Способ определения профиля показателя преломления оптических неоднородностей Советский патент 1991 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения профиля показателя преломления оптических неоднородьостей путем использования принципов интерферометрии пониженной чувствительности.

сЦель изобретения - определение профиля показателя преломления оптических неоднородностей с большими геометрическими размерами и со значительными градиентами показателя преломления, диапазон изменения оптической длины пути зондирующих лучей внутри которых намного превышает длину волны излучения, а траектория зондирующих лучей внутри которых отличается от прямолинейной.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом

При помощи светоделителя излучение, идущее о г монохроматического источника света, разделяется на два пучка, первый из которых направляется на исследуемый объект. Разность оптического пути между пучком света, прошедшим через объект исследования, и другим пучком непрерывно изменяется в интервале, превышающем по своей величине диапазон изменения оптической длины пути лучей первого пучка в исследуемом объекте. Два пучка совмещают при помощи второго светоделителя и формируют интерференционную картину, которую регистрируют последовательно во множестве точек. При изменении разности оптического пути между первым и вторым пучком в момент времени, когда ее значение станет равным оптической разности хода, которую вносит исследуемый объект в зондирующий луч, падающий в точку регистрации интерференционной картины, на входе фотоприемника, расположенного в точке pei ист рации, появляются полосы с максимальным контрастом, поскольку разность хода интерферирующих в точке регистрации лучей равна нулю. Зафиксировав момент появления полос с максимальным контрастом, определяют разность оптических путей, которую вносит исследуемый объект для данной точки регистрации, Перекрыв второй пучок непрозрачной диафрагмой, nocieneHHO перекрывают первый пучок последовательно в двух взаимно ор- югональпых направлениях равномерно перемещающимися диафрагмами. По мере перекрытия пучка сйета в плоскости расположения фотоприемника происходит постепенная замена оптического поля, сформированного пучком света, прошедшим через объект исследования на тень, о гбрасываемую перемещающейся диафрагмой, Зафиксировав момент резкого скачка интенсивности света на входе фотоприемника, определяют координаты точки входа луча, который, пройдя через исследуемый объект, падает на данный фотоприемник, Зная координаты точки входа луча в исследуемый объект, определяют угол его выхода по формуле

arctg

D

(1)

где X и Y,- координаты фотоприемник в плоскости регистрации интерференционной картины;

V и U - координаты точки входа луча „. оптическую неоднородность;

D - расстояние между исследуемым объектом и плоскостью регистрации интерференционной картины.

Если s исследуемом объекте существует направление, .вдоль которого градиент показателя преломления можно принять равным нулю, то траектории зондирующих лу«ей лежат в плоскости, перпендикулярной этому направлению. В этом случае, разместив объект исследования таким образом, чтобы падающий пучок света был перпендикулярен направлению нулевого градиента показателя преломления-, и перекрыв второй пучок света непрозрачной диафрагмой, постепеннб перекрывают первый пучок диафрагмой, равномерно перемещающейся в направлении, перпендикулярном направлению нулевого градиента показате

ля преломления. Зафиксировав момент резкого скачка интенсивности света на входе фотоприемника, определяют координату точки входа луча, который, пройдя через ис- следуемый объект, падает на данный фотоприемник. В этом случае угол выхода луча определяется по формуле.

10

а arctg

(2)

где х - координата фотоприемника в плоскости регистрации интенференционной картины;

V - координата точки входа луча в оптическую неоднородность;

D - расстояние между исследуемым объектом и плоскостью регистрации,

Определив разность оптических путей

интерферирующих пучков и угол выхода из исследуемой оптической неоднородности первого пучка света, определяют оптическую длину пути зондирующего луча в исследуемом объекте по формуле

д-о(1

1

cos a

5,

(3)

где А - разность оптических путей интерферирующих лучей;

D - расстояние между исследуемым объектом и плоскостью регистрации интерференционной картины;

а - угол выхода зондирующего луча из

исследуемого объекта.

Зная оптическую длину пути пучка с данными координатами точки входа в исследуемый объект, определяют оптическую длину пути лучей,- имеющих координаты

точки входа, путем измерения разности оптических путей интерферирующий лучей и координат точек входа зондирующих лучей дяя других точек интерференционной картины. Определив зависимость оптической длины пути лучей от координат го- чек их входа в исследуемую опти«ескую неоднородность, с помощью интегральных преобразований производят расчет профиля показателя преломления с учетом

отклонения лучей от прямолинейной траектории.

Устройство для определения профиля показателя преломления оптических нео- днородностей содержит последовательно

расположенные источник 1 монохроматического излучения, оптическую систему 2, формирующую параллельный пучок света, светоделительную пластину 3,-устройство 4 модуляции оптической разности хода, блок 5 диафрагм, содержащий систему диафрагм, первая из которых установлена с возможностью вывода-вывода из хода одного из пучков, а две другие установлены с возможностью равномерного перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях в ходе пучка,. падающего на контролируемый объект, кювету 6 с иммерсионной жидкостью и объектом 7 исследования, вторую светоделительную пластину 8 и фотоприемное устройство 9, соединенные со схемой 10 обработки сигнала, информационные входы которого соединены с выходами устройства 4 модуляции оптической разности хода и блока 5 диафрагм.

Устройство работает следующим образом.

Светоделительная пластина 3 разделяет монохроматический пучок света, идущий от источника 1 излучения через оптическую систему 2, которая формирует параллельный пучок света необходимой ширины, на два параллельных пучка и направляет их через устоойство 4 модуляции оптической разности хода и блок 5 диафрагм на кювету 6 таким образом, что только один из пучков света проходит через объект 7 исследования. Вторая светоделителыная пластина 8 совмещает пучки света и направляет их на фотоприемное устройство 9, с помощью , которого регистрируете образующаяся интерференционная картина. Электрический сигнал, поступающий с Фотоприемного устройства, обрабатывается схемой Q обработки-сигнала. На выходе устройства 4 модуляции оптической разности хода постоянно присутствует информация с величине оптической разности хода между сзеювыми пучками, вносимой этим устройством о данный момент времени, а на выходе устройства 5 перемещающихся диафолгм постоянно присутствует информация о текущей координате перемещающихся в взаимно ортогональных направлениях лиофрзгмзх, т.е. схема 10 обработки сигнала постоянно располагает информацией о текущем розности оптического пути между пучками света и о текущей координате перемещающихся ди- зфрагм. При работе устройство 4 модуляции оптической разности хода плавно изменяет разность оптических путей в плечзх интерферометра. В момент появления контрастных полос в точке регистрации интерференционного поля с выхода фотоприе ного устройства 9 на вход схемы 1C обработки сигнала поступает синусоидальный сигнал с переменной амплитудой. При достижении амплитуды сигнала максимальной величины схема 10-обработки сигнала фиксирует информацию, поступающую с выхода устройства 4 модуляции оптической разности хода. Эта информация характеризует оптическую разность хода, которую вносит исследуемый объект 7 в зондирующий луч, прошедший через него и попавший в точку регистрации, так как в момент максимального контраста интерференционных полос разность оптических путей интерферирующих лучей равняется

0 нулю. После определения оптической разности хода устройство 5 перемещающихся диафрагм, перекрыв непрозрачной диаф-- рагмой пучок света, идущий мимо объекта исследования, последовательно перекрыва5 ет в двух взаимноортогональных направлениях равномерно перемещающимися диафрагмами пучок света, падающий на объект 7 исследования. В момент резкого скачка интенсивности света на входе фото0 приемного устройства 9 на вход схемы 10 обработки сигнала поступает сигнал ступенчатой формы и схема обработки сигнала зафиксирует информацию, поступающую с выхода блока 5 диафрагм. Эта информа5 ция характеризует координаты точки входа луча света в исследуемый объект. Зная координаты точки входа луча в исследуемый объект и координаты точки поля интерференции, в которой фотоприемное

0 устройство регистрировало интерференционную кяртину, рассчитывают угол выхода пуча по формупе (1), а затем определяют оп- тическую длину пути луча в исследуемом объекте по формуле (3). Если в исследуемом

5 объекте присутствует направление с нулевым градиентом показателя преломления,- устройство перемещающихся диафрагм перекрывает пучок света, падающий на объект исследования только в одном направлении,

0 перпендикулярном направлению с нулевым гоациентом показателя преломления. В этом случае угон выхода луча, прошедшего через объект исследования, рассчитывается по формуле (2).

5 Определив оптическую длину пути луча а исследуемом объекте и координаты точки входа луча в объект исследования, определяют оптическую длину пути лучей, имеющих другие координаты точки входа в объект

0 исследования, путем регистрации интерференционной картины и оптического поля, Формируемого перемещающимися диафрагмами, во множестве произвольно выбранных точек. Определив зависимость

5 оптической длины пути лучей-в исследуемом объекте от координат точек их входа в объект исследования, с помошью интегральных преобразований определяют профиль показатели преломления исследуемой оптической неоднородности.

В качестве примера конкретного выполнения предлагаемое устройство для определения профиля показателя преломления Ьптических неоднородностей, обладающих направлением с нулевым градиентом показателя преломления, содержит полупроводниковый лазер (длина когерентности 80 мкм), коллиматор, формирующий параллельный пучок света (ширина пучка 2JO мм), светоделительную пластину (толщина 40 мм), амплитудно-фазовый модулятор, выполняющий функции устройства модуляции оптической разницы хода и блока диафрагм и состоящий из последовательно расположенных по цилиндрической поверх- ости на расстоянии, равном ширине свето- ого пучка, пар плоско-параллельных стеклянных пластин равной толщины (толщина пластин 8 мм, угол между пластинами 0°) и светонепроницаемых диафрагм, шиR

ина которых равна ширине светового пучка,

Который приводится во вращение электродвигателем (частота вращения 5 ±0,001 Гц) И соединен с датчиком угол-код, информация с которого поступает на устройство обработки сигнала, обрабатывающее сигнал, поступающий с фотодиодной линейки, и состоящее из блока определения Контраста интерференционной картины и блока определения скачка интенсивности (детектор, дифференциатор, компаратор), Сигналы с которых подаются на запоминающее устройство, фиксирующее информацию с датчика угол-код. Это устройство Позволяет определить профиль показателя Преломления оптических неоднородностей, Обладающих направлением с нулевым градиентом показателя преломления, дигпг изменения оптической длины пути лучей внутри которых не превышает 500 мкм и геометрический размер которых в направлении,-перпендикулярном направлению с нулевым градиентом, не превышает 20мм.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ определения профиля показателя преломления оптических неоднородностей, заключающийся в том, что формируют монохроматический пучок излучения, разделяют его на два пучка, направляют первый из них на объект исследования, совмещают пучок света, прошедший через объект, с вторым пучком, регистрируют полученную интерференционную картину,

отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых оптических неоднородностей в сторону больших геометрических размеров и градиентов показателя преломления, равномерно изменяют разность оптических путей в разде- ленных пучках последовательно .для множества точек плоскости регистрации, определяют величину разности оптических путей лучей в пучках, фиксируя момент максимального контраста интерференционной картины в выбранных точках плоскости регистрации, полностью перекрыв второй пучок света, последовательно в двух взаимно ортогональных направлениях равномерно

перекрывают первый пучок света, падающий на объект исследования, определяют координаты точек входа лучей первого пучка в объект исследования, фиксируя момент исчезновения перекрываемого пучка в тех

же точках плоскости регистрации, по найденным значениям разности оптических путей и координат точек входа определяют оптическую длину пути лучей в исследуемом объекте, по которой определяют профиль

показателя преломления оптической неоднородности.

Изобретение относится к измерительной технике v может быть использовано для определения профиля показателя преломления оптических неодпородностей Цепь изобретения - определение профиля показателя преломления оптических неодно- родностей с большими геометрическими размерами и со значительными градиентами показателя преломления Нечувствительность схемы к искажениям, вносимым большими геометрическими размерами и значительными градиентами показателя преломления исследуемых объектов, достигается за счет одновременного измерения оптической разности хода способом интерферометрии пониженной чувствительности и координат точки входа луча в оптическую неоднородность лучевым способом, на основании которых пооизводится расчет профиля показателя преломления 1 ил