗ-1 диаметром 1 мм, полученных путем ионообменной диффузионной обработки в расплаве нитрата натрия при для различных времен диффузионной обработки; на фиг.7 - зависимости длины периодичности траекторий лучей для ципиндрических образцов диаметром 1 мм из стекла ПР-1 для различных времен обработки заг,о товок в расплаве нитрата натрия при (кривая 1 соответствует времени обработки 8,6 ч, кривая 2 - 10„.6 ч кривая-3 - 11,6 ч, кривая 4 - 12,6 ч)

на фиг о8 - измеренные зависимости длины периодичности для граданов из стекла ОФЗ-1 диам-етром 1 мм); на фиг. 9 - зависимости длины периодичности траекторий лучей в граданах из таллийсодержащего стекла ОТФ-944 (кривая 5 соответствует длине волны , 486 нм, кривая 6 - -/ 632,6 нм; граданы диаметром 3,3 мм получены путем одностадийной ионообменной диффузионной обработки в расплаве нитрата калия в течение 220 ч при на фиГоЮ - схема измерения аберрации длины периодич ности траекторий лучей в градиентных средах для нескольких образцов одновременно в интерферометре Маха-Цендера; на фиг.11 то же, в интерферометре Ifepol

Устройство для осу)цествления способа содержит полупрозрачные зеркала 7, сплошные зеркала 8 и кювету 9 с иммерсионной жидкостью 10„

Способ осуществляют следующим образом.

Перед началом измерений определяют длины 1 отрезков граданов 11, помещают их в рабочий пучок интерференционной системы и в образованном интерференционном поле полос равной толщины наблюдают внеосевые экстремумы интерференционной картины,

Радиально-симметричное распределение показателя преломления имеет вид

пЧг)п„ (1-8

со

Ik in

(1)

. С 1 % + g .1 )

К 1

где (Ь J- - аберрационные коэффициенты;

5

0

5

п.

п(г)

g

-значение показателя преломления на оси образца;

-значение показателя преломления на расстоянии

г .от оси;

-постоянная распространения ;

Траектория луча в среде с распределенным показателем преломления определяется из лучевого уравнения

2

ч1 ( (т

d 2п(г„)соз й / dr

где УД - угол наклона луча к оси после преломления

нормального падения й торец лучевое уравпорядка имеет вид

,

- 1. (3)

п (iL

Чг,)

п

Уравнение (3) описывает изменение наклона луча к оси образца вдоль траектории. Анализ уравнения (3) показывает, что луч, вошедший параллельно оси на высоте г, не может отклониться на большее расстояние, чем г (иначе (dr/dZ) меньше нуля), параллелен оси луч при ( г| , т.е. когда n(r)n(r).B силу свойств среды и уравнения траектория луча является периодической функцией от Z ( Z - координата, отсчитываемая вдоль оси градиентного образца). ДЛи- ну периодичности обозначим 2 Lp.

Таким образом, луч, вошедший в градиентный образец на расстоянии г от оси, выйдет из него параллельно оси на том же удалении от нее на расстоянии Ъ„ от входного торца

Образец длиной Lp li /g с идеальным распределением показателя преломп л

ления п Пд , Sech gr преобразует плоский фронт в плоский (фиг. 1 ). Образец большей длины преобразует плоский волновой фронт в сходящийся с одним осевым экстремумом, образец длиной создает на выходе расходящ шся волновой фронт с одним осевым экстремумом,,

Для среды с распределением показателя преломления, отличным от идеального, характер волнового фронта на выходе отличается „ некоторой длине образца фронт будет сходящимся. Для образца меньшей длины на волновом фронте появляются внеосевые экстремумы, которые соответствуют геометрическим местам точек выхода лучей, параллельных оси. ;фи уменьшении длины образца положение экстремумов относительно оси изменяется. Расстояние от оси может как увеличиваться, так и уменьшаться. Одновременно могут наблюдаться несколько экстремумов. Характер волнового фронта в окрестности экстремумов можно определить в интерферометрео Для этого образец помещается в рабочее плечо интерферометра Маха-Цендера. В опорное плечо помещается толстая плоско- параллельная пластинка, которая может впащаться вокруг вертикальной

оси, плдсрживая опорный волионоп фронт. Есл) nHTt jn|)ep(iMCTp Оьш прсд- ваплте.чьно настроен на полосу бесконечности ширины, то при введении задержки иF тepфepeн даoнныe полосы разбегаются из экстремума волнового фронта, если фронт в окрестности экстремумй расходящийся, и сбегаются

к нему, если фронт расходявшйся (фиг о 2 ).

Таким образом, при постепенном уменьшении длины образца -(например, при постепенном его сошлифовывании)

от длины , до длины координаты лиеосеиых экстремумов изменяются, поэтому измеряют расстояние г- от оси до положения центра геометрического местг экстремумов волнового фронта. Длина образца, для которого имеют место экстремумы волнового фронта, соответствует одной или нескольким половинам длин периодичности для данной высоты входа луча

В образец, поэтому длину периодичности траекторий лучей I. для высоты входа луча г; определяют по формуле.

0

5

0

5

0

5

L,(r;) - 1;(г;),

где К 1,2,... N(N - величина, зависимая от максимальной длины града- на) о

Указанные закономерности в преобразовании плоского волнового фронта справедливы и для нескольких образцов, помещенных в интерферометр одновременно. того, указанные особенности преобразования.плоского волнового фронта сохраняются и для сред с произвольной осевой симметрией распределения показателя преломления Геометрические места точек экстремумов волнового фронта представляют собой линии постоянного значения показателя преломления. Например, для плоскопараллельной пластины с градиентом показателя преломления в плоскости, перпендикулярной оси падающего фронта, геометрические места экстремумов представляют собой прямые линии (фиг.5). Г4)и этом распределение показателя преломления при общем его уменьшении от центра к периферии образца имеет участки с неизмененными значениями показателя преломления (фиГоЗ).

11)оведя измерения для всех длин 1; граданов, получим зависимость L;

от Г(., по которой судят о длине периодичности траектории лучей в града не для произвольной высоты входа луча в градан.

На фиг.7 показаны зависимости длины периодичности траекторий лучей от высоты входа для градана из стекла ПГ-1 . Диапазон изменения дли для образца, прошедшего ионообмен-° iHyra обработку в течение 8,6 ч, составляет 26,18 - 12,89 мм о 1Три погрешности измерения длины ±0,005 мм максимальная относительная погрешность составляет величину 0-,05%,

Точность измерения геометрического места точек экстремумов волнового фронта определяется экспериментально Д)и измерении диаметров калиброванных образцов диаметром 0,5, j1, 1, 5 мм в регистрирующей оптической |системе, состоящей из горизонталь- |ного микроскопа ИГ с окуляр-микро- метром MOB-1-15 и об7:.ективом 3 (общее увеличение 45), абсолютная погрешность измерения диаметров в делениях окуляр-микрометра составляет ±2 дел. Диаметрь образцов в делениях составляют соответственно 230, 460 и 690 деЛо Относительная погрешность измерения диаметров соответственно 0,9, 0,4, 0,3%с

Так как измеряется относительное расстояние центров.геометрических экстремумов волнового фронта или его квадрат, то погрешность измерения не превьаиает 10%.

На фиг о 8 показаны измеренные зависимости длины периодичности от высоты входа для граданов из стекла ОФЗ-1о Разброс диаметров в делениях от 460 до 464 -дел..В пределах погрешности измерений с учетом разброс диаметров заготовок граданы идентичны в пределах погрешности одновремено проведенных измерений, В качеств источника излучения использовался He-Cd-лазср с рабочей длиной волны

486 нмо Хроматические аберрации дли-i ны периодичности траекторий лучей практически отсутствуют Это находится в соответствии с соотношение (3). Измерения указанной зависимости для граданов на основе таллийсодер- жащего стекла ОТФ-944, проведенные на длинах волн 486 и 628,3 нм, показаны на фиг.9.

Формула изобретения

Способ измерения длины периодичности траекторий лучей в граданах, включающий пропускание светового потока через граданы параллельно их оси, регистрацию прошедшего светового потока, по результатам которой судят о длине периодичности траекторий лучей в граданах, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений, пропускают световой поток

через граданы с различной длиной 1, где 1 - число граданов, при регистрации прошедшего светового потока измеряют форму его волнового фронта путем формирования из прошедшего

светового потока интерфере нционного поля полос равной толщины и измерения координаты , внеосевых экстремумов интерференционного поля каждого градана, затем определяют длину периодичности траекторий лучей

L для высоты входа луча градане по формуле

L;(r;) -|-1;(г-).

в каждом

где К 1,2,o.e,N;

N - величина, определяемая максимальной длиной градана, и строят зависимость от Г , а о длине периодичности траекторий лучей в градане для произвольной высоты входа луча в градан г судят по этой зависимости

F

(pus. 2

Х(7 -

х,

Изобретение относится к области интерференционных измерений и может быть использовано при измерении dn- тических характеристик сред с градиентом показателя преломления. Цель - повышение точности измерений длины -периодичности траекторий меридиональных лучей в средах с симметричным распределением показателя преломления, не имеющим составляющей градиента вдоль направления распространения излучения, в том числе зависимости длины периодичности траектории от длины волны света (дисперсия длины периодичности), и повьпчение производительности измерений. Для образцов с градиентом показателя преломления проводят измерения путем создания общего интерференционного поля полос равной толщины, о соответствии выбранных длин одного или нескольких образцов диаметром, кратным половине длины периодичности тракторий лучей света выбранной длины волны и высоты входа, судят по положению в интерферен1щонной картине внеосевых экстрем мов, измеряют длины образцов и соответствующие координаты внеосевых экстремумов. Исследуемые граданы различной длины помещают в интерференционную систему и регистрируют координаты внеосевых. экстремумов полученного интерференционного поля полос равной толщины, которые определяют высоту входа луча в градан. 11 ил. IC 4; &9 Ч ч liu о

20,8 с/ J7,V

19 19,2

Ш,Я /e,

Ш,( f7,5

т

LjMfi}

0,2 0,Ц--- 0,8 Д(|)0i/e.ff

/«

/

Цмм

гг.в

22,4

22,2

22,0

ОQ2Q«0,60,610 fi

Фаг.д

iff j,

76

1U 12 10 В

I A37749

0

0,2

i г и

//

-fO9

ор А„0гар 5886/43

сриг. 10

Составитель С. Голубев Техред А.Кравчук

Корректор Л.Шл

Тиргок 847Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

, по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

/

r

8 7 . 7/

Корректор Л.Шлипенко