Устройство для определения показателя преломления Советский патент 1989 года по МПК G01N21/41 

1

Изобретение относится к области контроля оптических характеристик прозрачных для света веществ по создаваемой ими оп тической разности хода между тестовой и эталонной световыми волнами и может быть использовано для определения показателя преломления газов, жидкостей и твердых тел. Целью изобретения является повышение точности определения показате- йя преломления.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит источник 1 монохроматического света, равномерно освещающий тест-объект 2, выполненный в виде решетки с гармоническим распределением светопропускания с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси и направлению своих штрихов и расположенный в фокальной плоскости коллиматорного объектива 3, который формирует световую волну, проходящую через кювету 4 с исследуемым веществом, камерный объектив 5, формирующий изображение тест-объекта 2 в плоскости анализатора 6, представляющего собой узкую щель, за которой расположен фотоприемник 7, полосовой усилитель 8, настроенный на временную частоту, вдвое большую частоты колебаний тест-объекта 2, регистратор 9 и индикатор 10 перемещения анализатора 6.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 света равномерно осве- щает тест-объект 2, который с помощью объективов 3 и 5 изображается в плоскости анализатора 6. Световой поток, прошедший через анализатор 6 преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоприемника 7. Электрический сигнал модулируется по временной частоте путем периодического смещения тест-объекта 2 перпендикулярно оптической оси, с фотоприемника 7 подается в усилитель 8 и в регистратор 9. Путем перемещения анализатора 6 перпендикулярно оптичес- кой оси добиваются максимума сигнала на регистраторе 9. Измерение величины перемещения анализатора 6 производится с помощью индикатора 10.

Устройство для определения показателя преломления работает следующим образом.

Первоначально до введения исследуемой среды в кювету 4 путем перемещения анализатора 6 измеряют с помощью индикатора 10 координату Х положения анализатора 6, соответствующую максимуму электрического сигнала с усилителя 8. После введения исследуемой среды в одну из камер кюветы 4 путем перемещения анализатора 6 определяют с помощью индикатора 10 вторую координату Xj положения анализатора 6, соответствующую новому положению максимума сигнала с усилителя 8. По величине смещения

анализатора 4Х Х - Х определяют показатель преломления исследуемой среды.

Равномерным освещением монохроматическим излучением тест-объекта, выполненного в виде решетки с гармоническим распределением светопропус- ания, в его плоскости создается распределение светимости l(x), пропорциональное выражению

1(х) Г1 cosCtOjx), (1)

0

5

0

5

0

5

где CJ.

iTD

fJ

пространственная частота тест-объекта, D - световой диаметр колли- маторного и камерного объективов J А - длина волны излучения

источника Света; f - фокусное расстояние камерного объектива; X - координата в плоскости тест-объекта, перпендикулярная направлению его его штрихов.

Это позволяет повысить точность измерений за счет обеспечения строгой линейности между величиной показателя преломления и величиной смещения максимумов распределения освещенности в изображении тест-объекта и светосилу устройства.

При выводе соотношений за основу взято то, что оптическая система изображает решетку с гармоническим распределением светопропускания единичного к онтраста без искажения характера этого распределения, т.е. изображение также имеет гармонический закон распределения. При этом изображение имеет контраст, равный величине функции передачи модуляции T(uJ) и смещено относительно своего идеального положения пропорционально величине функции передачи фазы i(u)) изображающей оптической системы.

Т(ы) и l/(uj) оптической системы имеют следующий вид:

Изобретение может быть использовано для определения показателя преломления прозрачных для света веществ по вносимой ими оптической разности хода между эталонной и тестовой световыми волнами. Цель изобретения - повышение точности определения оптической разности хода за счет формирования эталонной и тестовой волн в виде бесконечной суммы плоских монохроматических световых волн, распространяющихся под углами друг к другу и формирующих в плоскости анализа освещенность с гармоническим законом распределения, и определения оптической разности хода по величине смещения положения максимумов этого распределения освещенности, возниканнцего при создании оптической разности хода эталонной и тестовой световыми волнами. Формирование бесконечной суммы плоских сватовых волн осуществляется, например, путем изображения в бесконечность с помощью коллиматорного объектива тест-объекта, выполненного в виде решетки с гармоническим распределением светопропускания, который равномерно освещается монохроматическим источником света. Формирование освещенности в плоскости анализа- с гармоническим законом распределения осуществляется с помощью камерного объектива, в фокальной плоскости которого локализуется изображение тест- объекта. При этом обеспечивается стро- гая линейность меяду величиной смещения максимумов распределения освещенности в изображении тест-объекта и величиной созданной оптической разности хода. 1 ил. i (Л

T(wl

(I - V.+ ПГ MS КЛ1.) + ( 1п кЛ1.), -,ш 0:

Ш

oJp t 2

1 - 772w . u

Wf to

U)t

CO

ЫР

U)p

arctg (

sin KdL

1 ID

U)

+ -- С OS ЮзЬ

Wp

КДЬ

-,ш 0:

Ш

(2)

)

cup

w 0

(3)

w -2 )

де Ыр 2 сод2 А

К - - 5146746А

предельная пространственная частота; волновое число

то пе 3 мо не по ма

UL

- оптическая разность хода между световыми волнами, прошедшими через первую и вторую камеры кюветы.

Из выражения (3) следует, что при W -7/ сОо величина (/ (и;) прямопропор- циональна /5L, а величина Т (со) от ЛЬ не зависит и уменьшается с увеличением ы . Поэтому из условия получения максимально возможного контраста в изображении для тест-объекта выбрана минимальная U) w , при которой еще сохраняется пропорциональность между t(w) и AL, Эта частота соответствует периоду Т тест-объекта равному

,. IU .

Распределение освещенности В(х) в изображении тест-объекта вида (1) с учетом (2) и (3) имеет следующий вид:. В(х) - 1 + 0,5 cosCw X + K/JL)J.

Показатель преломления п связан с flL следующим образом:

(4

UL

Т

+ п

Э

(5)

где L - длина кюветы;

п - показатель преломления среды

мачс

А

(8)

JL -| ЛХ

(6)

эталонного отделения кюветы. Из выражения (4) следует зависимость UL от величины ЙХ смещения мак- 40 Д - расстояние между объективами, симумов функции В(х):; Изобретение позволяет снизить погрешность определения оптической разности хода за счет обеспечения строгой линейной зависимости между опре- дс деляемой величиной оптической разности хода и измеряемой величиной смещения точки максимума распределения освещенности в плоскости анализа и симметричности формы этих максимумов. Это позволяет эффективно применить модуляционный метод наведения на максимум гармонического оптического сигнала и снизить погрешность определения показателя преломления, например, при йлине кюветы 100 мм до величины 10 . Формула изобретения

Устройство для определения показателя преломления, содержащее исТак как величины D и f в выражении (6) постоянны, то точность определения /5L, а следовательно, и п определяются только точностью определения координаты максимума функции В(х). Поскольку форма максимумов функции В(х) симметрична, то, например, использование модуляционного метода наведения на максимум гармонического Оптического сигнала позволяет в этом случае снизить погрешность определения AL до . Модуляция выходного сигнала осуществляется периодическим перемещением тест-объекта.

50

Использование модуляционного метода для известных устройств не обеспечивает такой точности определения 3 L, так как для них форма максимумов функции В(х) имеет существенную несимметричность, что приводит к погрешности определения координаты максимума.

Повышается и светосила, так как исключается необходимость использования щелевых диафрагм в параллельном ходе лучей и снимается ограничение на максимальный размер источника

излучения.

Рагзмер 1 тест-объекта должен быть не меньше, чем

мин

20

. j

(7)

где

25

)

сГ - допустимая погрешность определения показателя преломления.

Условие (5) получено из анализа функции распределения освещенности в изображении ограниченного по размеру тест-объекта. Из (7) следует, что число периодов решетки тест- 30 объекта, например, при с -10 , L 100 мм и Л 0,5 мкм должно быть не менее 66.

Верхний предел размера 1 определяется величиной поля зрения системы коллиматорный - камерный объективы

35

и равен

мачс

А

тояние между ие позволяет

дс

50

точник монохроматического излучения и расположенные по ходу лучей тест- объект, коллиматорный объектив, фокус которого совмещен с плоскостью тест-объекта, кювету, камерный объектив и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения показателя преломления, тест-объект выполнен в виде решетки с синусоидальным распределением светопропускания, период Т которого равен

т - 2if D

а размер решетки 1 в направлении, перпендикулярном направлению ее штрихов, удовлетворяет соотношению

Редактор Н.Бобкова

Составитель С.Голубев

Техред М.Ходанич Корректор В.Гирняк

Заказ 1188/40

Тираж 788

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Т м .

т:гт:7г 1 т

где D - световой диаметр коллиматор- ного и камерного объективов, f - фокусное расстояние коллиматорного объектива; (f - допустимая относительная погрешность определения показателя преломления; L - длина кюветы; Д - длийа волны источника излучения j А - расстояние от камерного до

коллиматорного объектива, при этом тест-объект установлен с Возможностью перемещения перпендикулярно направлению хода лучей и направлению своих штрихов.

8

Подписное