Способ измерения показателя преломления прозрачных стержней Советский патент 1988 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения показателя преломления твердых тел в виде протя- с женных цилиндрических объектов, волокон, световодов.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг. 1 показано устройство для Ю реализации способаj на фиг. 2 - зависимость угла входа луча, прошедшего через цилиндр, от координаты выкода из объе кта элементарного луча, параллельного линии регистрации, и сигнал 15 на выходе фотоприемника; на фиг. 3 - построение изображения точки Ь,. в тонкой линзе; на фиг. 4 - прохождение луча через цилиндрический объект.

Устройство для реализации данного 20 способа содержит осветитель , рассе- иватель 2, ограничители 3 и 4; фотоприемник 5 и peгиcтpиpyюD ий прибор 6.

Способ осуществляется следующим 25 образом.

Световым потоком от источника 1, рассеянным с помощью рассеивателя 2, облучают прозрачный цилиндр 7, причем диапазон углов входа в ци- ЗО линдр 7 ограничивают закрепленными ограничителями 3 и 4. С помощью объектива фотоприемника 5, имеющего малую .апертуру, из всех лучей, вьшедших .из цилиндра 7 в плоскости изображе- с ния фотоприемника 5, фиксируют только параксиальные лучи.

Ограничение диапазона входных углов излучения приводит к отсутствию части лучей в выделенном потоке, Q направленном и объектов фотоприемника 5, что регистрируется фотоприемником 5 и приводит к тому, что на выходе фотоприемника формируется сигнал, изображенный на фиг. 2, Единич- ные уровни сигнала формируются прошедшими к фотоприемнику 5 лучами а нулевые соответствуют местонахождению лучей, отсеченных ограничителями,, причем уровни сигнала на выходе фо- топриемника однозначно связаны с показателем преломления материала измеряемого цилиндра.

Через объектив фотоприемника 5 на его фоточувствительный слой посту55

пают параксиальные лучи, что определяется свойствами объектива фотоприемника (объектив с небольшой апертурой) .

5

0

5

О с

Q

5

Построение изображения цилиндра 7 можно провести с помощью параксиальных пучков, формируемых на поверхности цилиндра 7. Поскольку для параксиальных лучей изображение точки стигматично (т.е. гомоцентричность пучка сохраняется), то для построения ее изображения достаточно найти точку пересечения какого-либо луча из параксиального пучка с плоскостью изображения.

Рассмотрим изображение точки В в линзе (фиг. 3). Из свойства гомо- центричности следует, что после выполнения построения любой преломленный луч из параксиального пучка пройдет через точку Bg. Так как построение изображения точки Bj сводится к геометрической задаче отыскания В, то нет.надобности, чтобы выбранные элементарные лучи имели реальный характер. В частности, луч не попадает в оправу линзы, но может участвовать в п остроении точки Вг. Таким образом, построение изображения видимых объективом фотоприемника 5 точек, лежащих на поверхности цилиндра 7, может быть сведено к построению с участием только тех лучей, которые выходят из цилиндра 7 параллельно линии регистрации.

Местоположение лучей,, выходящих из цилиндра 7 параллельно линии регистрации, зависит от углов входа рассеянных лучей, прошедших от рассеивателя 2 через пространство, ограниченное ограничителями 3 и 4, к поверхности цилиндра 7.

Тем самым установление зависимости показателя преломления материала цилиндра от сигнала на выходе фотоприемника 5 может быть сведено к определению связи между распределением лучей, выходящих из цилиндра параллельно линии регистрации и углами входа в цилиндр лучей, выходящих от рассеи- ,вателя 2 и участвующих в формировании на выходе из цилиндра 7 пучка, параллельного линии регистрации.

Зависимости, связьшающие углы вхог да лучей, проходящих через цилиндр 7, с координатами выхода из их цилиндра 7 параллельно линии регистрации, получаются на основании исследования прохождения элементарного луча через цилиндрический объект (фиг, 4).

Угол б входа элементарного луча (фиг, 4) в цилиндр относите.чьно ли31441278

НИИ регистрации связан с углом выхода относительно перпендикуляра к поверхности цилиндра, восстановленного в месте выхода рассматриваемого луча, соотношением

уг

е , j- () -S )

«(j - е/, - (180°- -О/)

+« о -

2

(О

arcsin(sine)

arcsin

(4)

Принимая во внимание равенство углов 0 и о( , а также формулы (2) и (4), запишем формулу (1) в виде

0

2с(о- 2с,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения показателя преломления материала прозрачных цилиндрических протяженных объектов. Цель изобретения - повышение точности измерений. Перед цилиндром вводят с двух сторон ограничители, ограничи- ваюп|ие относительно линии регистрации диапазон входных углов лучей, посту- пающих на измеряемый объект от рас- сеивателя. Ограничители закрепляют симметрично линии регистрации, регистрируют распределение интенсивности параксиальных лучей в плоскости изображения измеряемого объекта, и по этому распределению судят об искомой величине. Ограничение диапазона входных углов излучения приводит к отсутствию части лучей в вьщеляемом потоке, направленном в объектив фото- приемника, что регистрируется светочувствительной частью фотопрйемника. На выходе фотоприемника формируются два уровня сигналов: единичный и нулевой. Единичный формируется прошедшими к фотоприемнику лучами, нулевой соответствует местоположению лучей, отсеченных /ограничителями, причем уровни сигнала на выходе фотоприемника однозначно связаны с показателем преломления материала измеряемого цилиндрического объекта. 4 ил. S (Л

где (f 180 - угол между направлением регистрации и радиусом цилиндра, проходящим через точку входа луча в цилиндр;

oi, - oij- угол между радиусами цилиндра, проходящими через точку входа и выхо- . да луча из цилиндра; J,, d.2 соответственно углы между

прямой, соединяющей точки выхода и вхсда измерения в цилиндр, и его радиусами, прохо- дяп1ими через эти точки. Угол 0/0 образован направлением луча, выходящего из цилиндра параль- лельно линии регистрации, и перпендикуляром к поверхности цилиндра, проходящим через его центр. Этот уго связан с координатой X, соответствующей удалению места выхода элементарного луча от линии регистрации, соотношением из треугольника АОВ (фиг. 4):

X о/о arcsin -, (2)

где. R - радиус окружности цилиндра.

Углы о( и «( равны между собой, как углы при основании равнобедренного треугольника. Угол oi образован направлением луча, входящего в цилиндр, и направлением радиуса ци- линдра, проходящего через точку входа луча в него.

Углы J.g и о(, также равны между собой, так как связаны с углами ai и формулой Снеллиуса - Декарта

n(

По

sinot,

По

(3)

- показатели преломления материала цилиндра и окружающей среды соответственно.

формулы (3) находят уг

5

-

0

5

ПоХч

2 arcsin - - arcsin --г). (5) к п J к

На основании полученного соотношения (5) построен график (фиг. 2).

Из графика видно, что если в рассеянном свете ограничить диапазон входных углов лучей, то в выходящем световом потоке, параллельном линии регистрации, есть зоны, в которых лучи отсутствуют (на графике изображены заштрихованными участками). Этим зонам соответствует нулевой уровень сигнала на выходе фотоприемника.

Предельные углы и -(9 в устройстве, реализующем данный способ, задаются ограничителями 3 и 4.

Из уравнения (5) получаем значение показателя преломления материала цилиндра:

X По

. , .X &. Rsin(arcsin s - о). к. i

(6)

Радиус окружности определяют по формуле

R КТг/2, (7)

где К - масштабный коэффициент, определяемый коэффициентом усиления фотоприемникл;

Tj,- интервал, характеризующий внешний диаметр (фиг. 2).

Значение Х, соответствующее критическому углу отношения

в

kp.

находят из соX, ,

(8)

где Т - интервал, характеризующий координату Х места выхода светового луча, параллельного линии регистрации, при заданном критическом угле

(фиг. 2).

Радиус R прозрачного стержня определяют заранее или по распределению интенсивности. Если радиус стержняизвестен, то показат гль преломления находят по формуле (6).

Если радиус стержня не известен, то показатель преломления определяют по формуле

п.

п„

T,.sin(arcsin i - ). (9)

Операция калибровки устройства с целью определения предельного угла падения осуществляется один раз пе ред нача.лом работы для определенного положения ограничивающих световой поток экранов. При изменении положения ограничивающих экранов относительно линии регистрации необходимо проводить дополнительную калибровку устройства,

В соответствии с фиг. 4 предельный угол определяют из соотношения

arctg

L - Н

, Р + R sinV arctg .

(10)

где

180 -o(o 2e,

L - расстояние от оси образца до

плоскости ограничителей; Р - расстояние от линии регистрации до краев ограничителей; Н - расстояние от плоскости, прО ходящей через ось образца перпендикулярно линии регистрации э до места входа в образец луча, определяющего внутреннюю границу светотени; F - расстояние от линии регистрации до места входа этого граничного луча.

Величины углов з( и е(о определя- ются по формулам (4) и (2).

Предельный угол ®KP отличается от угла Оу 5 который образован линией регистрации и линией проходящей чет рез край ограничителя и ось образца, и вычисляется функцией

®о arctg 2. (И)

Однако, если обеспечить условие L R и PJi- R, то , предельный угол &/(р будет близок по значению к углу &о (сравним уравнений (10) и (П), где sin и cos V не могут быть больше единицы, а при,Ъ 100 Р.и Р 100 .Р углы Окр и Gg с погрешностью, не превышающей 1%, совпадают). Если размеры образца удовлетворяют условию

R L/100 и R Р/100, то калибровку устройства с целью определения предельного угла для каждого нового образца проводить не нужно, в противном случае ограничители удаляют на требуемое расстояние и проводят дополнительную калибровку.

гОперация формирования пучка парак- симальных лучей необходима, поскольку рассеянный свет после прохождения образца остается рассеянным, а на фиг. 4 приведен ход только одного

ИЗ сформированных параксиальных Лучей, а остальные рассеянные лучи не проходят через объектив.

Устройство может быть выполнено

следующим образом.

Осветитель в виде двух ламп накаливания мощностью по 150 Вт питается от напряжения сети 200 Б. Рассеи- ватель изготовляют из стеклянной

пластины путем нанесения на нее матовой поверхности пескоструйным механизмом. Ограничители реализуют с помощью двух непрозрачных металлических пластин, закрепленных в корпусе осветителя между рассеивателем и объектом измерения. Фотоприемником служит телевизионная камера типа КТП-67 промышленной телевизионной установки ПТУ-43. Регистрирующий прибор выполняют на базе видеоконтрольного устройства тип ВК50В100 промышленной телевизионной установки ПТУ-43 и устройства отображения, служащего для преобразования сигнала с выхода

отоприемника в цифровой код. Цифровые значения, интервалов времени Т и Тз вводят в вычислительное устройство, например мини-ЭВМ Электрони- ка ДЗ-28.

Распределение интенсивности света, формируемое в плоскости фотоприемника, имеет четкие границы светлых и темных полос, поэтому погрешность, обусловленная сферической аберрацией, создаваемой объектом измерения, в способе отсутствует. Благодаря этому достигается повышение точности определения показателей преломления до 0,05%.

Формула изобретен и.я

Способ измерения показателя преломления прозрачных стержней, включа71Д

ющий освещение световым пучком стержня и регистрацию распределения интенсивности прошедшего через него светового пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, стержень освещают излучением, рассеянным в плоскости, перпендикулярной световому пучку, и ограниченным симметрично плоское- ти, проходящей через ось стержня и направление освещения, регистрируют границы света и тени в распределении интенсивности светового пучка, образованной его параллельными луча- ми, причем показатель преломления п стержня определяют по формуле

2

Tjsin(arcsin де Т, и Т, минимальное н максимальное расстояния между границами света и тени в распределении интенсивности;

чр - максимальный угол между падаютдими на стержень ограниченными рассеянными лучами я направлением освещения стержня;

Пда - показатель преломления окружающей среды.

Фиг. 2

f7o