Способ поляризационно-оптического измерения оптической разности хода Советский патент 1990 года по МПК G01N21/21 

Изобретеиие относится к оптическим измерениям свойств стеклянных, полимерных и других прозрачных объектов, в частности к компенсационному измерению двулучепре- ломления для оптимизации конструкций объектов и технологии, а также для прогноза долговечности объектов.

Цель изобретения - повышение точности измерения оптической разности хода путем увеличения достоверности результатов измерений при увеличении быстродействия.

Способ реализуется следующим образом.

Сначала измеряют для каждой точки объекта (для каждого элемента фотоприемника) ijj|, и 1)52, - углы поворота анализатора, при которых происходит гашение компонент пучка в данной (г -й) точке с длинами волн Х и 2 (Я,). Использование многоэлементного фотоприемника позволяет без. предварительного скрещивания анализатора и поляризатора определять начальное угловое положение анализатора фо (начало отсчета углов). Значение фо позволяет определить A i,(2o - целое число длин волн, заключенных в оптической разности хода - при измерениях на Л: (i2) для /-ГО элемента фотоприемника (г-й точки объекта). По найденным значениям фо и Kti и измеренным значениям ij)i, определяют угол поворота плоскости поляризации ф1,- (на длине волны ., в каждой точке объекта) по формуле

О)

оо ю ел

,-+/(|гя-фо.(1)

На фиг. 1 приведены зависимости углов поворота плоскости поляризации ф1 и ф2 и углов поворота анализатора )i и , измеряемых в диапазоне О-зг, при которых происходит гашение пучка, от ф| по предлагаемому способу; на фиг. 2 - ломаная линия зависимости разности T|:i-ii32 отфь Углы ф1 и ф2 могут превышать л, тогда как -фг и i|}2 не могут превышать л из-за известных свойств анализатора. На длине волны Х2 наклон прямой, характеризуюш.ей зависимость ф2 от фи менее 45°. Из приведенных зависимостей следует, что но измерениям на какой-либо одной длине волны нельзя однозначно восстановить ф1 или ф2 по измерениям я|)1 или ф2. Используя информацию о разности ij;i -ф2, можно однозначно восстановить ф1 и фг. Это подтверждает полученное нами соотношение между отношением используемых длин волн /.2 и наибольшим значением углов поворота плоскости поляризации , при которых возможно однозначное восстановление ф и ф2 по измеренным |3i и ф2

,, J

(1-/)

Для ,8, /(,5, т. е. ф1 может изменяться от -2,5л до +2,5л. Далее по измеренным 1)1 и 1|;2 формируют величину х|;,ф2 по формуле..рч

r l5i-г|;2, если |v|5i--фзК г/ ; г|,1..а))2 J 4 1--11)2-л, если il;,-А|)

I г|3| -i|52+ t если ijJi-ф2 -V2, соответствующую разности углов поворота плоскости поляризации (фиг. 2). Ломаная линия соответствует зависимости разности

А|)| - ф2 от фь

Преобразование (2) позволяет восстановить разность полных углов поворота плосотрезок пря.мой с наЧисло К - целое и это позволяет использовать для его точного определения грубую оценку,ф| по формуле (8). Расчет по формуле (9) позволяет точно определить К (достаточно определить /d с погрешностью менее 0,5), так как погрешность определения фо составляет доли процента от п, абсолютная ошибка при грубой оценке Ф1 не превышает 0,45л, а наибольшая ошибка измерения я|)| не превышает единиц процентов.

30

35

Далее по формуле (1) рассчитывают значение угла поворота плоскости поляризации в точке ( сечения объекта.

При измерениях по способу-прототипу при некоторых значениях углов гашения пучка (таких, что |-ф|--г|;2| я/2) погрешности определения угла поворота плоскости поляризации по формуле (2) могут достигать нескольких л, что резко снижает достокости поляризации ,

клоном 0,2 в пределах от -2,5л до -f 2,5л.

Для определения фо с высокой точное- верность измерений.

тью необходимо использовать многоэлемент- Согласно фиг. 2 в области ф1С±-2,5 разность l5i-ф2 я/2. При отсутствии ошибок измерения i|)i-i|}2 n/2, например, i|) 0,505-л, что соответствует значениям по rhnnMv.ne (2 П И

ный фотоприемник, содержаший порядка 10 элементов, и усреднять значение фо; по всем элементам фотоприемника. При этом используется тот факт, что значение фю одина- . Х.-ф2 -0,495гг (по фор муле (2)) п ково для всех элементов фотоприемника. 45 ,5-л. Наличие случайной ошибки А. Усреднение по 10 точек позволяет на по- например ,01-л, приводит к a|;i-Ч 2-4- рядок уменьшить среднеквадратическуюслу- -- . .,.,„,

чайную ошибку измерений фо по сравнению с одноэлементным фотоприемником. Погрешность определения фо при использовании промышленного многоэлементного фотоприемника (линейка из 1024 элементов протяженностью 15 мм) составляет 1% при малых |()1л значениях фо и (0,1-0,01)% при больших значениях фо. Величину q)o определяют по формулам:

(fg --arccos(cos(fo),(3)

+ ,495л(-ф|-t2+A n/2), что соответствует уже 1|),495л и ф|-2,5л, т. е. видно, что погрешность определения грубой оценки ф1 по формулам (2) и (8) сос- тавляет 5л, что не позволяет выполнить точный расчет ф1 по формуле (). Экспериментально установлено,что указанную по55

грешность определения );i-1|52 по формуле (2) можно исключить и тем самым увеличить достоверность определения угла поворота плоскости поляризации путем незначительного сужения диапазона изменения допустимых значений К., а именно

.:о5фо 5Яп(5ш2фп) VI + со52фо)/2;- (4)

(Щ)+(cos2фo);(5)

I/,

5т2фо 2iJ;i,-(i|5i,-il52,-)-

-(1+/)ф1.1;(6)

cos2( 2 cos|2i|)i,)i,-il)2,)-

-(.1+)фи,(7)

рде /V - количество элементов фотоприеника;ф,; определяется пи формуле

T|Ji-г 2

ф11

(8)

Далее, используя информацию о фо, ф, и 1|5|--Ф2, определяют в точке i целое число длин волн К, заключенных в оптической разности хода, по формуле

,у7( -(г1).,-фо)/я+0,5}. (9)

Число К - целое и это позволяет использовать для его точного определения грубую оценку,ф| по формуле (8). Расчет по формуле (9) позволяет точно определить К (достаточно определить /d с погрешностью менее 0,5), так как погрешность определения фо составляет доли процента от п, абсолютная ошибка при грубой оценке Ф1 не превышает 0,45л, а наибольшая ошибка измерения я|)| не превышает единиц процентов.

Далее по формуле (1) рассчитывают значение угла поворота плоскости поляризации в точке ( сечения объекта.

При измерениях по способу-прототипу при некоторых значениях углов гашения пучка (таких, что |-ф|--г|;2| я/2) погрешности определения угла поворота плоскости поляризации по формуле (2) могут достигать нескольких л, что резко снижает достоверность измерений.

. Х.-ф2 -0,495гг (по фор муле (2)) п ,5-л. Наличие случайной ошибки А. например ,01-л, приводит к a|;i-Ч 2-4- -- . .,.,„,

+ ,495л(-ф|-t2+A n/2), что соответствует уже 1|),495л и ф|-2,5л, т. е. видно, что погрешность определения грубой оценки ф1 по формулам (2) и (8) сос- тавляет 5л, что не позволяет выполнить точный расчет ф1 по формуле (). Экспериментально установлено,что указанную по

грешность определения );i-1|52 по формуле (2) можно исключить и тем самым увеличить достоверность определения угла поворота плоскости поляризации путем незначительного сужения диапазона изменения допустимых значений К., а именно

()-« 44,

(10)

К - наибольшее из значений |/(i в объекте. В процессе измерения в каждой точке объекта (для каждого элемента фотоприемника) определяют /С,,-. Если для наибольшего значения К в объекте условие (10) не выполняется, то измерение необходимо повторить на других длинах волн (необходимо увеличить значение Л) так, чтобы условие (10) выполнялось.

Таким образом повышается точность и достоверность измерения оптической разности хода по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Способ поляризационно-оптического измерения оптической разности хода на длине волны Я|, по которому на объект и далее на компенсатор и анализатор направляют пучок линейно поляризованного света, содер жащий две монохроматические компоненты на длинах волн Л| и Ла (), и регистрируют его фотоприемником, измеряют углы поворота анализатора г|5| и 1|з2, при которых происходит гашение части пучка (в каждой точке объекта) на длинах волн A.I и Л2 соответственно, формируют величину |))2 так, что

Гя|51-tj;2, если lij)-г)

1J),-1|)2 -ij)2-л, если 1|л--1)) (ф|-г|52+л, если ij; -т|;2 л/2 рассчитывают величину ф, по формуле

|

где.|//., отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения оптической разности хо- да путем увеличения достоверности определения угла поворота плоскости поляризаций при увеличении быстродействия, регистрацию осуществляют многоэлементным -фото- приемником, определяют начальное угловое положение анализатора фо усреднением по всем элементам фотоприемника, рассчитывают целое число К длин волн, заключенных в разности хода, по формуле Л:| /Л7 {|ф,-(г})| - фо)/л-4-0,5}, рассчитывают угол поворота плоскости поляризации ф1 по формуле

Л :-л-фо, проверяют выполнение условия

20

К

-0,88,

2(1-/)

где /Ci - максимальное значение lA ii в объекте,

рассчитывают оптическую разность хода 5 по формуле

2S о г . 5 ф|-Я|/л.

г. Способ по п. I, отличающийся тем, что на объект направляют пучок линейно поляризованного света, содерж ащий две монохроматические компоненты на длинах волн /-1 и /-2, выбираемых из условия

30

Ii

- --- о ,f--

0,88+2Л ,„ 1+2Л-:

Изобретение относится к оптическим измерениям, в частности к способу поляризационного измерения оптической разности хода. Цель изобретения - увеличение достоверности определения угла поворота плоскости поляризации при увеличении быстродействия. Для этого пучок линейно поляризованного света, содержащий две монохроматические компоненты на длинах волн λ₁ и λ₂(λ*98л₂), НАпРАВляюТ HA ОбЪЕКТ и дАлЕЕ HA КОМпЕНСАТОР, АНАлизАТОР и МНОгОэЕлЕМЕНТНый фОТОпРиЕМНиК, изМЕРяюТ углы пОВОРОТА АНАлизАТОРА φ₁ и φ₂, при которых происходит гашение части пучка (в каждой точке объекта) на длинах волн λ₁ и λ₂ соответственно, формируют величину φ₁-φ₂ так, что φ₁-φ₂={φ₁-φ₂}, если /φ₁-φ₂/≤φ/2, φ₁-φ₂-φ, если /φ₁-φ₂/*98п/2, φ₁-φ₂+φ, если /φ₁-φ₂/←φ/2

рассчитывают величину φ₁ по формуле φ₁=(φ₁-φ₂)/(1-R), где R=λ₁/λ₂*981

определяют начальное угловое положение анализатора φ₀ усреднением по всем элементам фотоприемника, расчитывают целое число K₁ длин волн, заключенных в разности хода, по формуле: K₁=INT{[φ₁-(φ₁-φ₀)]/φ+0,5

рассчитывают угол поворота плоскости поляризации по формуле φ₁=φ₁+K₁φ-φ₀ и оптическую разность хода δ по формуле δ₁=2φ₁λ₁/2φ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Si

Фиг. I